鍋爐全生命周期安全高效運行和節能減排

林康華

摘 要：本文主要就鍋爐全生命周期的安全高效運行與節能減排，展開了相關的分析與探討，首先就造成鍋爐安全運行事故的原因及技術突破予以了簡要的概述，然后針對具體的安全高效運行設計展開深入的研究，其中主要包括電站鍋爐、燃煤工業鍋爐、燃油燃氣鍋爐、余熱鍋爐等四方面內容的設計工作，結合本次研究基于運行設計，提出了煙氣深度冷卻技術、除塵增效技術等相關節能減排技術。最終希望借助于本文的分析研究能夠給相關的設計人員提供一些可供參考的內容。

關鍵詞：鍋爐；全生命周期；安全高效運行；節能減排

鍋爐設備的危險性較大且能耗較高，同時也是確保國民經濟健康發展的關鍵基礎設施。近些年來，鍋爐設備的設計與制造已經取得了極大的技術發展與突破，實現了更大容量、更高蒸汽參數的持續發展，然而此過程當中也面臨著諸多的難題，例如高溫耐熱鋼的煉制及設計等相關技術依然還未能夠取得實質性的突破，使得鍋爐安全事故頻發，因此就鍋爐全生命周期的安全高效運行，以及節能減排工作展開相關的分析與探討，具有十分重要的作用與價值，據此下文之中將主要就這一問題展開具體的闡述。

一、概述

鍋爐具備有高危險性，因此導致的安全事故時有發生，而造成鍋爐在日常的運行過程當中存在有安全隱患的因素主要有：

第一，高溫耐熱鋼的煉制及生產技術還不能取得新的突破；

第二，以前的設計選型技術達不到高溫耐熱鋼的實際要求；

第三，鍋爐耐熱材料在實際生產與制造時所選用的焊接、彎制以及熱處理等技術依然無法達到新材料應用的需求；

第四，不具備有高效的離線檢測、在線監測、安全評估方法等；

第五，缺少安全有效的鍋爐與燃燒器整體結構優化設計方式。

由于鍋爐的安全高效運行牽涉到了動力工程、工程物理、材料科學、測量控制等多學科內容，因此其具體的運行設計機制十分復雜，且難度極高；并且鍋爐的安全高效運行所牽涉的諸多方面因素在過程控制當中，大多會出現互相耦合。

因而，傳統以往單一性的學科研究與運行設計技術已經難以應對在復雜環境下運行的鍋爐運行，以及由于材料耦合從而造成的鍋爐失效技術難題。

二、安全高效運行設計

（一）電站鍋爐

在電站鍋爐的設計過程當中，安全高效的設計其核心即為對所選材料以及結構設計的高效應用，在本次研究當中運用高溫耐熱鋼非均勻成核蠕變壽命預測法，給予鍋爐廠家與發電廠家的高溫耐熱鋼型號選取作出了明確的依據判定，由鍋爐的選型設計過程中保障了對耐熱鋼材的準確選取，進而再通過對鍋爐選型的合理設計來確保實現安全高效的運行。

通過對削弱爐膛出口殘余旋轉的新結構設計，指出了在爐膛出口的煙氣偏差值判定準則數為XJ，并由此便可促進對爐膛以及燃燒器構造的合理優化，能夠顯著的緩解爐膛出口的熱偏差值，同時也可促使爐膛之中水冷壁結渣與腐蝕情況得以改善，進而避免了過熱器與再熱器發生爆裂事故。

通過對高效煤粉燃燒器的應用，能夠借助于燃燒器的著火穩定性與安全性，實現燃料更為廣泛的適應以及提升燃燒效率。以上技術發明現已得到了大規模的普及應用，且常以600MW與1000MW的超（超）臨界鍋爐設計當中應用較多。這也就由材料的選型以及鍋爐設計的優化方面為電站鍋爐的全生命周期安全高效運行，打下了堅實的基礎，創造出了極大的社會經濟價值。

