城市節(jié)能監(jiān)察工作中的鍋爐燃燒問題研究

嚴(yán)衛(wèi)華

（常德市節(jié)能監(jiān)察中心 湖南常德 415000）

引言

能源是人類進(jìn)入工業(yè)化社會(huì)后生存與發(fā)展必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)英國石油公司發(fā)布的《世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2019》，世界煤炭可開采188年，我國僅為53年；世界石油可開采54年，中國僅為18.5年。從人均儲(chǔ)量來看，我國能源更顯匱乏。此外，目前我國能源利用效率也較低，單位GDP能耗為世界平均水平的2倍，發(fā)達(dá)國家的4～6倍。能源消耗過快以及隨之產(chǎn)生的環(huán)境污染問題已對我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成重大挑戰(zhàn)[1]。因此，節(jié)能降耗已成為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)工作中一項(xiàng)緊迫且必要的任務(wù)，政府相繼出臺了一系列政策與法規(guī)推動(dòng)節(jié)能工作，確立了“節(jié)約與開發(fā)并舉，把節(jié)約放在首位”的能源戰(zhàn)略。

節(jié)能監(jiān)察是保障我國能源戰(zhàn)略的相關(guān)政策與法規(guī)實(shí)施的重要手段。城區(qū)的節(jié)能監(jiān)察工作則在維護(hù)市民日常生活免受環(huán)境污染影響的過程中發(fā)揮著重要的支撐作用。而其中，城區(qū)鍋爐的燃燒監(jiān)察工作逐漸得到了政府相關(guān)部門的重視。目前煤炭在我國能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)中仍占主導(dǎo)地位。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2018年我國原煤產(chǎn)量36.8億噸（25.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤），在總能源生產(chǎn)中占比68.3%；煤炭消費(fèi)量27.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，在總能源消費(fèi)中占比59.0%。鍋爐的燃煤消耗則是目前我國煤炭消費(fèi)的重要組成部分。近年來，隨著我國南方部分城市開始試行集中供暖，未來的鍋爐燃煤消耗勢必仍將保持在較高的水平。相關(guān)研究表明，供暖鍋爐的煙氣排放亦是我國每年冬季大氣污染狀況更為嚴(yán)重的原因之一[2]。對城區(qū)鍋爐的燃燒狀況進(jìn)行監(jiān)察并促使其改進(jìn)有助于節(jié)約能源消耗、減少污染排放，具有十分重要的意義。

本文首先依據(jù)常德市城區(qū)鍋爐燃燒監(jiān)察工作的現(xiàn)狀，指出了企業(yè)在使用鍋爐中存在的燃燒問題。進(jìn)一步地，研究了影響城市供熱鍋爐節(jié)能燃燒的主要因素，總結(jié)了目前國內(nèi)外提升鍋爐燃燒性能的主要技術(shù)手段，以期對未來我國城區(qū)鍋爐節(jié)能監(jiān)察與減排工作提供指導(dǎo)，從而推動(dòng)鍋爐燃燒性能的持續(xù)提升。

1 城市供熱鍋爐監(jiān)察的現(xiàn)狀

1.1 爐渣含碳量及燃煤含硫量監(jiān)察數(shù)據(jù)

常德市節(jié)能監(jiān)察中心自2003年開始，每年對城區(qū)范圍的燃煤鍋爐開展1～2次的節(jié)能燃燒狀況監(jiān)察。表1給出了2014年上半年對城區(qū)10家使用燃煤鍋爐單位的燃燒監(jiān)察抽查結(jié)果，監(jiān)察數(shù)據(jù)包括爐渣含碳量和燃煤含硫量。

表1 2014年常德城區(qū)燃煤鍋爐爐渣含碳量和燃煤含硫量監(jiān)察結(jié)果（w%）

各抽查單位的爐渣樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T15317—2009）進(jìn)行檢驗(yàn)，要求含碳量應(yīng)不超過20%，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)允許值范圍內(nèi)的有6家，合格率為60%。各單位送檢的燃煤樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T214—1996）進(jìn)行檢驗(yàn)，常德市人民政府要求城區(qū)燃煤含硫量不超過1%，抽檢合格率僅10%。

根據(jù)科學(xué)計(jì)算，鍋爐爐渣含碳量每超過標(biāo)準(zhǔn)的2.5%，則要浪費(fèi)1%的標(biāo)準(zhǔn)煤。假定某企業(yè)年需用燃煤1000噸，燃煤發(fā)熱量按照平均值5000（大卡/公斤）折算，當(dāng)爐渣含碳量為30%的值時(shí)（折標(biāo)系數(shù)0.7143），每年將要多耗200噸燃煤，造成浪費(fèi)。而燃煤煙氣中SO2的排放則是造成酸雨等污染問題的主要原因之一。為此，我們對相關(guān)超標(biāo)單位發(fā)出了整改通知，以促進(jìn)各單位提高燃燒意識，加強(qiáng)節(jié)能減排工作。

