淺析燃?xì)鈱?dǎo)熱油鍋爐節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)性和安全性

沈 俊 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院

韓 鈞 常州市武進(jìn)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局

淺析燃?xì)鈱?dǎo)熱油鍋爐節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)性和安全性

沈 俊 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院

韓 鈞 常州市武進(jìn)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局

有機(jī)熱載體鍋爐具有低壓高溫、無水處理環(huán)節(jié)、加熱溫度穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便、投資少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于紡織印染、建材、石化、合成纖維等行業(yè)。然而普遍排煙溫度高，煙氣余熱未能得到利用，熱效率較低。TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》第八條對(duì)有機(jī)熱載體鍋爐的排煙溫度提出了要求，因此節(jié)能改造成為在用有機(jī)熱載體鍋爐的大勢(shì)所趨。

由于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，相當(dāng)一部分有機(jī)熱載體鍋爐已經(jīng)采用氣體燃料。燃?xì)忮仩t自動(dòng)化程度很高，在系統(tǒng)上有很多安全保護(hù)裝置，在改造時(shí)如處置不當(dāng)，會(huì)引起事故。

某單位對(duì)一臺(tái)燃?xì)鈱?dǎo)熱油鍋爐進(jìn)行了節(jié)能改造，造成了爐膛爆炸。本文試從經(jīng)濟(jì)性和安全性兩個(gè)方面對(duì)此案例進(jìn)行分析和探討。

1 事故過程

一臺(tái)型號(hào)為YYW-6000Y(Q)的燃?xì)忮仩t進(jìn)行了節(jié)能改造，增加了空氣預(yù)熱器，并對(duì)燃燒器進(jìn)行工況適應(yīng)性調(diào)整。2013年5月24日交付使用后燃燒器多次報(bào)警，6月1日再次發(fā)生報(bào)警后，操作人員點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爐膛爆燃，造成鍋爐煙箱蓋板發(fā)生嚴(yán)重變形。

2 本案例的節(jié)能措施經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 增加空氣預(yù)熱器以提高熱效率

● 2.1.1 鍋爐熱效率分析

鍋爐熱效率η=100-Σq(%)[1]

Σq=q2+q3+q4+q5+q6(%)

燃?xì)忮仩t，因此q4=0；由于燃?xì)忮仩t的含灰量很小，q6可以忽略;

所以影響燃?xì)忮仩t熱效率的因素主要為q2、q3、q5。

● 2.1.2 影響鍋爐熱效率的因素分析

查手冊(cè)[2]知q5一般為1.5%～2%;氣體燃料燃燒時(shí)，氣體不完全燃燒熱損失，q3＜0.5%，一般情況可以忽略；而q2排煙損失是燃?xì)忮仩t主要熱損失，尤其對(duì)于有機(jī)熱載體鍋爐，出口介質(zhì)溫度一般可達(dá)300～320℃，排煙溫度可達(dá)300℃,排煙損失更為突出。

按照排煙熱損失現(xiàn)場(chǎng)快捷計(jì)算公式

計(jì)算出冷空氣25℃(t1k＝25)時(shí)不同過量空氣系數(shù)和排煙溫度下的排煙熱損失q2(%)，如表1所示[3]：

表1 冷空氣25℃時(shí)不同過量空氣系數(shù)和排煙溫度下的排煙熱損失q2（%）

由式（1）及表1可知，冷空氣溫度一定的情況下過量空氣系數(shù)越大，排煙損失越大；排煙溫度越高，排煙損失越大。而為保證完全燃燒，過量空氣系數(shù)一般應(yīng)在1.1～1.2左右，因此降低排煙溫度成為減少排煙損失的重要途徑之一。

● 2.1.3 降低排煙溫度的方式

要降低排煙溫度，必須對(duì)增加尾部受熱面，以余熱來提高能效利用率。余熱利用包括只利用顯熱以及顯熱加潛熱合并利用，對(duì)于有機(jī)熱載體鍋爐來說,可以采用空氣預(yù)熱器余熱吸收法、蒸汽發(fā)生器余熱吸收法、省煤器余熱吸收法等幾種形式。