下圖1為煤粉燃燒器與1000MW超超臨界鍋爐。

（二）燃煤工業鍋爐

在長時間的火力發電過程中，由于供應來源的煤質材料較為多變，且負荷改變幅度較大，由于導致燃煤工業鍋爐長期處于熱效率不足、水循環穩定性較差等運行困境，這同時也是限制鍋爐容量擴大化的重要原因之一。

針對工業鍋爐采取新的結構設計，明確配風裝置以及具體的設計方法，可由本質上改善燃煤鍋爐長期所存在的問題。

當前較為常用的燃煤工業鍋爐產品當中，以29MW～140MW國產系列較為先進，并且此系列的產品性能已經在某些方面實現了對國外壟斷技術的超越，現已應用于我國的多家企業之中，滿足了燃煤工業安全高效運行的目的。

（三）燃油燃氣鍋爐

燃油燃燒器是此類鍋爐的絕對核心部件，同時也是限制這一類型鍋爐發展的主要制約因素。我有由于在燃燒器的檢測技術方面存在空白，因此長期以來需要國外進口，其成本十分高昂。

而經過我國相關科研單位與相關高校所開展的技術攻關合作，目前在這一領域當中已經取得了極大的突破，我國自主研發的油氣燃燒器測試設備，已經具備了對于煙氣與燃燒器功率曲線的測繪功能，能夠針對燃燒器的輸出功率、燃燒效率以及相應的安全性予以同時檢測，彌補了我國在這一方面的不足。所設計研發出的0.35MW～7MW系列產品已經得到了國內多家企業的購置，給予油氣燃燒器及鍋爐安全高效設計作出了重要的技術貢獻。

（四）余熱鍋爐

余熱鍋爐是對工業發電的余熱進行回收的一項鍋爐設備，在這一方面我國的發展時間較短，由于沒有足夠的基礎理論研究工作，在對于設備的積灰、磨損、腐蝕、煙氣泄露等設計方面依然具有較大的盲目性。而伴隨著近些年來尤其是“十一五”與“十二五”等相關科研項目的不斷深入，在此方面的設計工作已經取得了較大的突破，其中一項較為可行的設計方案支出，采用煙塵特性數據規范設計思路，打破了傳統的思路概念，在這一設計過程當中設計團隊人員創造性的提出了突擴形煙風通道導流裝置設計，并對鋼珠撒播與入口多級防磨裝置進行了改進，有效的解決了余熱鍋爐的積灰、磨損、腐蝕等相關問題，并提出了余熱鍋爐的熱力計算標準，并且設計出了2500t/d～6000t/d系列水泥窯，對有毒煙氣余熱鍋爐進行了高效的處理，這一技術已經得到了十分廣泛的應用，有效的促成了余熱鍋爐的安全高效運行。

三、節能減排技術

（一）煙氣深度冷卻技術

此項技術通常是運用在采取靜電除塵前后，亦或是應用在脫硫塔前后進而來提升煙氣深度冷卻器的置換系統，并對于排煙溫度及其余熱采取處理，同時促成發電功率的熱能能夠得到極大的提升，且使得整體機組的熱循環效率得到明顯的增強。煙氣深度冷卻器常常也被人們制作低溫省煤器、煙氣余熱應用裝置等。在低煙溫度環境下，為了有效地降低煙氣深度冷卻器的實際重量，通常選用外翅片來對傳熱管進行加強處理，進而達到換熱元件的功能性。由于翅片管中往往會附著有一定的殘存水分，因此煙氣在經過之時翅片管便會吸收到相應的熱量，從而促使水溫升高。如下圖2所示。

