燃煤工業(yè)鍋爐熱平衡效率低的原因及對策

趙建生

（北京鐵路局天津能源管理監(jiān)測站，天津市節(jié)能監(jiān)測三站，天津，300140）

近年來我站對管內(nèi)多臺燃煤工業(yè)鍋爐進行了熱平衡測試。通過對50臺鍋爐測試數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)鍋爐在運行過程中熱平衡效率較低并存在一些影響燃燒效率的問題。如果提高鍋爐的熱平衡效率，能夠降低燃料消耗量，提高鍋爐的經(jīng)濟運行的效果。

1 鍋爐的熱平衡熱效率測試

鍋爐設(shè)備運行中，熱平衡效率體現(xiàn)了鍋爐作為一種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的綜合性能，熱平衡效率的高低直接影響鍋爐的運行成本，是評判鍋爐的一項重要指標(biāo)。

燃料通過燃燒將熱量釋放出來，并通過各種傳熱方式，將熱量傳遞給吸熱介質(zhì)，理想狀況下，燃料釋放的熱量等于介質(zhì)吸收的熱量，此時的熱效率為100%。然而鍋爐在實際運行中存在著各種散熱損失，我們通常通過反平衡測量法計算各種熱損失來確定鍋爐熱效率。鍋爐反平衡效率的計算公式為:η=q1+q2+q3+q4+q5+q6

式中:q1為有效熱；q2為排煙熱損失；q3氣體不完全燃燒熱損失；q4為固體不完全燃燒熱損失；q5為散熱損失；q6為灰渣物理熱損失。

對鍋爐（50臺）熱平衡測試報告的匯總分析，其平均值有效熱q1為68.75%；排煙熱損失q2為10.40%；氣體不完全燃燒熱損失q3為0.16%；固體不完全燃燒熱損失q4為17.32%；表面散熱損失q5為2.52%；灰渣物理熱損失q6為0.61%。

通過以上鍋爐熱平衡測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析可以看出，減小鍋爐各項熱損失，努力提高可利用的有效熱量，是提高鍋爐熱效率的唯一途徑。

2 影響熱效率的主要因素分析

2.1 排煙熱損失q2

排煙熱損失是指煙氣離開鍋爐末級受熱面排入大氣所帶走的熱量損失，據(jù)統(tǒng)計平均排煙熱損失占10.40%，最高的為17.15%。由此分析這部分熱量損失較大，是鍋爐最主要的熱損失。它主要取決于排煙溫度的高低和過量空氣系數(shù)的大小。

2.1.1 排煙溫度

鍋爐排煙溫度越高，熱損失越大。在所測試的鍋爐中，排煙溫度最高的為220℃，遠遠超過了國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。造成排煙溫度高的主要原因有傳熱損失，是指當(dāng)受熱面積灰、結(jié)渣和結(jié)垢時，會使傳熱減弱，輻射吸熱量減少，影響傳熱效果使排煙溫度升高，造成排煙熱損失增大；其次是漏風(fēng)損失，是指鍋爐運行中爐膛和煙風(fēng)道處于微負壓狀態(tài)，因此在爐門、看火門、爐墻或煙道等不嚴密部位就會有空氣漏入爐膛和煙道中，增加了煙氣帶走的熱損失。同時，鍋爐漏風(fēng)造成爐膛溫度降低、增加煙氣帶走的熱量使排煙熱損失增加、鍋爐熱效率降低。同時要注意，雖然降低鍋爐排煙溫度，可降低排煙熱損失，但是為防止鍋爐尾部受熱面低溫腐蝕排煙溫度過低也是不允許的。

2.1.2 過量空氣系數(shù)

降低爐內(nèi)空氣過剩系數(shù)可以減小排煙容積，從而減小排煙熱損失?？諝膺^剩系數(shù)通常應(yīng)保持在2.4以下，在所測試的50臺鍋爐中有26臺鍋爐過量空氣系數(shù)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，最高的為4.51。鍋爐漏風(fēng)、送引風(fēng)、配風(fēng)不合理等都會造成過量空氣系數(shù)偏大。這不僅增大了排煙熱損失，造成爐膛溫度降低，同時也增大了其他熱損失。

2.2 氣體不完全燃燒熱損失q3

氣體不完全燃燒熱損失也稱化學(xué)不完全燃燒熱損失，指燃燒過程中產(chǎn)生的可燃氣體未完全燃燒而隨煙氣排走所造成的熱損失。主要受空氣過剩系數(shù)的影響，空氣過剩系數(shù)過小，燃燒由于氧氣量不足導(dǎo)致化學(xué)不完全燃燒熱損失增大；空氣過剩系數(shù)過大，燃燒則由于爐膛溫度降低，同樣導(dǎo)致化學(xué)不完全燃燒熱損失增大。因此在鍋爐運行中，要保持空氣過剩系數(shù)為1.4左右，有較高的爐膛溫度，使燃料與空氣充分混合，延長煙氣停留時間，促進煙氣中可燃物燃盡。

