生物質(zhì)鍋爐排煙溫度過(guò)高原因分析及解決方案

趙忠霞 張曉楠

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2.哈爾濱電氣國(guó)際工程有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150080）

0 引言

浙江某熱電廠為響應(yīng)國(guó)家環(huán)保、節(jié)能減排政策，將煤粉鍋爐改燒樹枝、雜草或者農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)燃料。但經(jīng)過(guò)技術(shù)、結(jié)構(gòu)改造后，該鍋爐飽受排煙溫度過(guò)高的困擾。排煙溫度高不僅會(huì)降低鍋爐熱效率，還會(huì)造成周圍環(huán)境的熱污染，同時(shí)也加重了鍋爐系統(tǒng)中布袋除塵器的負(fù)擔(dān)，布袋除塵器經(jīng)常處于極高溫度下工作，工作環(huán)境惡劣，存在非常嚴(yán)峻的安全隱患。因此，本文將從影響鍋爐排煙溫度的因素入手，從根本上解決鍋爐排煙溫度過(guò)高的問(wèn)題。

1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是浙江某熱電廠的4號(hào)鏈條爐，額定蒸發(fā)量是35 t/h，出口過(guò)熱蒸汽設(shè)計(jì)溫度450 ℃，過(guò)熱蒸汽出口設(shè)計(jì)壓力3.9 MPa。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保要求，鍋爐計(jì)劃由燃煤改燒生物質(zhì)燃料，即全部采用農(nóng)林及生活廢棄物，如農(nóng)作物秸稈、樹枝及樹葉等。入爐前對(duì)原料進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)壓料機(jī)轉(zhuǎn)化成5 cm×5 cm片料及粉料，如圖1所示。片料由輸料系統(tǒng)送到鍋爐爐排，進(jìn)行預(yù)熱燃燒；粉料則與經(jīng)過(guò)空氣預(yù)熱器加熱的熱空氣一并經(jīng)由輸送管道輸送到爐膛前墻噴料口噴入鍋爐爐膛進(jìn)行燃燒。鍋爐尾部豎井煙道布置三級(jí)省煤器及兩級(jí)空氣預(yù)熱器，煙道尾部布置1臺(tái)CNI-3.0旋風(fēng)除塵器以及LCDM-4-512-LD-GW布袋除塵器對(duì)鍋爐排煙進(jìn)行凈化處理。

2 鍋爐熱力計(jì)算

為了解決鍋爐排煙溫度高這一首要問(wèn)題，第一步就要分析造成鍋爐排煙溫度高的主要原因到底是什么，這就需要對(duì)該鍋爐再次進(jìn)行熱力計(jì)算。

鍋爐熱力計(jì)算分兩部分完成，一部分是設(shè)計(jì)計(jì)算，另一部分是校核計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算主要是用于設(shè)計(jì)新出廠鍋爐；校核計(jì)算主要是用于計(jì)算已經(jīng)存在或是主體結(jié)構(gòu)尺寸已確定的鍋爐型式，與設(shè)計(jì)計(jì)算的區(qū)別是不需要對(duì)鍋爐進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而是將得到的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，從而確定鍋爐是否能達(dá)到負(fù)荷要求。煙氣和換熱工質(zhì)在各受熱部件處的溫度需要首先假定，再利用漸次逼近法去確定。在爐膛尾部各受熱部件的計(jì)算過(guò)程中，假定煙溫對(duì)應(yīng)的煙氣側(cè)放熱量與計(jì)算得到的換熱量相對(duì)誤差不允許超過(guò)±2%，只有符合該條件才能繼續(xù)對(duì)下一級(jí)的受熱部件進(jìn)行計(jì)算。最后，還須滿足計(jì)算得到的排煙溫度值和預(yù)先假設(shè)的排煙溫度值之差不超過(guò)±10 ℃，對(duì)熱空氣溫度則要求不超過(guò)±40 ℃。

結(jié)束熱力計(jì)算后，還要估算熱力計(jì)算的總誤差，公式如下：

式中：Q為鍋爐輸入熱量（kJ/kg）；η為鍋爐效率（%）；Q、Q、Q、Q分別表示爐膛、凝渣管束、過(guò)熱器、省煤器的吸熱量（kJ/kg），它們是通過(guò)熱平衡方程式得到的；q為機(jī)械不完全燃燒熱損失（%）。

