戴國棟

（1 福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008）

（2 國家工業(yè)鍋爐質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(福建)，福建 福州 350008）

1 引言

生活垃圾資源化利用技術(shù)包括堆肥、焚燒、熱解、等離子氣化等。目前發(fā)展最快的是焚燒發(fā)電處理法，它具有日處理量大，處理速度快，工藝簡單，減量化高、滅菌效果好等優(yōu)勢，能夠?qū)⒗械幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，使之成為城鎮(zhèn)化進(jìn)程中備受關(guān)注的可再生能源，并得到各級(jí)政府的重視。對(duì)生活垃圾焚燒鍋爐的能效考核以及如何節(jié)能增效，更加環(huán)保地處理垃圾，成為政府部門關(guān)心的節(jié)能減排重要工作之一。

為更加節(jié)能、環(huán)保且經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐，為其提供節(jié)能減排技術(shù)指導(dǎo)，根據(jù)TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》第三十八條的要求，每兩年應(yīng)對(duì)在用鍋爐進(jìn)行運(yùn)行工況下的定期能效測試。受福建省內(nèi)多家使用單位的委托，筆者對(duì)分布在各地市的24臺(tái)生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐進(jìn)行了熱效率測試，所測生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐均為往復(fù)爐排蒸汽鍋爐?，F(xiàn)對(duì)能效測試結(jié)果進(jìn)行分析，以便發(fā)掘出被測鍋爐的節(jié)能降耗潛力，找出切實(shí)有效的節(jié)能增效措施，指導(dǎo)使用單位進(jìn)一步提升鍋爐運(yùn)行熱效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效、環(huán)保運(yùn)行的目的。

2 測試依據(jù)與測試項(xiàng)目

根據(jù)TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》的要求，對(duì)于在用生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐采用反平衡法進(jìn)行正常運(yùn)行工況下的熱效率測試。其測試依據(jù)是TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》和GB 10184-2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》。測試項(xiàng)目的主要內(nèi)容是：以額定負(fù)荷的75%以上某一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)荷（根據(jù)GB/T 10184-2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》4.6.2表3的規(guī)定，鍋爐蒸發(fā)量＜480t/h時(shí)，負(fù)荷的最大允許波動(dòng)范圍不超過±5%）為測試負(fù)荷，以上述負(fù)荷下的鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況作為測試工況。通過采集入爐燃料、灰渣、漏煤以及飛灰樣品，測試并記錄鍋爐運(yùn)行時(shí)的有關(guān)指標(biāo)（主要包括：鍋爐蒸發(fā)量、蒸汽壓力和溫度；環(huán)境溫度、氣壓和相對(duì)濕度；以及最后一級(jí)受熱面出口一米范圍內(nèi)測點(diǎn)處的煙氣成分及排煙溫度等），從而定量分析鍋爐各項(xiàng)熱損失，考核被測試鍋爐的運(yùn)行熱效率。

3 測試結(jié)果分析

3.1 被測鍋爐的流程簡述

福建地區(qū)在用生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐的爐型結(jié)構(gòu)除個(gè)別為循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)外，大部分為往復(fù)爐排結(jié)構(gòu)。入爐生活垃圾由前部料斗落入往復(fù)爐排，經(jīng)燃燒、放熱、減量化后落入出渣機(jī)排出，入爐空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后進(jìn)入爐膛，垃圾燃燒后的熾熱煙氣經(jīng)爐膛、第二煙道（一般布置有旗式對(duì)流管）、第三煙道（一般布置有對(duì)流蒸發(fā)器和三級(jí)對(duì)流過熱器）、尾部煙道（一般布置有省煤器和空氣預(yù)熱器）換熱后，通過煙氣凈化系統(tǒng)凈化后，排出鍋爐系統(tǒng)外。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

對(duì)24臺(tái)生活垃圾焚燒鍋爐能效測試結(jié)果進(jìn)行匯總分析，其實(shí)測熱效率、排煙溫度以及過量空氣系數(shù)等主要測試結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，被測的24臺(tái)生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐均存在實(shí)測熱效率低于設(shè)計(jì)熱效率，排煙溫度偏高、過量空氣系數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求等問題。其中，排煙溫度均不符合TSG G0002-2010（排煙溫度應(yīng)≤170℃）的要求，僅有2臺(tái)的過量空氣系數(shù)符合TSG G0002-2010（過量空氣系數(shù)應(yīng)≤1.4）的要求。

