工業鍋爐低負荷工況節能分析與對策

陳志剛，毛富杰，張 旭，王 方

(天津市特種設備監督檢驗技術研究院 天津 300192)

0 引言

煤是我國目前可利用能源型式中的主要能源，在我國一次能源消費結構中占70%以上的份額。工業鍋爐是我國耗能最多的設備之一，每年消耗的能源約占整個國家能源消耗的1/3。全國在用工業鍋爐保有量約50多萬臺，約180萬t/h。其中燃煤鍋爐約48萬臺，占工業鍋爐總容量的85%左右，平均容量約3.4t/h，其中容量在20t/h以下占80%以上，煤炭消耗量占全年煤炭產量的23%。在工業鍋爐中大部分為鏈條燃煤工業鍋爐。鏈條爐往往需要燃燒優質煤，而熱能的低效率利用卻浪費了大量能源。從全國來看，我國燃煤工業鍋爐效率低，污染重，工業國家平均水平為80%以上，而我國工業鍋爐平均實際熱效率僅為60% ～65%，小容量的工業鍋爐熱效率只有50%～60%，節能潛力巨大［1］。

鏈條爐排工業鍋爐長期存在的低負荷運行工況是造成我國鏈條鍋爐熱效率低下的重要原因。據統計，目前我國工業鍋爐的一般平均運行負荷只有額定負荷的30% ～70%左右，鍋爐容量越小，平均負荷率越低。一般來說，只有在80% ～95%額定負荷下工業鍋爐才能達到最佳運行熱效率。但由于某些用戶購買鍋爐時的盲目性，或對未來可能的熱量需求的考慮，我國工業鍋爐運行的實踐中，使得工業鍋爐運行中普遍存在低負荷運行，即“大馬拉小車”的現象。此外，低負荷運行時送、引風機擋板均要關小，造成節流損失，消耗能源。給水泵也存在負荷不足的現象，這樣就增加了損失，由于輔機損失增大，從而使鍋爐機組凈效率下降。因此，鏈條式燃煤工業鍋爐在低負荷條件下的運行熱效率需要重點關注。新頒布的《鍋爐節能技術監督管理規程》對燃煤工業鍋爐主要參數進行了限制，對燃煤工業鍋爐的熱效率規定了限定值和目標值，尤其明確了對在用鍋爐實際運行熱效率進行定期檢測的要求。

2 低負荷運行各參數分析

反平衡熱效率測試是通過測定鍋爐各項熱損失的方法來確定鍋爐熱效率。雖然測試誤差高于正平衡測試方法，但能夠清除地標明鍋爐各項熱損失，為分析影響鍋爐熱效率的因素，提出改善熱效率措施提供了依據。工業鍋爐反平衡熱效率計算的熱損失包括:排煙熱損失q2、氣體不完全燃燒熱損失q3、固體不完全燃燒熱損失q4、散熱損失q5、灰渣物理熱損失q6。對于在額定工況下運行的鏈條爐排燃煤工業鍋爐，在鍋爐運行條件較好的情況下，排煙熱損失q2和固體不完全燃燒熱損失q4這兩項之和，占到鍋爐熱損失的80%以上，不完全燃燒熱損失q3、q4往往占到熱損失的10% ～15%。由此可見，此時排煙熱損失q2是影響鍋爐熱效率的最重要參數。

對于低負荷運行的鍋爐，各項損失在鍋爐反平衡熱效率計算中的影響相類似，但由于運行參數的差異，使得各項損失的比重不同于額定負荷運行情況，改善鏈條爐低負荷運行時的熱效率的途徑也應有所不同。

2.1 排煙熱損失q2對熱效率影響

排煙熱損失q2在鍋爐反平衡熱效率計算中所占的比重相對較大，而該項損失主要受排煙處過量空氣系數和排煙溫度影響，因此降低鍋爐排煙溫度和過量空氣系數成為提高鍋爐熱效率的關鍵。圖2為按照簡單計算得到的排煙溫度和過量空氣系數與q2關系圖。