在實(shí)踐生產(chǎn)中，降低排煙溫度的方法還取決于工藝流體的溫度，所需的低品味熱能的數(shù)量等。在本案例中，采用了空氣預(yù)熱器余熱吸收法，在煙道中加裝空氣預(yù)熱器，將排煙溫度從300℃左右降低到160℃，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.1時(shí)，從表1中可知，排煙熱損失從12.53%下降到6.23%，效率提高6.3%。此外，采用熱空氣燃燒后，可以提升爐內(nèi)溫度，輻射傳熱加強(qiáng)，可節(jié)省輻射受熱面，相當(dāng)以廉價(jià)的空氣預(yù)熱器受熱面，起到了部分價(jià)格較高的輻射受熱面的效果。

2.2 調(diào)整燃燒器適應(yīng)工況以提高利用率

● 2.2.1 利用率及其意義

燃燒效率是指在鍋爐中只考慮煙氣損失而得到的效率，反映了燃料燃燒充分程度；鍋爐效率是在燃燒效率的基礎(chǔ)上,反映了燃料送入的熱量中有效熱量所占的百分?jǐn)?shù)，而利用率則表示了有效熱量的利用與消耗之比。

在鍋爐效率的測(cè)定中，都是假定利用率為100%，有效熱量被完全利用，而在實(shí)踐生產(chǎn)中，這只是一種理想狀態(tài)，鍋爐的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)工況可能出廠熱工測(cè)試時(shí)工況完全不同，甚至和在用熱工測(cè)試時(shí)穩(wěn)定工況也完全不同，作為能量的最終使用環(huán)節(jié)，必須考慮利用率。

● 2.2.2 提高利用率方式及途徑

鍋爐選型時(shí)要考慮鍋爐利用率，既要考慮總的負(fù)荷范圍；又要考慮負(fù)荷的高峰情況，包括高峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間，高峰的頻率。一般鍋爐的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷在額定負(fù)荷75%以上，所以經(jīng)常應(yīng)使在用的鍋爐的實(shí)際負(fù)荷應(yīng)在本身額定負(fù)荷50%以上，也就是說制造廠提供的設(shè)備在額定出力50%～100%間應(yīng)保持穩(wěn)定的高效。生產(chǎn)使用上連續(xù)性要求較高須考慮備用設(shè)備。

燃?xì)馊紵鞯倪\(yùn)行方式有單段火、兩段火、兩段漸進(jìn)式以及比例調(diào)節(jié)式。同等條件下，優(yōu)先采用比例調(diào)節(jié)式；經(jīng)常較低負(fù)荷運(yùn)行的鍋爐，應(yīng)針對(duì)燃燒工況進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。盡量避免燃燒器反復(fù)起停，減少準(zhǔn)備熱損失。

燃燒器調(diào)節(jié)幅度要大，能適應(yīng)鍋爐負(fù)荷變化的需要，保證在不同工況下完全穩(wěn)定地燃燒。

在本案例中，對(duì)燃燒器燒嘴、控制程序進(jìn)行了調(diào)整，把分段運(yùn)行改為比例調(diào)節(jié)式；針對(duì)實(shí)際工況對(duì)燃燒器運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化，以更好的適應(yīng)實(shí)際情況。

3 安全性分析

3.1 預(yù)熱空氣降低排煙溫度的安全性分析

● 3.1.1 空氣預(yù)熱器安全性分析

積灰積碳和磨損。本案例中采用熱管空氣預(yù)熱器，管箱的熱管均裝有較密集的翅片，翅片增加了傳熱面積。燃?xì)怆m不含有灰分，燃燒不完全時(shí)也會(huì)產(chǎn)生碳黑，來自空氣中的灰塵也會(huì)沉積在表面，煙氣側(cè)翅片存在積灰及堵塞，應(yīng)及時(shí)清理；空氣預(yù)熱器入口經(jīng)長(zhǎng)期沖刷，易產(chǎn)生磨損，應(yīng)加裝耐磨瓦。