還需滿足式（2）：

至此，才可認(rèn)為熱力計(jì)算正確。

3 Excel表格兩個(gè)關(guān)鍵函數(shù)的應(yīng)用

第一種方法：應(yīng)用IF函數(shù)對(duì)Excel表格進(jìn)行優(yōu)化，示例如圖2所示。

IF函數(shù)主要用途：檢測(cè)所需要的計(jì)算數(shù)據(jù)是否能夠滿足給定條件，如果滿足就輸出一種結(jié)果，若不滿足則輸出另一種結(jié)果。

語(yǔ)法：IF（logical_test，value_if_ture，value_if_false）。

參數(shù)：logical_test表示所需滿足的條件；value_if_ture為滿足條件時(shí)的結(jié)果；value_if_false為不滿足條件時(shí)的結(jié)果。

第二種方法：應(yīng)用VLOOKUP函數(shù)對(duì)Excel表格進(jìn)行優(yōu)化，示例如圖3所示。

VLOOKUP函數(shù)主要用途：在特定區(qū)域內(nèi)的第一列中查找出與需要查找的數(shù)據(jù)相匹配的源項(xiàng)，確定行數(shù)，然后再給定列數(shù)，最后輸出對(duì)應(yīng)的結(jié)果。

語(yǔ)法：VLOOKUP（lookup_value，table_array，col_index_num，range_lookup）。

參數(shù)：lookup_value為所需要查找的數(shù)值；table_array為已經(jīng)給定的查找區(qū)域；col_index_num為輸出結(jié)果數(shù)值所在的列數(shù)；range_lookup表示所需查找的數(shù)據(jù)域查找區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的項(xiàng)是相等還是近似相等。

4 通過(guò)熱力計(jì)算分析生物質(zhì)鍋爐存在的問(wèn)題

為減少人為計(jì)算的錯(cuò)誤和工作量，在熱力計(jì)算之前，首先要根據(jù)已知數(shù)據(jù)制作該鍋爐的熱力計(jì)算Excel表格，Excel表格已經(jīng)利用IF函數(shù)和VLOOKUP函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，然后再根據(jù)電廠鍋爐運(yùn)行的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證Excel制作得是否正確，是否適用于該鍋爐的熱力計(jì)算。

目前，該電廠鍋爐長(zhǎng)期保持出力在25 t/h左右。原因一，電廠沒(méi)有35 t/h蒸汽的生產(chǎn)需求；原因二，根據(jù)電廠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在負(fù)荷達(dá)到26 t/h時(shí)，鍋爐尾部排煙溫度已高達(dá)168.5 ℃，若繼續(xù)增加鍋爐負(fù)荷，排煙溫度持續(xù)升高，不僅會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)，還存在毀壞尾部布袋除塵器的可能。所以，無(wú)法根據(jù)目前電廠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步了解鍋爐在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作的真實(shí)情況，當(dāng)然也不能以鍋爐滿負(fù)荷作為前提，驗(yàn)證制作的熱力計(jì)算Excel表格的正確性。應(yīng)以電廠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷為前提進(jìn)行熱力計(jì)算，改造之前的熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表1。

在鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)測(cè)排煙溫度已經(jīng)達(dá)到196.8 ℃，超過(guò)該鍋爐的設(shè)計(jì)排煙溫度20 ℃，該鍋爐的設(shè)計(jì)排煙溫度為170 ℃。該鍋爐排煙溫度過(guò)高的原因與鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，受熱面不足，因此需要從增強(qiáng)換熱的角度來(lái)降低排煙溫度。

5 鍋爐改造方案

鍋爐結(jié)構(gòu)是造成排煙溫度較高的原因，故首先研究生物質(zhì)鍋爐兩級(jí)空預(yù)器。冷空氣通過(guò)空預(yù)器被煙氣加熱升溫后送入爐膛，為燃料燃燒提供了充分的氧氣，提高了鍋爐效率，但與此同時(shí)也提高了理論燃燒溫度，強(qiáng)化了爐膛的輻射傳熱。通過(guò)Excel表計(jì)算得知，30 ℃的冷空氣通過(guò)空預(yù)器后被加熱到160 ℃，然后由送風(fēng)機(jī)送入鍋爐爐膛，生物質(zhì)燃料較煤更易點(diǎn)火燃燒，因此送入爐膛的熱空氣溫度不宜過(guò)高。結(jié)合電廠鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況分析，送入爐膛的熱風(fēng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)就可滿足燃燒要求。空預(yù)器占據(jù)空間巨大，換熱效果卻十分差，結(jié)合上述內(nèi)容，提出改造思路：將鍋爐原有兩級(jí)空預(yù)器移除一級(jí)，并利用節(jié)省出的空間加裝與移除空預(yù)器同等尺寸的煙氣—水換熱器，水的傳熱能力遠(yuǎn)超空氣，此方法可加強(qiáng)換熱，降低排煙溫度，熱風(fēng)溫度雖略有下降，但也能保證鍋爐運(yùn)行實(shí)際需要。