煙氣深度冷卻器能夠借助于加熱工質水來實現對于煙氣余熱的回收，并且此部分余熱還可應用在以下幾個方面：

第一，加熱凝結水，降低由汽輪機之中的抽氣量，促使汽輪機的發電性能得以顯著提升；

第二，加熱網水可應用在集中供熱，同時也可用在冷暖空調的熱源中；

第三，應用在加熱脫硫之后的低溫煙氣，來降低煙囪的腐蝕狀況，并且能夠顯著的去除煙囪當中的“煙羽”情形；

第四，可充當暖風器的一部分熱力來源，共同參與至鍋爐燃燒的冷空氣當中；

第五，在開展靜電除塵前應當加裝煙氣深度冷卻設備，促使電除塵器當中的溫度值能夠得以顯著的下降，并且也可減小煙氣體的流量，使得煙氣流速下降，并且是飛灰比電阻下降，也能夠使的電除塵器的工作效率得到顯著的提升。

當前，在大唐集團托克托電廠的6號600MW發電機組，與潮州電廠的4號1000MW發電機組當中，現已實現了現場低溫腐蝕試驗，收獲到了在煙氣深度冷卻器當中的核心技術內容，明確出了相應的設計準則，下圖3為潮州電廠的低溫腐蝕試驗結果。其中圖4為相應的發電機組實物圖片。

（二）除塵增效技術

目前我國所實行的《火電廠大氣污染物排放標準》當中明確規定了對氮氧化物的排放控制程度，并且嚴格了二氧化硫、鹽城等物質的排放限定數值；對于一些環境承載性較差，且較易出現重大環境問題的地區實行了更為苛刻的地方排放標準，旨在增強對燃煤鍋爐汞，以及相關化合物的排放控制。

當前我國大量的燃煤機組均運用靜電除塵技術進行煙塵的排放，要想促使目前的電除塵器出口煙塵，能夠符合以最新的排放標準規范，首先需強化監管措施，提高維護與運行工作的不斷優化處理。

第一，利用煙氣深度冷卻除塵增強技術，針對現役的發電機組予以全面性的技術改造升級，以達到30mg/m3，并通過與WFGD協同配合，盡力實現20mg/m3；

第二，運用移動電極式除塵技術，能夠滿足于20mg/m3的處理標準；

第三，選用電袋復合技術能夠達到20mg/m3的處理標準；

第四，針對某類特定的煤種選取煙氣調質技術，能夠實現30mg/m3的排放標準；

第五，應用顆粒聚合技術可達到？燮20mg/m3的排放標準；

第六，濕式電除塵技術的排放效果最佳可達到？燮10mg/m3的排放標準。

四、結語

總而言之，在目前的眾多電力生產方式當中，火力發電依舊具備有高校、清潔、使用以及穩定等特點。為了促進對火力發電的不斷完善，就應針對發電所用鍋爐的材料、設計、制造以及運行等多項核心技術予以深入研究。

目前我國在此方面的研究與應用依然處于對世界先進國家的模仿與引進階段，相關的產業自主發展依然還有相當漫長的一段過程，還需要廣大的設計參與人員為之做出不懈的努力。

參考文獻：

[1] 智育平，竇智航，馬寧等.基于全生命周期的生產商回收鍋爐設備研究[J].裝備制造技術，2014，（11）.

[2] 劉韻，師華定，曾賢剛等.基于全生命周期評價的電力企業碳足跡評估——以山西省呂梁市某燃煤電廠為例[J].資源科學，2013，（4）.

[3] 胡文平，李兵，張方煒等.煤燃燒全生命周期在線監測系統開發與應用[C].2014年中國電機工程學會年會論文集，2014.

[4] 胡文平，李兵，張方煒等.煤燃燒全生命周期在線監測系統開發與應用[C].全國電站輔機及汽輪機熱力系統節能降耗技術論壇論文集，2013.

[5] 吳昊.基于風險評價的A公司電站鍋爐國際分包項目的進度管理[D].上海交通大學，2013.

[6] 賈哲，彭文莉，李元豐等.淺議多晶硅生產企業特種設備管理的思路及措施[J].中國化工貿易，2015，（30）.