一臺(tái)燃煤工業(yè)鍋爐改燒生物質(zhì)燃料的能效分析

朱 霖 ，韓健雄 ，王 磊 ，曾 添 ，江慶陽(yáng)

（1.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧530219；2.濟(jì)南熱電有限公司，山東 濟(jì)南 250021）

2013年國(guó)務(wù)院印發(fā)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》至今，全國(guó)小型燃煤工業(yè)鍋爐的整治工作已經(jīng)進(jìn)入白熱化階段。與此同時(shí)，國(guó)家對(duì)工業(yè)鍋爐的環(huán)保要求[1]也在持續(xù)提升，2014年廣西南寧市人民政府下文劃定高污染燃料禁燃禁售區(qū)，要求截止2017年12月31日前完成燃用高污染燃料鍋爐的治理工作，現(xiàn)南寧市建成區(qū)內(nèi)燃煤工業(yè)鍋爐已經(jīng)悉數(shù)拆除或改用允許的生物質(zhì)類(lèi)燃料[2]。但燃煤的燃燒特性與生物質(zhì)燃料相差較大，未經(jīng)任何改造或運(yùn)行參數(shù)調(diào)整而直接由投用燃煤變?yōu)橥队蒙镔|(zhì)燃料，必然會(huì)在出力、鍋爐熱效率等多個(gè)方面對(duì)鍋爐的運(yùn)行產(chǎn)生影響，本文便針對(duì)一臺(tái)由燃煤改燒生物質(zhì)燃料并未對(duì)鍋爐進(jìn)行任何改造或運(yùn)行參數(shù)調(diào)整的鍋爐進(jìn)行了能效測(cè)試分析[3]。

1 鍋爐概況及測(cè)試情況

廣西南寧市某工業(yè)園區(qū)內(nèi)一紙業(yè)公司，在2012年安裝了一臺(tái)型號(hào)為SZL6-1.25-WII的承壓蒸汽鍋爐，該鍋爐于2012年1月制造出廠，2012年7月通過(guò)安裝驗(yàn)收后投入使用。該鍋爐設(shè)計(jì)出力為6 t/h，額定工作壓力為1.25 MPa，額定蒸汽溫度為193.3℃，設(shè)計(jì)燃料為II類(lèi)無(wú)煙煤，燃燒設(shè)備為燃煤鏈條爐排，鍋爐尾部受熱面為一組空氣預(yù)熱器。投產(chǎn)后鍋爐一直使用燃煤，現(xiàn)應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保要求，停止采購(gòu)燃煤，改為燃用生物質(zhì)成型顆粒。據(jù)悉，在改用燃料前后，使用單位并未專(zhuān)門(mén)對(duì)鍋爐進(jìn)行改造，也未對(duì)鍋爐的爐排轉(zhuǎn)速、料層厚度、配風(fēng)情況、各風(fēng)室的風(fēng)門(mén)開(kāi)度等運(yùn)行參數(shù)做過(guò)任何調(diào)整，經(jīng)運(yùn)行一段時(shí)間之后發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行成本明顯增加。

受使用單位委托，筆者對(duì)該臺(tái)鍋爐進(jìn)行了在用鍋爐運(yùn)行工況能效測(cè)試，測(cè)試的基本情況如下：

（1）測(cè)試依據(jù)：本次測(cè)試工作根據(jù)TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》、TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》制定測(cè)試大綱，測(cè)試人員按照大綱執(zhí)行測(cè)試工作。

（2）主要測(cè)試儀器：①Testo350煙氣分析儀，可測(cè)量 O2、CO、NO、NO2、SO2、CO2濃度以及煙氣溫度等參數(shù)；②F601便攜式超聲波流量計(jì)，流速測(cè)量范圍：0.01～25 m/s，分辨率：0.025 cm/s，測(cè)量管徑范圍：DN6~DN6500，測(cè)量溫度范圍：-40℃~+400℃；③FLUKE TI400紅外熱成像儀，測(cè)量范圍：-20~1200℃，測(cè)量精度 ：2.0級(jí)；④Testo-925高溫?zé)犭娕紲囟扔?jì)，溫度測(cè)量范圍：-100~800℃，測(cè)試精度：0.2級(jí)；⑤Testo-720單通道式溫度計(jì)，溫度測(cè)量范圍：-100~200℃，測(cè)試精度：0.2級(jí)。

（3）測(cè)試概況：測(cè)試前鍋爐正常運(yùn)行，已在測(cè)試工況狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行1 h以上。在鍋爐運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定的前提下連續(xù)測(cè)試1 h，測(cè)試數(shù)據(jù)每10 min記數(shù)一次。測(cè)試測(cè)點(diǎn)示意圖如圖1給出，測(cè)試中監(jiān)控的測(cè)點(diǎn)包括：燃料取樣、鍋筒壓力、給水流量、給水溫度、給水壓力、煙氣溫度、煙氣成分、飛灰取樣、入爐冷空氣溫度、爐表溫度、爐渣取樣、漏煤取樣等12項(xiàng)，測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)獲得方式如表1所示，其中測(cè)試結(jié)果為根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取平均值所得。由表1可知，測(cè)試期間鍋爐運(yùn)行負(fù)荷僅為額定出力的50%左右，排煙處O2含量高達(dá)16.14，對(duì)應(yīng)排煙處過(guò)量空氣系數(shù)α為4.32，但燃料的燃盡情況也并不理想，飛灰、漏煤、爐渣可燃物含量分別達(dá)到了20.57%、35.21%、13.21%，鍋爐運(yùn)行工況熱效率僅為73.36%.