表1 能效測試結(jié)果匯總

3.2.1 燃料特性對(duì)比分析

筆者對(duì)從測試現(xiàn)場采樣回來的爐渣、飛灰以及入爐燃料分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)的指標(biāo)有：爐渣可燃物含量、飛灰可燃物含量以及入爐燃料的收到基碳、收到基氫、收到基硫、收到基氮、收到基氧、收到基灰分、收到基水分、干燥無灰基揮發(fā)分、收到基低位發(fā)熱量等11個(gè)指標(biāo)（詳見表2、表3）。從表2、表3中可以看出，一般鍋爐設(shè)計(jì)單位基本上對(duì)設(shè)計(jì)燃料的特性指標(biāo)只關(guān)注收到基碳、收到基氫、收到基灰分、收到基水分以及收到基低位發(fā)熱量等5個(gè)指標(biāo)。對(duì)入爐燃料的這5個(gè)指標(biāo)與設(shè)計(jì)燃料的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)24組實(shí)測數(shù)據(jù)中有較明顯差異的指標(biāo)是發(fā)熱量、灰分和水分（差異較大的均在表2中標(biāo)上灰色底色）。

表2 設(shè)計(jì)燃料（設(shè)計(jì)值）與試驗(yàn)燃料（實(shí)測值）的燃料特性對(duì)比表

3.2.1.1 發(fā)熱量的差別

對(duì)比24臺(tái)鍋爐實(shí)際運(yùn)行入爐燃料與設(shè)計(jì)燃料的收到基低位發(fā)熱量，發(fā)現(xiàn)實(shí)際入爐燃料的收到基低位發(fā)熱量大多低于設(shè)計(jì)燃料的收到基低位發(fā)熱量。相差值最大的達(dá)1128kJ/kg，相差值最少為370kJ/kg。當(dāng)鍋爐運(yùn)行燃料比設(shè)計(jì)燃料的低位發(fā)熱量低很多時(shí)，將導(dǎo)致鍋爐爐膛溫度降低，單位時(shí)間內(nèi)入爐燃料產(chǎn)生的煙氣量增大，爐膛內(nèi)輻射傳熱強(qiáng)度減少，為了提高鍋爐供熱量，運(yùn)行人員只好被動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使煙氣流速加快，煙氣在爐內(nèi)停留時(shí)間變短，熱交換時(shí)間不足，從而使鍋爐排煙溫度升高，排煙熱損失增加。

3.2.1.2 灰分的差別

從燃料化驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)際入爐燃料的灰分普遍比設(shè)計(jì)燃料的灰分含量高，其中含量相差最高達(dá)到10.3%。實(shí)際入爐燃料的灰分含量越大，燃料的發(fā)熱量越低，易導(dǎo)致燃料著火困難和著火延遲，爐膛燃燒溫度顯著降低，燃料的燃盡度變差，造成飛灰可燃物增高；灰分含量增大，燃燒過程中碳粒被灰層包裹，碳粒表面燃燒速率降低，火焰的傳播速度減小，易造成燃燒不良；另外飛灰濃度越高，也將使鍋爐受熱面特別是尾部的省煤器、空預(yù)器等受熱面磨損加劇。經(jīng)驗(yàn)表明，燃料的灰分含量每增加1%，其理論燃燒溫度平均降低約5℃[1]，從而使燃料燃燒不良，甚至熄火。經(jīng)過對(duì)入爐燃料——生活垃圾的物理組成分析，發(fā)現(xiàn)造成入爐垃圾灰分超出設(shè)計(jì)值的主要原因是：未嚴(yán)格分類收集的生活垃圾組分較復(fù)雜，生活垃圾中混入了較多的灰土類、磚瓦陶瓷類、玻璃類、金屬類、以及其他混合類的垃圾。分析結(jié)果也與城市道路清掃車掃入大量塵土，小區(qū)生活垃圾分類收集尚未規(guī)范，裝修建筑垃圾混入生活垃圾的社會(huì)現(xiàn)狀相符。

