工業鍋爐能效測試典型問題及對策

＊鐘釗奇 陳洪杰

（1.廣西特種設備檢驗研究院貴港分院 廣西 537100 2.桂林航天工業學院能源與建筑環境學院 廣西 541004）

引言

在中國，現役工業鍋爐約有60萬臺，其中80%的是燃煤鍋爐[1]。工業鍋爐每年耗煤量高達7億噸，占比總煤炭消耗量的30%[2]，產生巨大的碳排放量。根據官方數據統計，工業鍋爐能源使用效率只有65%，每年導致煤炭浪費6千萬噸[3]。隨著“碳中和碳達峰”目標的提出，國家對工業鍋爐的能效要求必然越來越高，能耗企業要想長遠發展，從現在開始就必須致力于鍋爐節能。基于筆者長期的工業鍋爐能效測試工作，對廣西貴港現役800多臺工業鍋爐典型問題進行了歸納，對解決問題的對策進行了分析，以為工業鍋爐從業者提供參考。

1.工業鍋爐能效測試存在的典型問題

(1)鍋爐熱效率低

當前工業鍋爐能效測試中發現的主要問題為運行熱效率低，相關因素主要包括以下幾點：

①鍋爐運行負荷不匹配。一種情況是鍋爐超負荷運行，如在工業規模不斷增大或供熱需求不斷增加的趨勢下，鍋爐必須超負荷運行才能達到工業生產及人們生活的需求，而這樣的超負荷運行盡管能暫時解決需求問題，卻會導致整體經濟成本大幅度增加，同時影響鍋爐的使用壽命。另一情況為低負荷運轉，通常情況下很多工業鍋爐運行的高效率區落在80%～100%負荷范圍內，但實際監測中發現很多鍋爐運行負荷長期無法達到60%（往往都是企業在選取鍋爐時認為應當預留較多的容量以滿足后續發展）。

②空氣系數指標不合格。在工業鍋爐經濟運行的相關指標中，空氣系數極其重要，會對鍋爐熱效率產生直接影響。空氣系數過大會導致煙氣帶走大量的熱量，空氣系數過小會導致燃料不能充分燃燒。當然在鍋爐出廠設計中，廠家往往對鍋爐空氣系數提出了科學的參考值，目前調研中發現現役鍋爐空氣系數不當的主要因素包括爐排配風室密閉性不足、鼓引風機組織不合理、司爐工風量調節不合理等等。

③燃料燃燒不充分。除了上述的空氣系數不足原因外，導致燃料燃燒不充分的因素還有鍋爐結構設計與燃料的選擇不合理、顆粒度不均勻、燃燒裝置不匹配等；另外，爐渣含碳量規定不滿足要求也會影響效率，比如一些企業設定鏈條鍋爐灰渣殘余的熱值在1100～1200kcal范圍，而有嚴格管理的企業通常將該值定在900kcal。

④排煙溫度高。為避免鍋爐尾部受熱面腐蝕，過分提高排煙溫度，導致燃燒轉換熱能無法得到充分應用，導致熱損失大、能耗高[4]。

⑤煤種選用不當。工業常用煙煤包括焦煙、瘦煙、貧煤、肥煤、氣煤、長焰煤、弱粘結煤、不粘結煤等。而企業使用燃料是以煤的熱值和價格的比值為指標進行選用，而忽略了鍋爐效率與燃料種類的關系。實際上，即便是根據熱值與價格分析得到的燃煤性價比很高，若所選燃煤不適于現有鍋爐，也往往是得不償失。

⑥供汽和用汽壓力不匹配。工業用蒸汽鍋爐往往有其額定壓力，但企業在生產過程中所涉及的不同工藝會需要不同的供汽壓力。目前常用的做法是保證鍋爐額定供汽壓力滿足最高壓力供汽需要，其他部分工藝用汽則利用減壓閥將蒸汽減壓后滿足。減壓閥是典型的熱力學不可逆設備，減壓閥的使用必然導致鍋爐的供熱能效降低。