加裝的煙氣—水換熱器與省煤器結(jié)構(gòu)一樣，不同之處在于換熱介質(zhì)水沒(méi)有進(jìn)行除氧，溫度接近普通水溫，壓力也處于常壓狀態(tài)。改造后的流程為普通水除鹽后進(jìn)入換熱器參與換熱，溫度升高后進(jìn)入除氧器進(jìn)行除氧處理，然后作為鍋爐給水送入鍋爐中。具體流程如圖4所示。

加裝的換熱器與省煤器工作原理相似，因此考慮采用與鍋爐省煤器相同的錯(cuò)列形式進(jìn)行布置。但錯(cuò)列布置管束不易清灰，同時(shí)移除上級(jí)或下級(jí)空預(yù)器也會(huì)產(chǎn)生不同的效果，因此共提出以下4個(gè)可供選擇的改造方案。

方案1：移除下級(jí)空預(yù)器，換熱器受熱管束采用錯(cuò)列布置，熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

方案2：移除上級(jí)空預(yù)器，換熱器受熱管束采用錯(cuò)列布置，熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

方案3：移除下級(jí)空預(yù)器，換熱器受熱管束采用順列布置，熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表4。

方案4：移除上級(jí)空預(yù)器，換熱器受熱管束采用順列布置，熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表5。

圖5為4種方案中各受熱部件出口處的煙溫值，各受熱部件編號(hào)為1～8，分別代表爐膛、凝渣管、高溫過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器、上級(jí)省煤器、下級(jí)省煤器、空氣預(yù)熱器以及增加的換熱器。

對(duì)比以上圖表可獲得以下結(jié)論：

采取方案3，也就是移除下級(jí)空預(yù)器，換熱器受熱管束順列布置時(shí)，排煙溫度最低，最終測(cè)得的排煙溫度是149 ℃。

比對(duì)方案1與方案2，在采用錯(cuò)列的管束布置以及換熱器結(jié)構(gòu)相同的條件下，方案1移除了下級(jí)空預(yù)器，整體傳熱溫差小于方案2，換熱比較弱，但最終通過(guò)檢測(cè)排煙溫度，獲得了較低的排煙溫度值。這是因?yàn)樵驹阱仩t上級(jí)的空預(yù)器與下級(jí)空預(yù)器結(jié)構(gòu)尺寸并不相同，上級(jí)空預(yù)器的受熱面積大于下級(jí)空預(yù)器的受熱面積，移除上級(jí)空預(yù)器相當(dāng)于移除了更大的受熱面積。

與順列布置方案相比，理論上錯(cuò)列布置方案得到的排煙溫度應(yīng)更低一些，因?yàn)殄e(cuò)列布置的傳熱效果好于順列布置，但實(shí)際結(jié)果卻正相反，這是由于在順列布置的方案中，縮小了管束間的橫向節(jié)距，布置了更多的管束，即增加了更多的受熱面參與換熱。

方案2的排煙溫度為176.5 ℃，高于170 ℃，不符合要求；而方案4得到的熱空氣溫度為90 ℃，低于100 ℃，也不符合要求，因此放棄方案2和4。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某生物質(zhì)鍋爐基本情況，之后對(duì)鍋爐熱力計(jì)算進(jìn)行了說(shuō)明，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Excel表格，采用兩種函數(shù)方法簡(jiǎn)化Excel熱力計(jì)算的步驟，節(jié)省工作時(shí)間。同時(shí)，通過(guò)對(duì)鍋爐整體進(jìn)行熱力計(jì)算分析得出排煙溫度過(guò)高的原因，決定采用改造尾部受熱面的方法降低排煙溫度，并提出了4種改造方案。通過(guò)計(jì)算理論排煙溫度值，排除了不符合要求的方案2和4。