3.2.1.3 水分的差別

從燃料化驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)際入爐燃料的水分實(shí)測值比設(shè)計(jì)燃料的水分設(shè)計(jì)值普遍低很多，其中含量相差最大的達(dá)到23.46%。24組數(shù)據(jù)中僅有兩組實(shí)測數(shù)據(jù)顯示入爐垃圾的含水率高出設(shè)計(jì)值要求?？梢娊^大部分垃圾焚燒發(fā)電運(yùn)營單位都能夠認(rèn)識(shí)到垃圾含水率偏高對(duì)鍋爐熱效率的不利影響，實(shí)際入爐燃料的水分含量越大，單位體積的入爐燃料發(fā)熱量越低，將導(dǎo)致爐膛溫度降低，燃料著火困難和著火延遲，燃料的燃盡速度降低，鍋爐蒸發(fā)量將降低。因此運(yùn)營單位基本都能對(duì)入爐垃圾預(yù)先進(jìn)行翻動(dòng)、靜置、堆酵以及去除垃圾滲瀝水等前處理，以盡可能地讓垃圾脫水，提高單位體積入爐垃圾的低位發(fā)熱量。對(duì)于測試的21、22號(hào)鍋爐出現(xiàn)實(shí)測水分高于設(shè)計(jì)值，經(jīng)了解是因?yàn)闇y試時(shí)恰逢當(dāng)?shù)囟嗳沾笥?，垃圾未能?jīng)過足夠時(shí)間的靜置堆酵和脫水引起的，造成這兩臺(tái)鍋爐的實(shí)測熱效率也大幅低于設(shè)計(jì)值。

3.2.2 熱效率分析

采用反平衡法測試時(shí)，鍋爐熱效率計(jì)算公式是：η=100-（q2+q3+q4+q5+q6）

式中：η——反平衡鍋爐熱效率；q2——排煙熱損失；q3——?dú)怏w未完全燃燒熱損失；q4——固體未完全燃燒熱損失；q5——散熱損失；q6——灰渣物理熱損失q6。

被測24臺(tái)鍋爐能效測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見表1～表3。從表1可以看出，被測鍋爐試驗(yàn)工況下的實(shí)際熱效率值均低于設(shè)計(jì)值。對(duì)表3各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析可知，氣體未完全燃燒熱損失q3（最大值0.994%）、散熱損失q5（最大值1.50%）以及灰渣物理熱損失q6（最大值2.44%）所占的比例較小，而排煙熱損失q2（最大值21.57%，最小值11.92%）和固體未完全燃燒熱損失q4（最大值14.16%，最小值5.61%）所占比例較大。造成q2和q4兩種熱損失較高的主要因素包括燃料種類和燃料特性、燃燒設(shè)備及爐膛型式、燃燒方式、鍋爐負(fù)荷、燃料及空氣流的混合等，現(xiàn)對(duì)鍋爐的q2和q4進(jìn)行有針對(duì)性的分析。

3.2.2.1 排煙熱損失q2

從表3可知，鍋爐排煙熱損失q2最大值21.57%，最小值11.92%，可見該部分熱損失相當(dāng)大。鍋爐排煙熱損失q2主要取決于排煙溫度和排煙容積。據(jù)研究表明，排煙溫度每升高12℃～15℃，q2約増加1%[2]。由表1可知24臺(tái)鍋爐的平均排煙溫度為213.95℃，大大超過TSG G0002-2010（排煙溫度≤170℃）的要求。當(dāng)鍋爐排煙溫度高于200℃時(shí)，鍋爐可能存在爐內(nèi)熱交換不良、煙道二次燃燒等問題，此時(shí)需檢查鍋爐燃燒狀況，鍋爐受熱面是否積灰或結(jié)焦等，受熱面積灰或結(jié)焦將嚴(yán)重影響受熱面的傳熱效果，導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高。另外，由表1可知被測鍋爐的過量空氣系數(shù)都較大，過多的冷空氣進(jìn)入爐膛會(huì)造成煙氣排放量增大，也造成排煙熱損失加大。

