生物質鍋爐排煙溫度過高原因分析及解決方案

趙忠霞 張曉楠

（1.蘭州石化職業技術大學機械工程學院，甘肅蘭州 730000；2.哈爾濱電氣國際工程有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150080）

0 引言

浙江某熱電廠為響應國家環保、節能減排政策，將煤粉鍋爐改燒樹枝、雜草或者農作物秸稈等生物質燃料。但經過技術、結構改造后，該鍋爐飽受排煙溫度過高的困擾。排煙溫度高不僅會降低鍋爐熱效率，還會造成周圍環境的熱污染，同時也加重了鍋爐系統中布袋除塵器的負擔，布袋除塵器經常處于極高溫度下工作，工作環境惡劣，存在非常嚴峻的安全隱患。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高的問題。

1 研究對象

本文的研究對象是浙江某熱電廠的4號鏈條爐，額定蒸發量是35 t/h，出口過熱蒸汽設計溫度450 ℃，過熱蒸汽出口設計壓力3.9 MPa。為響應國家節能環保要求，鍋爐計劃由燃煤改燒生物質燃料，即全部采用農林及生活廢棄物，如農作物秸稈、樹枝及樹葉等。入爐前對原料進行處理，經過壓料機轉化成5 cm×5 cm片料及粉料，如圖1所示。片料由輸料系統送到鍋爐爐排，進行預熱燃燒；粉料則與經過空氣預熱器加熱的熱空氣一并經由輸送管道輸送到爐膛前墻噴料口噴入鍋爐爐膛進行燃燒。鍋爐尾部豎井煙道布置三級省煤器及兩級空氣預熱器，煙道尾部布置1臺CNI-3.0旋風除塵器以及LCDM-4-512-LD-GW布袋除塵器對鍋爐排煙進行凈化處理。

2 鍋爐熱力計算

為了解決鍋爐排煙溫度高這一首要問題，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，這就需要對該鍋爐再次進行熱力計算。

鍋爐熱力計算分兩部分完成，一部分是設計計算，另一部分是校核計算。設計計算主要是用于設計新出廠鍋爐；校核計算主要是用于計算已經存在或是主體結構尺寸已確定的鍋爐型式，與設計計算的區別是不需要對鍋爐進行相應的結構設計，而是將得到的結果與實際運行數據對比，從而確定鍋爐是否能達到負荷要求。煙氣和換熱工質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算過程中，假定煙溫對應的煙氣側放熱量與計算得到的換熱量相對誤差不允許超過±2%，只有符合該條件才能繼續對下一級的受熱部件進行計算。最后，還須滿足計算得到的排煙溫度值和預先假設的排煙溫度值之差不超過±10 ℃，對熱空氣溫度則要求不超過±40 ℃。

結束熱力計算后，還要估算熱力計算的總誤差，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、過熱器、省煤器的吸熱量（kJ/kg），它們是通過熱平衡方程式得到的；q為機械不完全燃燒熱損失（%）。

還需滿足式（2）：

至此，才可認為熱力計算正確。

3 Excel表格兩個關鍵函數的應用

第一種方法：應用IF函數對Excel表格進行優化，示例如圖2所示。

IF函數主要用途：檢測所需要的計算數據是否能夠滿足給定條件，如果滿足就輸出一種結果，若不滿足則輸出另一種結果。

語法：IF（logical_test，value_if_ture，value_if_false）。

參數：logical_test表示所需滿足的條件；value_if_ture為滿足條件時的結果；value_if_false為不滿足條件時的結果。

第二種方法：應用VLOOKUP函數對Excel表格進行優化，示例如圖3所示。

VLOOKUP函數主要用途：在特定區域內的第一列中查找出與需要查找的數據相匹配的源項，確定行數，然后再給定列數，最后輸出對應的結果。

語法：VLOOKUP（lookup_value，table_array，col_index_num，range_lookup）。

參數：lookup_value為所需要查找的數值；table_array為已經給定的查找區域；col_index_num為輸出結果數值所在的列數；range_lookup表示所需查找的數據域查找區域內對應的項是相等還是近似相等。

4 通過熱力計算分析生物質鍋爐存在的問題

為減少人為計算的錯誤和工作量，在熱力計算之前，首先要根據已知數據制作該鍋爐的熱力計算Excel表格，Excel表格已經利用IF函數和VLOOKUP函數進行了優化，然后再根據電廠鍋爐運行的實際監測數據來驗證Excel制作得是否正確，是否適用于該鍋爐的熱力計算。