1.2 燃煤鍋爐監(jiān)察暴露的問題

從表1中的監(jiān)察結(jié)果可知，在開展燃煤鍋爐監(jiān)察工作多年后，相關(guān)企業(yè)的抽查結(jié)果仍存在較為嚴(yán)重的不合格問題。其原因可以從企業(yè)內(nèi)部的管理以及節(jié)能監(jiān)察部門的工作兩方面進(jìn)行分析。

1.2.1 企業(yè)內(nèi)部管理問題

企業(yè)是節(jié)能工作的主體，企業(yè)可通過節(jié)能獲得相應(yīng)收益，提升產(chǎn)品競爭力。但有的企業(yè)片面追求利潤，以眼前的市場和銷售為導(dǎo)向，不考慮企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能主動(dòng)性不足，不愿把企業(yè)資源和精力投入到節(jié)能改造工作中。有的企業(yè)不了解節(jié)能相關(guān)的法律法規(guī)、政策標(biāo)準(zhǔn)，管理粗放，只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來實(shí)施相關(guān)節(jié)能工作，許多工作都是馬虎了事，沒有落實(shí)到位。有的企業(yè)雖然建立了節(jié)能管理制度，但浮于表面，制度建立后輕執(zhí)行弱管理，原本良好的制度得到不到有效實(shí)施，節(jié)能工作成效不明顯[3]。

1.2.2 節(jié)能監(jiān)察機(jī)構(gòu)問題

節(jié)能監(jiān)察機(jī)構(gòu)暴露的問題主要在于監(jiān)察效力不足及工作方式不合理。一方面，節(jié)能監(jiān)察機(jī)構(gòu)開展日常監(jiān)察工作，但查出相關(guān)問題后卻沒有被授予獨(dú)立的處罰權(quán)，處罰只能由節(jié)能行政主管部門或人民政府按照規(guī)定的權(quán)限做出[4]。而政府考量了GDP和稅收等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)后，常常對節(jié)能違法企業(yè)網(wǎng)開一面。這樣多頭管理使得節(jié)能監(jiān)察效力不足。另一方面，節(jié)能監(jiān)察機(jī)構(gòu)在監(jiān)察完成后缺乏對企業(yè)的后續(xù)技術(shù)指導(dǎo)，或給出的整改意見不夠詳細(xì)和有針對性，使得企業(yè)無法找到適合自身的節(jié)能降耗技術(shù)路線。同時(shí)由于節(jié)能改造的成本問題，在實(shí)現(xiàn)具體節(jié)能指標(biāo)的過程中，企業(yè)常常會(huì)與政府職能部門有不同思考和選擇，節(jié)能監(jiān)察機(jī)構(gòu)必須分析影響選擇的多種因素，提出優(yōu)選方案。

2 影響城市鍋爐燃燒性能的主要因素

為了更好的幫助企業(yè)提高鍋爐的燃燒性能，促進(jìn)城區(qū)鍋爐的節(jié)能減排工作，我們研究了鍋爐燃燒性能的主要影響因素，包括以下幾點(diǎn)。

2.1 燃煤燃燒率

燃煤的燃燒率是影響鍋爐能源利用效率最關(guān)鍵的因素，燃煤燃燒得越充分，則單位燃煤所能提供的熱量就越高，能源利用效率就越好。燃煤燃燒率指標(biāo)主要通過鍋爐爐渣的含碳量進(jìn)行評價(jià)，其具體參數(shù)主要由燃煤質(zhì)量及鍋爐運(yùn)行狀態(tài)決定。一方面，需要對燃煤含水量進(jìn)行控制。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，燃煤中水分蒸發(fā)會(huì)消耗熱量，起到有害作用。近年來，有相關(guān)研究表明合適的水分有助于構(gòu)筑良好的燃燒環(huán)境，提升燃燒率[5]。另一方面，鍋爐參數(shù)的合理性也是影響燃燒是否徹底的重要因素。如果燃煤在爐膛中留存的時(shí)間較短，還沒有完全燃盡時(shí)就被排出，其燃燒率必然較低；如果燃煤在爐膛中留存時(shí)間過長，則爐膛內(nèi)溫度可能降低，也會(huì)導(dǎo)致燃煤不能徹底燃盡。此外，爐膛的配風(fēng)比等參數(shù)也將影響燃煤的燃燒率。

2.2 鍋爐熱效率

鍋爐的熱效率即將煤炭中的化石能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿膶?shí)際效率，直觀體現(xiàn)了鍋爐的節(jié)能燃燒效果。鍋爐的設(shè)計(jì)熱效率在出廠時(shí)一般已經(jīng)設(shè)置確定，但在實(shí)際工作過程中受企業(yè)管理和員工操作等因素的影響，其熱效率可能有所降低。有的企業(yè)鍋爐缺少維護(hù)，沒有專門人員對其進(jìn)行定期檢測和保養(yǎng)；有的鍋爐在員工操作過程中未嚴(yán)格遵循操作手冊和相關(guān)流程。這都會(huì)導(dǎo)致鍋爐不能在合適的狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，常常出現(xiàn)部分零件的疲勞失效，設(shè)備處于超負(fù)荷非正常的工作狀態(tài)下，使得鍋爐的整體熱效率下降。