2.3 固體不完全燃燒熱損失q4

固體不完全燃燒熱損失也稱機械不完全燃燒熱損失，指固體炭顆粒在爐內(nèi)未完全燃燒即隨飛灰和爐渣一同排出爐外而造成的熱損失，由飛灰不完全燃燒熱損失和爐渣不完全燃燒熱損失兩部分組成。固體不完全燃燒熱損失反映了煤炭燃燒的完全程度，是判斷鍋爐熱效率的重要指標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計平均固體不完全燃燒熱損失占17.32%，最高的為24.85%。由此分析這部分熱量損失較大，也是鍋爐最主要的熱損失。造成機械不完全燃燒熱損失的原因很多，主要有以下幾點。

燃料中因水分過大或揮發(fā)分過低均會延緩著火，以至于燃燒結(jié)束時煤炭顆粒還未完全燃燼;煤炭顆粒過大也會導(dǎo)致固體炭不完全燃燒。

煤層過厚或者進煤速度過快，煤炭在爐膛內(nèi)來不及完全燃燒；風(fēng)煤配比不合適，不能提供適合煤炭充分燃燒的空氣量。

2.4 表面散熱損失q5

鍋爐運行中，由于保溫材料并非完全絕熱，鍋爐的介質(zhì)和工質(zhì)的熱量通過爐墻、煙風(fēng)道、架構(gòu)、汽水管道的外表面散發(fā)出來，這部分散失的熱量即表面散熱損失。平均表面散熱損失為2.52%，表面散熱大小主要是由鍋爐外壁相對面積及外壁溫度所決定的。

2.5 灰渣物理熱損失q6

灰渣物理熱損失指爐渣排出爐外由于具有較高的溫度而帶走的熱量損失。燃料中灰分過大以及固體碳未完全燃燒都會增加灰渣物理熱損失。另外，爐渣含碳量偏高，會使?fàn)t渣不完全燃燒熱損失大幅度增大，所以要根據(jù)負荷情況合理調(diào)整爐排速度和煤層厚度，使燃煤能燃盡。

3 提高熱效率的措施

針對影響鍋爐熱效率的主要因素，應(yīng)采取以下幾方面的措施。

3.1 降低排煙熱損失

3.1.1 降低排煙溫度

在工業(yè)鍋爐的尾部加裝省煤器或空氣預(yù)熱器是降低排煙溫度的有效措施。省煤器利用鍋爐尾部的煙氣熱量加熱給水，降低排煙溫度，提高鍋爐效率，節(jié)約燃料消耗量。

加裝空氣預(yù)熱器可改善燃料的著火條件和燃燒過程、提高理論燃燒溫度、強化爐膛的輻射傳熱。

在爐內(nèi)金屬受熱面噴涂紅外傳熱涂料，增加傳熱速度并防止?fàn)t膛結(jié)焦，使熱量得到充分利用從而降低排煙溫度。

治理爐膛結(jié)焦可強化傳熱，有效降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率。治理爐膛結(jié)焦的措施:增加鍋爐運行氧氣濃度，避免爐膛內(nèi)還原性氣氛而導(dǎo)致灰熔點降低；加強爐內(nèi)吹灰，減少受熱面積灰，以保持受熱面清潔，減少磨損，加強換熱；優(yōu)化配煤，使燃燒性能和結(jié)焦性能與設(shè)計值接近。

3.1.2 調(diào)整過量空氣系數(shù)

鍋爐運行中應(yīng)檢查底部冷灰斗的密封情況，關(guān)閉人孔門、檢查孔等，合理調(diào)整爐膛負壓，避免爐膛及煙風(fēng)道的漏風(fēng)，調(diào)整合適的過量空氣系數(shù)，減少排煙帶走的熱損失，提高鍋爐的熱效率。

3.2 降低氣體（化學(xué)）不完全燃燒熱損失

氣體不完全燃燒熱損失主要是一氧化碳氣體未徹底燃燒隨煙氣排出而產(chǎn)生的熱損失。鍋爐運行中應(yīng)監(jiān)測爐膛出口一氧化碳含量，合理調(diào)節(jié)風(fēng)量，降低排煙中一氧化碳的含量，以降低化學(xué)不完全燃燒熱損失。