● 3.1.2 高溫空氣的安全分析

本案例中，空氣被預(yù)熱到200℃運(yùn)入爐膛，有助于改善燃燒和輻射條件，但同時(shí)也帶來了燃爆風(fēng)險(xiǎn)。爆炸性氣體混合物的原始溫度越高,則爆炸極限范圍越大,即爆炸下限降低而爆炸上限增高。因?yàn)橄到y(tǒng)溫度升高,其分子內(nèi)能增加,使更多的氣體分子處于激發(fā)態(tài),原來不燃的混合氣體成為可燃、可爆系統(tǒng),所以溫度升高使爆炸危險(xiǎn)性增大。表2為通過測(cè)定燃?xì)獾闹饕煞諧H4在常溫（18℃)、50℃、100℃、150℃、200℃下的爆炸極限[6]。

表2 CH4爆炸極限測(cè)定結(jié)果(√表示發(fā)生爆燃.×表示未發(fā)生爆燃)

從表2中可見，常溫（18℃）時(shí)CH4爆炸極限為7%～15%，而200℃下爆炸極限為5%～17%，爆炸極限范圍擴(kuò)大了50%。而在工程實(shí)際中，爐膛及燃燒氣混合溫度、空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)局部溫度均在200℃以上。實(shí)際工況中，CH4不完全燃燒就會(huì)產(chǎn)生CO，而CH4與CO混合后，爆炸極限范圍同樣變大，見表3。

表3 CH4和CO的混合氣體比例為3:1時(shí)爆炸極限測(cè)定結(jié)果

說明在熄火后，如果此時(shí)不進(jìn)行吹掃就點(diǎn)火或者爐膛內(nèi)存在高溫點(diǎn)火源就更容易發(fā)生爆炸事故。

● 3.1.3 爐膛阻力增加的安全性分析

對(duì)鼓風(fēng)、引風(fēng)能力的驗(yàn)證。因加裝空氣預(yù)熱器，鍋爐煙氣總阻力增加，應(yīng)根據(jù)空氣預(yù)熱器的阻力，進(jìn)行計(jì)算校核對(duì)鼓風(fēng)、引風(fēng)能力進(jìn)行驗(yàn)證并以免，過量空氣系數(shù)不恰當(dāng)，燃燒不完全。

前吹掃風(fēng)量測(cè)量和吹掃能力驗(yàn)證。鍋爐煙氣總阻力增加后，應(yīng)按照TSG ZB001-2008《燃油(氣)燃燒器安全技術(shù)規(guī)則》及TSG ZB002-2008《燃油(氣)燃燒器型式試驗(yàn)規(guī)則》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)量，以原額定輸入熱功率下的空氣流量進(jìn)行前吹掃，吹掃時(shí)間不小于20s；以小于原額定輸入熱功率下的空氣流量進(jìn)行前吹掃，應(yīng)相應(yīng)延長(zhǎng)前吹掃時(shí)間。當(dāng)實(shí)際吹掃空氣流量低于原額定空氣流量的50%，應(yīng)對(duì)吹掃空氣能力作調(diào)整，以符合規(guī)范要求?？紤]到從爐膛到煙囪進(jìn)口煙道總?cè)莘e增加，總通風(fēng)量也應(yīng)相應(yīng)增加，必要時(shí)應(yīng)對(duì)原額定輸入熱功率下的空氣流量進(jìn)行修正，再進(jìn)行前吹掃風(fēng)量的測(cè)量。

在本案例中，再次發(fā)生報(bào)警后，操作人員重新啟動(dòng)鍋爐，點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爐膛爆燃，前吹掃的總通風(fēng)量不足，是重要原因之一。

3.2 調(diào)整燃燒器適應(yīng)工況的安全性分析

● 3.2.1 燃燒器經(jīng)充分調(diào)試方可投入運(yùn)行

本案例中，交付使用后燃燒器多次報(bào)警，說明未能在規(guī)定的燃料條件下正常運(yùn)行，燃燒器調(diào)試存在嚴(yán)重缺陷，不符合TSG ZB001-2008《燃油（氣）燃燒器安全技術(shù)規(guī)則》的規(guī)定。