3.2.2.2 固體未完全燃燒熱損失q4

從表3可知，24臺(tái)鍋爐的固體未完全燃燒熱損失q4的最大值是14.16%，最小值是5.61%，僅次于排煙熱損失q2，這部分的熱損失也很大。鍋爐固體未完全燃燒損失q4主要由飛灰含碳量和灰渣含碳量決定。影響此項(xiàng)損失的因素較為復(fù)雜，它與燃燒方式、燃料種類、燃燒狀況有關(guān)，燃料本身成分如水分、揮發(fā)分、含碳量等都會(huì)影響燃料的燃燒完全程度，此外燃料燃燒過程也是重要影響因素，比如爐排速度、風(fēng)料配比、進(jìn)料速度、爐膛溫度等。

4 節(jié)能增效措施

經(jīng)過對(duì)福建省內(nèi)24臺(tái)垃圾焚燒發(fā)電鍋爐的定期能效測試，對(duì)所測的鍋爐熱效率、排煙溫度以及過量空氣系數(shù)進(jìn)行分析、探討，從節(jié)能降耗的角度出發(fā)，并根據(jù)測試現(xiàn)場獲悉的實(shí)際情況，提出如下節(jié)能增效，提升鍋爐熱效率的措施，供鍋爐使用單位參考。

4.1 降低排煙溫度

鍋爐排煙熱損失q2取決于排煙量和排煙溫度，維持合理的過量空氣系數(shù)，是控制排煙量的依據(jù)。比如6、9、16和20號(hào)鍋，排煙溫度大幅超過170℃，造成排煙熱損失較大，鍋爐熱效率降低。對(duì)排煙溫度有影響的還有給水溫度和省煤器、過熱器的結(jié)垢、積灰程度。從鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算角度出發(fā)，排煙溫度越低越好，但考慮到鍋爐尾部受熱面的制造成本和低溫腐蝕問題，排煙溫度一般取值140℃～180℃之間，鍋爐運(yùn)行一段時(shí)間后，從對(duì)流管到省煤器、空氣預(yù)熱器等都會(huì)有不同程度的積灰，排煙溫度會(huì)有所升高。經(jīng)驗(yàn)表明，排煙溫度每升高12℃～15℃，鍋爐熱效率就降低一個(gè)百分點(diǎn)。

降低排煙溫度的主要途徑一是加強(qiáng)對(duì)流管束、省煤器和空氣預(yù)熱器的清灰，運(yùn)行中的清灰一般采用蒸汽吹掃或振打等方式，根據(jù)儀表顯示的溫度判斷積灰程度進(jìn)行吹掃；二是降低鍋爐的給水溫度。

表3 化驗(yàn)結(jié)果及能效測試數(shù)據(jù)匯總

4.2 合理調(diào)整鍋爐過量空氣系數(shù)

正確的燃料與空氣混合比是建立優(yōu)化燃燒的首要條件。煙氣含氧量可實(shí)時(shí)反映過量空氣系數(shù)大小，常用鋯氧儀監(jiān)控過量空氣系數(shù)，指導(dǎo)司爐工合理調(diào)整鼓引風(fēng)配比，將過量空氣系數(shù)控制在合理范圍內(nèi)。比如1、6、13和15號(hào)鍋爐，其空氣過量系數(shù)過大(遠(yuǎn)大于限定值1.4)，會(huì)影響省煤器和空氣預(yù)熱器等尾部受熱面的熱吸收，排煙熱損失也大。在保證燃料充分燃燒的前提下，維持合理的過量空氣系數(shù)還可以減少燃燒過程中的排煙量，有利于提高燃料燃燒效率，降低排煙熱損失。在實(shí)際運(yùn)行中，還應(yīng)密切注意出渣口、落灰口、爐門以及鍋爐煙道是否破損、漏風(fēng)，保持較低的鍋爐漏風(fēng)系數(shù)，以維持爐膛燃燒穩(wěn)定。

4.3 優(yōu)化鍋爐燃燒狀況

在實(shí)際運(yùn)行鍋爐時(shí)，應(yīng)建立最優(yōu)化的爐內(nèi)燃燒狀況，適當(dāng)增加爐膛負(fù)壓，減少外界冷空氣進(jìn)入爐內(nèi)，這是提高鍋爐熱效率的方法之一。燃料熱能的利用主要是靠受熱面與煙氣的有效熱交換。因此，增加燃燒后高溫氣體在爐內(nèi)的停留時(shí)間，以增加熱交換時(shí)間，亦可有效提高鍋爐熱效率。其次，鍋爐應(yīng)盡可能維持穩(wěn)定的負(fù)荷，避免高頻率的負(fù)荷變化。最重要的是合理調(diào)整鍋爐燃燒，即根據(jù)入爐垃圾的變化、燃燒工況的變化，控制垃圾進(jìn)料量，合理調(diào)整一二次風(fēng)、給料速度、爐排速度、爐膛負(fù)壓等[3]。