(2)水質不達標

工業鍋爐水質對鍋爐的效率有重要影響，水質不滿足要求最直接的后果是導致鍋爐受熱面結垢，根據傳熱系數計算式可直觀發現，少量的污垢熱阻會使得總傳熱系數降低50%。2018年我國頒布了新的工業鍋爐水質標準（GB/T 1576-2018）[5]，標準中對鍋爐給水的濁度、硬度、pH值、電導率、溶氧量、油、鐵含量、全堿度、酚酞堿度、溶解固形物、磷酸根、亞硫酸根等含量都有明確要求。然而當前調研中發現，大部分企業對此不甚關注，對水質要求的認識僅僅停留在為應付特種設備檢驗部門檢查，而還沒有建立自主的節能提效意識。

(3)工業鍋爐運維智力支持匱乏

隨著社會進步，當代年輕人擇業時更偏向高科技行業，導致很多中小企業反映難以招到受過良好工程教育的鍋爐運行維護人員。調研發現，特別是在落后地區，中小企業負責鍋爐運行維護的工作人員很多都沒有經過系統性培訓，不能全面掌握專業知識，只是通過簡單培訓獲得上崗資格，缺乏節能環保意識和應用先進節能技術的能力，這會導致工業鍋爐的運行能效得不到持續提升[6]。

2.工業鍋爐提效對策

(1)正確選用鍋爐并明確標識高效工況

企業工程師在選用鍋爐時應當嚴格依據熱負荷選用鍋爐，而不是過分地強調余量。若后續隨著企業發展出現鍋爐供熱能力不足，不應讓鍋爐超負荷運行，而應當采用增多鍋爐的辦法滿足生產要求。在運行的過程中，鍋爐的控制組態系統中應當明確標識鍋爐的高效工作區域，以便讓運維人員在運行過程中盡量控制鍋爐在高效率負荷下運行。

(2)合理控制燃燒空氣量

對于燃煤鍋爐，空氣系數有明確的推薦值。但在實際運行過程中，空氣的流量很難得到準確測量。實際上，采用固定空氣系數的方法也并不可取，原因是每一批次的燃煤成分都可能發生改變。然而，空氣系數低導致的最直接后果是尾氣中的CO含量增加，可以通過在鍋爐排煙處安裝CO傳感器測量排煙中CO的含量，通過PID算法，控制CO的含量在0.002%～0.004%質量濃度之間[7]，從而在實現燃料充分燃燒的同時又不至于空氣量過多。

(3)促進燃料充分燃燒

材料的不充分燃燒通常要求控制在8%～12%范圍。含屑量多，有助于減少飛灰積存量，促進充分燃燒和通風；水分含量高，著火更慢，爐膛中的溫度就難以保持，容易降低熱效率。其次，選擇煤種后要利用煤斗篩選顆粒，確保煤塊顆粒度，促進燃燒的穩定性，提高燃燒的效率。再者要解決配風問題，保證空氣充分合理，提高鍋爐使用安全度，提高經濟性價值。還應根據爐膛空氣氣流的規律，對氣流進行合理組織。比如鏈條爐爐排氣體成分差異非常大，要加強對中間層空氣的補充，進行二次配風，確保空氣充分結合，最大程度進行燃燒，提高效率。最后，是燃燒的調節與控制，主要通過改變煤層厚度來實現，對送風量和爐排速度進行控制，結合燃燒的持續度與持續時間，合理組織調度[8]。對于飛灰損失，考慮采用飛灰再循環的方式，也就是通過鼓風機將鍋爐飛灰連通煙氣再送氣爐膛，進行循環燃燒，這樣也可以增加爐膛內的氣體流量，促進燃料的進一步分散燃燒。

(4)降低工業鍋爐排煙溫度

從工業鍋爐排煙熱損引發的機理來看，其對應的節能潛力主要包括以下幾點：

①減少受熱面灰渣。針對水冷壁、過熱器高溫受熱面結渣的情況和低溫尾部受熱面積灰的問題，要做好定期吹灰工作，配合熱蒸汽、壓縮空氣、惰性氣體技術進行操作，預防由于受熱面灰渣堆積導致松散性變為緊密性積灰。此外還可以使用清灰劑，發揮除灰除渣以及防腐的功效，在鍋爐燃燒時投入一定比例鍋爐清灰劑，使其在爐膛高溫情況下汽化分解，不但能發生微爆反應將結渣加以分解，還能避免煙垢生成。要注意灰渣受鍋爐負荷運行和啟動次數的影響，減少啟動次數，確保其在正常負荷運行內，預防爐內燃燒不足產生灰渣的問題，提高運行的熱效率。