2.3 排煙溫度與爐體外壁溫度

在鍋爐的運(yùn)行過程中，需對外進(jìn)行排煙處理。排煙過程中會(huì)發(fā)生與外界空氣的熱對流作用，損失一定的熱量。排煙溫度過高時(shí)，熱對流損失的熱量就更多，同時(shí)通風(fēng)阻力較大，需要開啟引風(fēng)機(jī)從而消耗了額外電能；排煙溫度過低時(shí)，鍋爐后部的溫度可能較整體偏低，達(dá)不到供熱要求，也需通過消耗額外能源來達(dá)到預(yù)定溫度。另一方面，爐體外壁還會(huì)通過熱輻射與熱傳導(dǎo)向外界空氣中交換熱量，這也會(huì)造成熱能的損失。爐體外壁與外界空氣間的溫度差越高，接觸面的表面積越大，則損失的熱量就越多，鍋爐的熱效率也就越低。

2.4 燃煤的含硫量

燃煤煙氣中的二氧化硫排放是我國大氣污染中酸性硫化物質(zhì)的主要來源。煤中硫的賦存形態(tài)主要包括無機(jī)硫和有機(jī)硫，還有微量以游離狀態(tài)賦存的元素硫。根據(jù)煤礦品質(zhì)的不同，燃煤含硫量從0.2%到10%的均有，但大多數(shù)煤的硫含量在0.5%～3.0%之間。燃煤燃燒后，部分無機(jī)硫會(huì)以硫酸鹽的形式留存在灰渣中，另一部分硫化物則會(huì)隨燃煤煙氣進(jìn)入大氣，對環(huán)境造成污染。目前控制硫化物的排放主要可通過選用含硫量較低的燃煤和凈化鍋爐煙氣來實(shí)現(xiàn)。

3 鍋爐燃燒技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

3.1 鍋爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在傳統(tǒng)的鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,主要關(guān)注的是設(shè)備的力學(xué)性能與可靠性，通常要計(jì)算其熱力性能、疲勞性能和強(qiáng)度、水動(dòng)力循環(huán)以及煙風(fēng)阻力等。而為了提高鍋爐的燃燒性能，企業(yè)可從給煤方式的角度考慮對鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)采用分層給煤裝置，預(yù)先篩選和分配燃煤。借助相應(yīng)的設(shè)施科學(xué)合理地安排燃煤顆粒的大小，同時(shí)按照一定順序輸入爐膛。通過燃煤粒度篩選和以此為基礎(chǔ)的預(yù)分配，實(shí)現(xiàn)燃煤的分時(shí)分批燃燒，提高燃煤的總體燃燒率，從而極大的降低爐內(nèi)爐渣的含碳量，提升鍋爐的熱效率，提高爐膛溫度，達(dá)到有效的減少燃煤用量的目的。

3.2 脫硫技術(shù)的應(yīng)用

目前主流的鍋爐脫硫方法主要有燃煤脫硫、爐內(nèi)脫硫和煙氣脫硫[6]。燃煤脫硫是在燃燒前脫除煤中硫分，包括物理洗選煤法、化學(xué)洗選煤法、煤的氣化和液化等。物理洗選煤法脫硫最經(jīng)濟(jì)成熟，但只能適合無機(jī)硫富集的煤礦類型，且會(huì)造成一定的煤炭資源和水資源的浪費(fèi)。化學(xué)法脫硫可同時(shí)脫去無機(jī)硫和有機(jī)硫，但其成本相對較高。近年來還報(bào)道了微生物脫硫等新興技術(shù)的開發(fā)，相信會(huì)在未來得到逐步應(yīng)用。爐內(nèi)脫硫在指在燃燒時(shí)向鍋爐內(nèi)投入一定量的脫硫劑，如噴鈣，吸附型煤等，通過相應(yīng)的物理或化學(xué)方法脫硫。目前應(yīng)用廣泛的循環(huán)流化床技術(shù)就屬于爐內(nèi)脫硫。煙氣脫硫是在煙道內(nèi)部加裝脫硫設(shè)備，在煙氣進(jìn)入大氣前將硫分脫除。該技術(shù)一般適用于大型鍋爐和煙道的脫硫過程，典型的技術(shù)包括氨法脫硫，石灰石/石膏法、噴霧干燥法、電子束法等。

結(jié)語

節(jié)能減排已成為目前我國政府的一項(xiàng)長期重點(diǎn)工作。節(jié)能監(jiān)察部門不僅需要對企業(yè)能源使用與排放進(jìn)行合理監(jiān)督，還需幫助企業(yè)結(jié)合自身經(jīng)濟(jì)條件和管理水平選擇合理的節(jié)能減排技術(shù)路線，優(yōu)化應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中。本文針對城市鍋爐的燃燒問題和技術(shù)發(fā)展前景給出了簡要的研究，以期對未來廣泛的企業(yè)鍋爐節(jié)能減排與改造優(yōu)化工作提供指導(dǎo)。