圖1 鍋爐能效測(cè)試測(cè)點(diǎn)示意圖

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)綜合表

2 數(shù)據(jù)分析及改進(jìn)建議

（1）燃料特性對(duì)于鍋爐的燃燒有著重大的影響，研究鍋爐燃煤改燒生物質(zhì)燃料的工況變化首先應(yīng)該掌握現(xiàn)用生物質(zhì)燃料的燃燒特性。該使用單位使用的生物質(zhì)成型顆粒的工業(yè)分析結(jié)果在上節(jié)中表1給出，可以知道該燃料收到基水分、灰分很低，而干燥無(wú)灰基揮發(fā)份的含量非常高，因此該燃料相較于無(wú)煙煤來(lái)說(shuō)著火和燃盡都容易得多，因此在鼓引風(fēng)量及各風(fēng)室配風(fēng)量不變的情況下，改燃生物質(zhì)成型顆粒之后需要考慮燃料提前著火、爐排中后部配風(fēng)過(guò)量等情況。同時(shí)，該燃料的收到基低位發(fā)熱量為17310.00 kJ/kg（4140kcal），屬于生物質(zhì)燃料中熱值相對(duì)較高的種類(lèi)，但相較于無(wú)煙煤的熱值來(lái)說(shuō)是較低的，因此在維持鍋爐同等出力的情況下，需要在單位時(shí)間內(nèi)給入更多質(zhì)量的生物質(zhì)成型顆粒，因此還需要考慮燃料層厚度和爐排速度的調(diào)整，否則必然對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

（2）各項(xiàng)熱損失占總熱損失的百分比如圖2給出，由圖可知，排煙熱損失q2占到了總熱損失的79%，是該鍋爐的最主要熱損失項(xiàng)；散熱損失q5占到了總熱損失的18%，是鍋爐的第二大熱損失項(xiàng)；化學(xué)未完全燃燒熱損失q3、固體未完全燃燒熱損失q4、灰渣物理熱損失q6三項(xiàng)熱損失總共只占了總熱損失量的3%，對(duì)鍋爐熱效率的影響相對(duì)較小。

圖2 各項(xiàng)熱損失占總熱損失的比重示意圖

（3）排煙損失的大小主要由排煙溫度和排煙處過(guò)量空氣系數(shù)兩個(gè)參數(shù)決定，而根據(jù)表1不難看出，該鍋爐排煙處含氧量高達(dá)16.14%，導(dǎo)致排煙處過(guò)量空氣系數(shù)高達(dá)4.32，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了《節(jié)規(guī)》對(duì)該類(lèi)鍋爐排煙處過(guò)量空氣系數(shù)不超過(guò)1.65的要求。結(jié)合上述分析認(rèn)為該現(xiàn)象是由若干個(gè)因素綜合導(dǎo)致的：①鍋爐燃料由燃煤更換為生物質(zhì)成型顆粒后，未對(duì)燃料層厚度、鼓引風(fēng)量、各風(fēng)室配風(fēng)量做相應(yīng)調(diào)整，導(dǎo)致了燃料在爐排前半段迅速完成著火燃燒，而中后部的風(fēng)室風(fēng)門(mén)依然保持全開(kāi)狀態(tài)，大量空氣從中后部風(fēng)室進(jìn)入爐膛，且未有效參與燃燒，造成了過(guò)量空氣量大幅增加；②鍋爐出力僅為3 033 t/h，負(fù)荷僅為額定出力的50%左右，在低負(fù)荷下為了提高燃料的反應(yīng)速度、維持燃燒溫度，偏大的鼓風(fēng)量在司爐人員看來(lái)認(rèn)為燒得不錯(cuò)，也未考慮風(fēng)室風(fēng)門(mén)開(kāi)度的調(diào)整問(wèn)題，導(dǎo)致送入爐膛的空氣量過(guò)大。

（4）鍋爐運(yùn)行負(fù)荷較低是造成散熱損失偏大的最主要原因，另外紅外熱成像儀也顯示該鍋爐爐左右兩側(cè)爐墻外表面大部分區(qū)域存在表面溫度超過(guò)100°C的現(xiàn)象，應(yīng)該是由于保溫層破損導(dǎo)致的，也一定程度上增加了該鍋爐的散熱損失。使用單位應(yīng)當(dāng)對(duì)左右側(cè)爐墻的保溫情況進(jìn)行檢查并修復(fù)，同時(shí)如果使用單位長(zhǎng)期用汽量維持在3 t/h的話，建議考慮重新增加一臺(tái)出力較小的鍋爐來(lái)使用。

（5）該鍋爐的飛灰可燃物、爐渣可燃物、漏煤可燃物含量并不算低，但由于燃料本身灰分含量非常低的原因，固體未完全燃燒損失及物理灰渣熱損失這兩項(xiàng)通常不會(huì)太高，可以不作為影響鍋爐熱效率的主要因素來(lái)考慮。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于國(guó)家節(jié)能環(huán)保要求日益提高，大量小型燃煤工業(yè)鍋爐在政策引導(dǎo)下由燃煤轉(zhuǎn)向燃用生物質(zhì)燃料。在改變使用燃料時(shí)，使用單位應(yīng)當(dāng)充分考慮燃料燃燒特性變化后對(duì)鍋爐燃燒產(chǎn)生的影響，根據(jù)生物質(zhì)燃料的燃燒特性及使用的負(fù)荷相應(yīng)的調(diào)整運(yùn)行期間的燃料層厚度、鼓引風(fēng)量、爐排運(yùn)轉(zhuǎn)速度、各風(fēng)室配風(fēng)量等參數(shù)，必要時(shí)對(duì)受熱面或爐內(nèi)拱墻進(jìn)行改造，才能使鍋爐處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)，真正達(dá)到鍋爐節(jié)能環(huán)保運(yùn)行的目的。