②采用脫硫及余熱回收耦合式工藝。不同燃燒物質與排煙處的溫度會影響排煙口金屬的性能，如排煙處溫度較低時，鍋爐尾部受熱面會存在酸腐蝕的情況，要提高鍋爐效率要求降低排煙溫度，但要保證尾部受熱面又需提高排煙溫度。實際過程中，在鍋爐尾部受熱面材料確定后，排煙溫度的確定受到排煙中的水蒸氣含量、硫含量等制約，而實際上排煙溫度與水蒸氣含量、硫含量的關系已經存在明確的函數關系，因此可以通過在鍋爐尾部受熱面安裝二氧化硫傳感器和溫濕度傳感器，通過采集的數值實時計算可接受的最低排煙溫度，從而實現實際過程的排煙溫度盡量降低。

(5)避免漏風

鍋爐漏風會導致系統狀態參數偏離實際值[9]，因此需盡可能地防止漏風。避免漏風的關鍵是發現漏風，可以采用煙餅輔助檢測或者采用熱成像檢測。煙餅輔助檢測比較直觀，也就是在有可能會漏風的地方放少量煙餅，然后觀察煙的流向，則可判斷是否漏風。若采用熱成像檢測，則依據熱成像對鍋爐系統可能漏風處逐步掃描，在溫度處漏風與旁邊的溫度會有明顯的區別。在條件允許的情況下，建議用手持熱成像方式，這樣更方便運維人員日常巡檢，及時發現漏風問題并補漏。

(6)實現壓力匹配

在企業的生產流程中，鍋爐產汽和各工段用汽壓力不匹配是正常存在的，但不應采用減壓閥直接對供汽壓力進行損耗降壓，可以利用壓力匹配器。壓力匹配器的使用可在實現高壓蒸氣降壓的同時，將回收的機械能用于為一股低壓蒸氣升壓，從而實現了對閥蒸汽的回收，獲得更多可用汽量，達到了提高能效的目的。壓力匹配器具體的結構原理如圖1所示[10]。

圖1 壓力匹配器結構原理圖

(7)提高鍋爐給水品質

一方面工作人員要定期對受熱面積進行清理，提高傳熱能力，另一方面還要對水垢進行清理，提高安全性。此外，還需考慮到給水氯根高對鍋爐節能影響的問題，降低給水氯根含量，改造水處理系統，增加除鹽的設備環節，盡可能從源頭上解決問題。實際生產過程，可以考慮采用在線鍋爐給水檢測裝置，在線鍋爐給水檢測裝置可實時測出各項指標參數并報警，方便運行人員及時整改水質問題。

(8)完善鍋爐運行管理機制及進行運維技術改革

從目前情況來說，短時間很難能使得大量高素質的工程師進入到鍋爐運行維護行業，但是企業也應該從管理機制及運維技術上改革，從而激發過程工業不斷進行能效提升的活力。在運行管理機制完善上，首先，企業應該做好節能效益核算，把節能效益部分用于運維人員獎勵，激發運維人員發掘問題、解決問題的積極性；其次，應當定時選派鍋爐運維人員到大型先進燃煤電站交流、到高校進行學習、參加行業有重要影響力的論壇，保證骨干運維工程師的培養；最后，還應不時請大型先進燃煤電站的運維工程師、研究及設計機構專家到現場進行診斷，不斷優化鍋爐系統。在運行技術改革上，有條件的企業可以采用數字孿生技術，提高鍋爐整體的數字化建設，方便專業的團隊遠程協助本地運維人員，共同對鍋爐進行運行及技術提升；條件不成熟企業可采用網上問診的方式，由本地運維人員對接行業專家，不斷對鍋爐運行中出現的問題進行整改，逐步提高鍋爐效率。