圖2 排煙溫度和過量空氣系數與排煙熱損失q2關系圖

作為鍋爐熱損失中最大的一項，q2與apy直接相關，隨著apy的增加，q2增加的速度大于apy的增加速度，這在排煙溫度較高時尤為明顯。排煙溫度越高，q2正比于apy的曲線斜率越大，相應的q2增加速率就越大。如tpy=300℃時，apy從1.5升高到2.5 時，q2從 14.87%升高到了 24.11%，增加了約9.2%，為tpy=150℃時的2倍多。當排煙溫度增大時，q2正比于apy的曲線斜率也越大，相應的q2隨apy增加的速率也就越大。因此，為了提高鍋爐運行效率，排煙溫度越高越要嚴格控制apy。當排煙溫度tpy一定時，q2與apy大致線性關系，q2隨apy的增加而增加。如當tpy=150℃時，apy為 1.5，q2為 6.612%，當 apy為 2.5 時，q2為10.176%，即 apy增加 1.0，q2增加約 3.5%，相應的鍋爐效率下降約3.5%。

常用的降低鍋爐排煙熱損失的技術措施主要是增加尾部受熱面，改善煙道的密封狀況等，這對于在額定負荷情況下運行的鍋爐是有效的措施。

低負荷運行條件下，排煙溫度往往已經偏低，理論上不是造成排煙熱損失q2以及鍋爐熱效率降低的主要原因，為了保證鍋爐尾部受熱面安全運行，也不宜一味降低鍋爐排煙溫度。相對于額定負荷運行，低負荷運行時由于燃燒需要的空氣量減少，空氣入爐的速度不足，為了達到相同的爐膛深度或擾動程度，只能人為加大給風量，增大過量空氣系數。這就是為什么低負荷運行鍋爐排煙溫度較低的同時，q2熱損失仍然占據很高比例的原因［2］。

2.2 不完全燃燒熱損失q3、q4對熱效率影響

不完全燃燒熱損失q3、q4主要受燃燒狀況影響。對于額定負荷運行的鍋爐，如果燃燒效率能達到90%，那么該項損失的影響往往在10%～15%之間，其中q3對于鏈條爐來說一般在0.2% ～2%之間。對于額定負荷運行的鍋爐降低該項損失時，要注意避免過量空氣系數的增加帶來的q2的顯著增大，因此這需要對這兩項(q2和q4)損失進行綜合分析，選擇最佳的過量空氣系數。

低負荷運行致使一些鍋爐運行參數難以控制在合理范圍內，如爐膛溫度、給風量、漏風系數等。過高的爐膛過量空氣系數，造成火床和爐膛溫度偏低，燃燒速度明顯減慢，燃煤量減少，爐內溫度降低，使燃燒工況變壞，煤中的固定碳燃燒變得更加困難，爐渣含碳量增加，這樣就使得不完全燃燒熱損失q3、q4增大，運行效率下降。

低負荷下鍋爐壓力降低使汽水混合物的飽和溫度降低，導致燃料消耗量的減少，過量空氣系數增大，最終使爐膛溫度降低，爐膛溫度降低對燃料的燃燼不利。爐膛溫度降低，輻射換熱系數下降，造成鍋爐整體傳熱系數的降低，也造成鍋爐熱效率降低。

低負荷下較高的過量空氣系數和爐膛水冷度，影響了爐內煤的點燃和燃燒，并最終影響了煤的燃燒效率。

2.3 散熱損失q5、灰渣物理熱損失q6對熱效率影響

散熱損失q5對于鍋爐的效率影響相對較小，約占1%～3% ，一般不超過2%。在《工業鍋爐能效測試與評價規則》的測試方法中，該項僅給出了參考范圍。改善該項損失的方法也相對簡單，無外乎加強鍋爐的絕熱工作。灰渣物理熱損失q6是最為穩定的一項損失，計算中只與灰渣量有關系，而且數值是最小的。在低負荷下兩者的數值的增大是在絕對值未發生變化下相對值的增大，實際上無論鍋爐的運行狀況如何，負荷如何，對于同一臺鍋爐其q5和q6損失的絕對值是變化不大的。在實際運行的鍋爐當中存在鍋爐保溫較差的情況，測試處最高溫度會超過規程的上限值，那么該情況下q5的損失顯然過大，需要加強保溫工作。

3 改善低負荷運行熱效率措施

3.1 蓄熱式爐拱改善燃燒工況

工業鍋爐爐拱對于組織燃料燃燒，提高燃燒效率至關重要。前拱側重于引燃新煤，后拱側重于強化主燃區和烤渣燃盡。提高爐拱溫度能夠加強對煤的點燃作用，提高燃燒區煤層溫度，進一步改善煤的燃燒［3］。爐內輻射換熱公式和煤煙衰減系數公式為:

式中E為輻射換熱量;ε為爐內材料發射率，δ為斯忒藩—玻耳茲曼常數;ρ0為標準狀態下氣體密度;D為煤煙粒子平均尺寸，單位為μm;T為定性溫度(絕對溫度)，取為爐膛出口溫度;p通常取為1/3;μa為粒子濃度。

爐膛內其他參數相對固定，那么不同爐拱溫度輻射熱量之比為:

可見，輻射熱量的大小與輻射體絕對溫度的4次方成一定的正比關系。采用蓄熱輻射式爐拱時，爐拱溫度能夠提高100℃ ～200℃，其輻射熱量比值提高了3～8倍。高溫的功能材料形成對新煤層強烈的熱輻射，在點燃區形成劇烈燃燒，提高了對不同煤種、煤質變化的適應性，達到新煤快速著火，不再發生斷火現象，在爐膛溫度降低的條件下，有效提高煤層處的溫度。由于起火線提前，延長了燃煤在爐內的燃燒時間，為整個后面強化燃燒過程打下了基礎。

3.2 蒸汽二次風改善爐內流場

蒸汽二次風有利于小容量鍋爐在低負荷下保持爐溫水平以及一定的鍋爐熱效率。這主要是由于蒸汽二次風在造成爐內流場形成湍流的同時，蒸汽本身對煤還有一定的助燃作用。在鍋爐正常燃燒過程中，由于鼓風機與引風機的作用，燃燒室中存有較多的懸浮碳粒，這些懸浮碳粒實際上相當于一種強有力的還原劑，它不僅從一次風中吸收氧，而目也從現存的氧化物中奪取氧而成為碳的氧化物，在熾熱的蒸汽風進入燃燒室和高溫碳粒接觸時，立即發生如下的反應:

反應所生成的CO和H2又馬上和爐膛內的氧氣發生，燃燒并且放出大量的熱量。

煙氣中的CO2與水蒸汽混合后能大大提高火焰的黑度，產生較強的輻射作用，可以有效地提高爐膛的燃燒程度，強化燃燒，降低爐渣可燃物含量，提高燃燒效率［4］。

蒸汽二次風的噴射速度為該處煙氣流速的6－8倍。蒸汽二次風的風量不易太多，一般為一次風空氣量6%左右，要根據鍋爐的實際運行情況、負荷情況及燃燒等情況進行調整。蒸汽二次風的汽壓一般情況下可選0.4 Mpa。

3.3 控制過量空氣系數的措施

過量空氣系數對于低負荷運行鍋爐熱效率意義重大，各種運行負荷均存在最佳過量空氣系數值。過量空氣系數的經驗公式為ak=a’+(0.7+D/Ded)。但低負荷運行鍋爐的實際過量空氣系數要遠遠超過最佳過量空氣系數。

目前，大部分鍋爐所采用的風機不具備變頻調速功能，風量的調節只能通過司爐工經驗，人為改變進風擋板的位置來調節，這種落后的調節方式，不僅浪費了寶貴的能源，而且調節精度差。變頻器技術與鍋爐控制系統相結合，具有實時調節和高控制精度的特點，有利于綜合控制爐膛壓力，防止正壓或負壓過大運行，合理調節鍋爐通風狀況。此外，和一般常用的調節風門控制風量的方法比較，很好的解決鼓引風機低負荷運行，造成電機實際效率低下的問題，提高了鍋爐的凈效率。

4 結論

鍋爐的熱效率與負荷之間有一定的關系，超負荷和低負荷運行將使運行效率降低。新建鍋爐房一定要科學規劃發展步驟，合理配置鍋爐裝機容量。鍋爐容量、參數的合理配置是使鍋爐設備實現高效率的前提，應根據用熱設備的負荷量以及負荷特點綜合考慮而確定鍋爐容量，力求鍋爐應能長期處于經濟負荷狀態(額定蒸發量的80%～95%)，而不要頻繁地變更負荷、長時間低負荷或超負荷運行。這才是提高鍋爐效率，最直接最有效的手段。

［1］趙奕奕，張萬路.提高工業鍋爐和蒸氣系統效率培訓教材［M］.第一版.中國計量出版社，2007.

［2］王春昌.鍋爐漏風對排煙溫度及排煙損失的影響［J］.熱力發電.2007，8;19－21.

［3］陳 慧，俞增盛，晏富年.節煤改造爐拱技術的應用［J］.上海節能.2007，第2卷;40－42.

［4］紀建民，陳鵬.鍋爐蒸汽二次風的特性與節能分析.資源與發展，2007，2:38 －39.