4.4 垃圾入爐前的有效前處理

對(duì)入爐垃圾進(jìn)行機(jī)械分選、翻動(dòng)均混、足夠時(shí)間的靜置堆酵以及去除垃圾滲瀝水等前處理，實(shí)現(xiàn)垃圾脫水、減重，可有效提高單位體積入爐垃圾的低位發(fā)熱量，促進(jìn)垃圾在爐內(nèi)完全燃燒，提高焚燒垃圾的燃燒效率。被測24臺(tái)鍋爐中，僅有21、22號(hào)鍋爐出現(xiàn)實(shí)測水分高于設(shè)計(jì)值，其熱效率實(shí)測值大幅低于設(shè)計(jì)值。經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)含水率在60%以上的低熱值生活垃圾，在焚燒前進(jìn)行2～3天的堆酵，可瀝除12%左右的滲瀝水，減重約20%，可使單位體積的入爐垃圾低位發(fā)熱值增加836kJ/kg。提高入爐垃圾熱值，是提高垃圾焚燒效率的一種很有效的方法。

4.5 改善鍋水品質(zhì)，減少排污，充分利用鍋爐排污熱量

鍋爐鍋水定期排污次數(shù)與水質(zhì)好壞、蒸汽壓力及使用藥劑等有關(guān)。原因在于鍋爐水經(jīng)蒸發(fā)濃縮后，爐水中雜質(zhì)比例逐漸增加，若不進(jìn)行及時(shí)排污，將會(huì)造成受熱面水側(cè)發(fā)生結(jié)垢、腐蝕等問題。但若排污次數(shù)過多，常會(huì)造成明顯的熱量損失與效率下降，而有效地解決方法就是改善鍋爐水質(zhì)，充分利用鍋爐排污水熱量，降低散熱損失。

4.6 保持良好的蒸汽管道及鍋爐外保溫

主要是指必須加強(qiáng)鍋爐、管道及閥件等外部保溫，定期檢查蒸汽管道的保溫狀況以及是否發(fā)生泄漏。經(jīng)驗(yàn)表明，蒸汽壓力0.6MPa的蒸汽管路上若產(chǎn)生1個(gè)0.5mm2的小孔，每小時(shí)漏蒸汽6kg，一年浪費(fèi)煤7噸[2]，因此，運(yùn)行狀況良好的蒸汽管路是節(jié)約能源的基本要求。

蒸汽管道不保溫的話，每平方米每小時(shí)將散失熱量4200kJ～7560kJ[2]。另外，如發(fā)現(xiàn)鍋爐或管道表面溫度過高，保溫效果不良，應(yīng)及時(shí)予以修復(fù)。保溫材料的厚度可視實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益而選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)和厚度。

4.7 避免鍋爐長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行

通常情況下，鍋爐的最佳效率區(qū)大約在鍋爐負(fù)荷為額定蒸發(fā)量的85%～100%之間。當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐內(nèi)很難維持穩(wěn)定的燃燒，氣體未完全燃燒熱損失q3和固體未完全燃燒熱損失q4將增加，雖然排煙溫度降低，排煙熱損失q2有所減少，但是總體上鍋爐的各項(xiàng)熱散失率將加大，造成鍋爐熱效率降低。因此鍋爐最好運(yùn)行負(fù)荷為額定蒸發(fā)量的85%～100%。

5 結(jié)語

通過對(duì)福建地區(qū)24臺(tái)生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐的采樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)和能效測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，發(fā)現(xiàn)普遍存在實(shí)測熱效率低于設(shè)計(jì)熱效率，排煙溫度偏高、過量空氣系數(shù)大于規(guī)范要求的問題。文中提出了相應(yīng)的節(jié)能增效措施，對(duì)推動(dòng)福建省更加綠色、環(huán)保、節(jié)能地焚燒處理生活垃圾具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。