3.3 降低固體（機械）不完全燃燒熱損失

降低固體不完全燃燒熱損失，要從降低飛灰不完全燃燒熱損失和爐渣不完全燃燒熱損失入手。主要措施有：燃煤加濕，增加勃度，減少漏煤，減少飛灰以降低飛灰不完全燃燒熱損失；根據(jù)燃煤特性，調(diào)整煤層厚度及風(fēng)煤配比，控制煤炭顆粒細度，提高著火燃燒速度，強化燃燒；延長煤炭顆粒在爐膛內(nèi)的燃燒時間，使顆粒燃燒充分，以減少爐渣不完全燃燒熱損失。

利用幾何形貌測量數(shù)據(jù)建立有限元模型，本文利用Abaqus進行模擬分析，采用非線性穩(wěn)定算法，通過施加人工阻尼來計算殼體軸壓屈曲臨界載荷，其中邊界條件為圓柱殼下端面節(jié)點固支，限制上端面節(jié)點除軸向平動自由度以外的所有自由度。載荷通過定義帶參考點控制的離散剛體來模擬壓頭，剛體與圓柱殼上端面之間定義接觸實現(xiàn)軸向載荷傳遞，并通過參考點的反作用力來獲取軸壓屈曲臨界載荷。

在鍋爐煤倉加裝分層給煤裝置，通過爐前雙層分篩，將不同粒徑的燃料煤分開，大的顆粒布于爐排底層，中顆粒布于中層，細煤粉則布在頂層，這樣形成的煤層空隙大，通風(fēng)良好，燃燒均勻，揮發(fā)份很快析出。另外煤粉在上層，容易被點燃，著火點前移，爐膛燃燒明顯改善。煤燃燼度大大提高，灰渣含炭量顯著降低，提高了鍋爐熱效率。

在用的鍋爐大多采用高大煤倉，在煤進入煤倉前形成中部沫多兩側(cè)塊多的格局，可采用在分層給煤前加裝混煤器裝置，既在煤進入分層給煤裝置前，使塊沫進行充分混合。

3.4 降低表面散熱損失

加強維護保養(yǎng)，整修鍋爐本體及管道保溫層，防止和減少熱量損失。消除供熱系統(tǒng)中閥門和接頭等部位的跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。在鍋爐輻射段保溫層內(nèi)噴涂高溫遠紅外涂料，提高爐膛吸熱能力，減少熱量損失。

3.5 降低灰渣物理熱損失

灰渣物理熱損失是反平衡測量法熱損失中最小的。降低灰渣物理熱損失，要盡可能地降低灰渣的出爐溫度，減少灰渣排放量。

3.6 保證鍋爐的燃煤質(zhì)量

燃煤的組成成分對提高燃燒速度和燃燒完全程度的影響很大，揮發(fā)份多的煤易著火燃燒，揮發(fā)份少的煤著火困難且不易燃燒完全，煤中的灰份多會阻礙可燃質(zhì)與氧氣的接觸，使炭粒不易燃燒完全，影響鍋爐熱效率，煤中灰的組成成分不同還直接影響灰熔點的高低，對受熱面的結(jié)渣，積灰和磨損都有影響，而煤中水分過多也不利于燃燒，使著火困難，并降低燃燒溫度，還會使煙氣體積增大而降低鍋爐效率。因此保證煤炭質(zhì)量也是鍋爐安全經(jīng)濟運行的關(guān)鍵。

3.7 加強設(shè)備管理提高司爐工焚火技術(shù)

4 提高鍋爐熱效率煤炭節(jié)能量的計算

以某供熱小區(qū)為例，采用四臺SZL4.2-1.0/95/70-AⅡ型熱水鍋爐供熱，供暖面積為24萬平方米，年耗煤1.05萬噸?，F(xiàn)鍋爐熱效率平均為71.43%。

節(jié)煤量可作如下計算：

B為年節(jié)約煤量；Ba為鍋爐年耗煤量；ηK為改造后鍋爐熱效率；ηS為現(xiàn)實測鍋爐熱效率。

熱效率提高1%節(jié)能效果為：

熱效率提高5%節(jié)能效果為：

如采取合理改造措施，鍋爐熱效率可提高1%-5%,節(jié)煤空間為145-725t。

5 結(jié)論

根據(jù)測試結(jié)果針對問題采取具體措施對鍋爐進行改造，加強司爐工培訓(xùn)，提高焚火技術(shù)，提高燃燒效率，能夠降低燃料消耗量，提高鍋爐的經(jīng)濟運行的效果。

期刊論文：淺談解決鏈條爐排鍋爐問題

期刊論文：工業(yè)鍋爐的熱效率分析