● 3.2.2 燃燒器故障未排除不得使用

本案例中，交付使用后該燃燒器多次報(bào)警，一直未能排除隱患，仍在“帶病運(yùn)行”，直至事故發(fā)生，說明鍋爐的運(yùn)行管理存在嚴(yán)重缺陷。應(yīng)對(duì)燃燒器的各個(gè)安全與控制裝置進(jìn)行檢查，特別針對(duì)報(bào)警的原因和故障代碼進(jìn)行排除，以確保各項(xiàng)聯(lián)鎖保護(hù)功能和運(yùn)行程序正常工作。

● 3.2.3 燃燒器其他管理要求

TSG ZB001-2008《燃油（氣）燃燒器安全技術(shù)規(guī)則》規(guī)定型號(hào)發(fā)生改變的情況有：設(shè)計(jì)燃料范圍發(fā)生改變；燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生改變；程序控制器、點(diǎn)火變壓器、火焰監(jiān)測(cè)器、安全切斷閥、燃油油泵、電機(jī)、燃油預(yù)熱裝置、伺服馬達(dá)等主要配件及其型號(hào)、參數(shù)、制造單位發(fā)生改變。型號(hào)變化需制造單位經(jīng)過型式試驗(yàn)，有相應(yīng)的型式試驗(yàn)證書，否則屬于不符合安全技術(shù)規(guī)范的要求。

4 結(jié)束語

1）降低排煙熱損失是提高燃?xì)忮仩t熱效率的主要途徑之一，降低排煙溫度是降低排煙熱損失的有效方法。

2）對(duì)于排煙溫度較高的有機(jī)熱載體鍋爐，節(jié)能潛力更大。對(duì)于有機(jī)熱載體鍋爐來說,可以采用空氣預(yù)熱器余熱吸收法、蒸汽發(fā)生器余熱吸收法、省煤器余熱吸收法等幾種形式。

3）與燃燒效率和鍋爐效率不同，利用率表示了有效熱量的利用與消耗之比。而在實(shí)踐生產(chǎn)中，作為能量的最終使用環(huán)節(jié)，必須考慮利用率。

4）對(duì)于氣體燃料，特別是天然氣，空氣預(yù)熱器的主要失效形式為積灰積碳和磨損。

5）空氣被預(yù)熱后燃燒，有助于改善燃燒和輻射條件，但同時(shí)爆炸極限范圍增大，爆燃風(fēng)險(xiǎn)大大增加。因此前吹掃變得更加重要。

6）空氣預(yù)熱器安裝后爐膛阻力增加，要對(duì)前吹掃風(fēng)量測(cè)量和吹掃能力進(jìn)行驗(yàn)證。

7）燃燒器要經(jīng)過調(diào)試在工作范圍正常運(yùn)行，故障未排除，燃燒器不得投入使用。燃燒器的維護(hù)與調(diào)整必須符合相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范的要求，遵守燃燒器型號(hào)的規(guī)定，變更型號(hào)需在型式試驗(yàn)的覆蓋范圍內(nèi)。

8）使用單位應(yīng)加強(qiáng)管理，操作人員應(yīng)按章操作。燃燒器發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，操作人員應(yīng)按照規(guī)定，立即報(bào)告并排除故障；設(shè)備不能帶病使用。

9）節(jié)能改造的前提是安全性必須滿足。經(jīng)濟(jì)性和安全性須取得平衡。

1 李奇賀,朱倍芳.提高紡織印染工業(yè)有機(jī)熱載體鍋爐效率的有效方法.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009.04

2 洪向道,等.鍋爐房實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2001,2

3 吳從容,黎華,李茂東,張振頂,葉向榮.天然氣工業(yè)鍋爐排煙熱損失在線仿真計(jì)算.能源與節(jié)能,2002(1)

4 車得福.冷凝式鍋爐及其系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002(1)

5 郭全,史永征,潘樹派.燃?xì)忮仩t的效率與利用率,中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)燃?xì)夥謺?huì)應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)2007年年會(huì)論文集

6 李輝,李娜,黃思嘉,張勇,周屈蘭.燃油/燃?xì)忮仩t爆燃特性實(shí)驗(yàn)研究.中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)多相流學(xué)術(shù)會(huì)議論文,編號(hào): 1206138

2013－10－21）