3.案例分析

廣西貴港市目前有800多臺工業鍋爐，絕大部分工業鍋爐存在的能效問題均可由上述進行概括，以下對幾個典型的案例進行分析。

案例1：對桂平市某餐具消毒用蒸汽鍋爐進行分析，該臺鍋爐為組裝水管蒸汽鍋爐，額定出力為10000kg/h，額定壓力1.25MPa。改造前發現存在爐膛漏風現象嚴重，散熱損失為高達8.48%。經過對漏風位置進行密封后，再次對鍋爐進行能效檢測，檢測過程鍋爐的平均出力為5021kg/h，鍋爐平均排煙溫度為169.20℃，排煙處平均過量空氣系數為1.65；測得排煙熱損失為9.54%，化學未完全燃燒熱損失為1%，固體未完全燃燒熱損失為0.59%，散熱損失為3.39%，灰渣物理熱損失為0.11%，鍋爐測試平均熱效率為85.37%。散熱損失的降低使得鍋爐效率直接提高了5.09%。

案例2：對貴港市某飼料生產用蒸汽鍋爐進行分析，該臺鍋爐為組裝水管蒸汽鍋爐，額定出力為15000kg/h，額定壓力1.25MPa。改造前發現排煙溫度超過了200℃，排煙熱損失超過了20%；同時燃料粉碎不均勻，固體未完全燃燒熱損失達到了2.35%。通過對煙氣成分進行測量后，建議其調整鍋爐運行時的鼓、引風量到合適配比，加強鍋爐受熱面積灰清理，將爐排上燃料層厚度調整至適宜的厚度。改造后再次對鍋爐進行能效檢測，檢測過程鍋爐的平均出力為9843kg/h，鍋爐平均排煙溫度為164.45℃，排煙處平均過量空氣系數為1.65；測得排煙熱損失為9.36%，化學未完全燃燒熱損失為0.5%，固體未完全燃燒熱損失為0.18%，散熱損失為2.29%，灰渣物理熱損失為0.048%，鍋爐測試平均熱效率為87.62%。散熱損失和固體未完全燃燒熱損失的降低使得鍋爐效率直接了提高了15%。

案例3：對桂平市某食品生產用蒸汽鍋爐進行分析，該臺鍋爐為組裝水管鏈條爐排鍋爐，額定出力為10000kg/h，額定壓力1.6MPa。改造前排煙處平均過量空氣系數為4.6，排煙熱損失達到了21%；同時鍋爐給水濁度不達標。通過對煙氣成分進行測量后，建議其調整鍋爐運行時的鼓、引風量到合適配比，加強鍋爐給水進行處理。經過改造后，再次對鍋爐進行能效檢測，檢測過程鍋爐的平均出力為3230kg/h，鍋爐平均排煙溫度為144.13℃，排煙處平均過量空氣系數為3.85；測得排煙熱損失為15.13%，化學未完全燃燒熱損失為1%，固體未完全燃燒熱損失為0.53%，散熱損失為2.9%，灰渣物理熱損失為0.0074%，鍋爐測試平均熱效率為80.37%。受到其現有風機流量的制約，其空氣系數依舊過大，有待進一步改造，但初次整改還是帶來了6%的鍋爐效率提升。

可見，對典型問題的合理解決，可使得工業鍋爐得到顯著的效率提升。

4.結論

綜上所述，我國工業鍋爐在節能改造上還有很大的提升空間。目前工業鍋爐在能效測試中存在的典型問題包括鍋爐熱效率低、水質不達標、鍋爐運維智力支持匱乏等。在工程實踐中，可通過合理選用鍋爐并標識高效區、合理控制燃燒過程空氣量、降低工業鍋爐排煙溫度、促進燃料充分燃燒、降低工業鍋爐排煙溫度、避免漏風、實現壓力匹配、提高鍋爐給水品質、完善鍋爐運行管理機制及進行技術改革等多方面提高鍋爐能效。工業鍋爐能效測試工作案例數據也表明，通過對這些典型問題進行整改，甚至可以達到15%以上的效率提升，產生顯著的經濟性。