目前，該電廠鍋爐長期保持出力在25 t/h左右。原因一，電廠沒有35 t/h蒸汽的生產需求；原因二，根據電廠實時監測數據，在負荷達到26 t/h時，鍋爐尾部排煙溫度已高達168.5 ℃，若繼續增加鍋爐負荷，排煙溫度持續升高，不僅會造成大量的能源浪費，還存在毀壞尾部布袋除塵器的可能。所以，無法根據目前電廠實時監測數據進一步了解鍋爐在滿負荷狀態下工作的真實情況，當然也不能以鍋爐滿負荷作為前提，驗證制作的熱力計算Excel表格的正確性。應以電廠實時監測數據對應的負荷為前提進行熱力計算，改造之前的熱力計算結果匯總于表1。

在鍋爐滿負荷運行狀態下，實測排煙溫度已經達到196.8 ℃，超過該鍋爐的設計排煙溫度20 ℃，該鍋爐的設計排煙溫度為170 ℃。該鍋爐排煙溫度過高的原因與鍋爐結構設計有關，受熱面不足，因此需要從增強換熱的角度來降低排煙溫度。

5 鍋爐改造方案

鍋爐結構是造成排煙溫度較高的原因，故首先研究生物質鍋爐兩級空預器。冷空氣通過空預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，但與此同時也提高了理論燃燒溫度，強化了爐膛的輻射傳熱。通過Excel表計算得知，30 ℃的冷空氣通過空預器后被加熱到160 ℃，然后由送風機送入鍋爐爐膛，生物質燃料較煤更易點火燃燒，因此送入爐膛的熱空氣溫度不宜過高。結合電廠鍋爐實際運行情況分析，送入爐膛的熱風溫度達到100 ℃時就可滿足燃燒要求。空預器占據空間巨大，換熱效果卻十分差，結合上述內容，提出改造思路：將鍋爐原有兩級空預器移除一級，并利用節省出的空間加裝與移除空預器同等尺寸的煙氣—水換熱器，水的傳熱能力遠超空氣，此方法可加強換熱，降低排煙溫度，熱風溫度雖略有下降，但也能保證鍋爐運行實際需要。

加裝的煙氣—水換熱器與省煤器結構一樣，不同之處在于換熱介質水沒有進行除氧，溫度接近普通水溫，壓力也處于常壓狀態。改造后的流程為普通水除鹽后進入換熱器參與換熱，溫度升高后進入除氧器進行除氧處理，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列形式進行布置。但錯列布置管束不易清灰，同時移除上級或下級空預器也會產生不同的效果，因此共提出以下4個可供選擇的改造方案。

方案1：移除下級空預器，換熱器受熱管束采用錯列布置，熱力計算結果匯總于表2。

方案2：移除上級空預器，換熱器受熱管束采用錯列布置，熱力計算結果匯總于表3。

方案3：移除下級空預器，換熱器受熱管束采用順列布置，熱力計算結果匯總于表4。

方案4：移除上級空預器，換熱器受熱管束采用順列布置，熱力計算結果匯總于表5。

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

對比以上圖表可獲得以下結論：

采取方案3，也就是移除下級空預器，換熱器受熱管束順列布置時，排煙溫度最低，最終測得的排煙溫度是149 ℃。

比對方案1與方案2，在采用錯列的管束布置以及換熱器結構相同的條件下，方案1移除了下級空預器，整體傳熱溫差小于方案2，換熱比較弱，但最終通過檢測排煙溫度，獲得了較低的排煙溫度值。這是因為原本在鍋爐上級的空預器與下級空預器結構尺寸并不相同，上級空預器的受熱面積大于下級空預器的受熱面積，移除上級空預器相當于移除了更大的受熱面積。

與順列布置方案相比，理論上錯列布置方案得到的排煙溫度應更低一些，因為錯列布置的傳熱效果好于順列布置，但實際結果卻正相反，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 結語

本文介紹了某生物質鍋爐基本情況，之后對鍋爐熱力計算進行了說明，并在此基礎上應用Excel表格，采用兩種函數方法簡化Excel熱力計算的步驟，節省工作時間。同時，通過對鍋爐整體進行熱力計算分析得出排煙溫度過高的原因，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。通過計算理論排煙溫度值，排除了不符合要求的方案2和4。