基于測試數(shù)據(jù)的竹屑鍋爐熱效率分析及節(jié)能建議

羅賢壽

(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院三明分院，福建 三明 365000)

竹子作為重要的可再生森林資源，廣泛用于造紙、家居、建筑板材等領域中。然而，在這些產(chǎn)業(yè)中，利用的多是竹稈部分，竹材利用率始終徘徊在 35%～40%左右，在原材料的加工過程中，竹屑達到原材料的60%～70%[1]。因此，如何高效利用竹屑，成為不少學者的研究方向，其中辜夕容等對竹屑的資源化利用進行了系統(tǒng)的分析[2]，周承杰等研究了竹屑用于生物質(zhì)發(fā)電的可能性，大量的研究表明竹屑具備作為一種可再生的生物質(zhì)燃料的特性[3-7]。

三明市氣候和地貌形態(tài)適合竹類作物的生長，目前是福建毛竹的重要產(chǎn)地之一[8]。毛竹資源豐富，促進了三明毛竹加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前三明毛竹加工產(chǎn)業(yè)主要為原材料的初步加工、竹制家具、竹制工藝品等[9]，因生產(chǎn)工藝需求，大部分加工企業(yè)均需要工業(yè)鍋爐，主要用途為利用飽和蒸汽作為竹材干燥提供熱源以及為壓板設備提供動力。根據(jù)當?shù)氐沫h(huán)保政策，在做好煙氣處理的前提下，可以有條件的使用生物質(zhì)散料原料作為鍋爐燃料。

研究為確定毛竹生產(chǎn)企業(yè)鍋爐的熱效率狀況，對轄區(qū)內(nèi)毛竹加工企業(yè)134臺鍋爐采用能量平衡法進行了能效測試[10]，收集了竹屑燃料及其灰渣的主要性能數(shù)據(jù)以及鍋爐熱損失數(shù)據(jù)。建立了鍋爐能量平衡分析模型，隨后計算分析了鍋爐的熱效率、熱損失情況。得出了鍋爐熱效率及其各主要熱損失項所占的比率，確定了影響鍋爐熱效率的因素，并分析了竹屑燃料鍋爐節(jié)能降耗的潛力。最后，提出了減少能源損失、提高鍋爐效率的措施。

1 鍋爐能量平衡法測試模型

因測試數(shù)量較大，竹屑燃料使用量測量比較困難，選用能量平衡法進行工業(yè)鍋爐熱效率測試[10]，其原理為利用能量守恒原理，通過測量未被鍋爐利用的熱量來計算鍋爐熱效率，見圖1。采用該方法可以直觀竹屑完全燃燒產(chǎn)生的總能量的各個去向，便于分析能耗的具體情況。

計算公式為

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6)

(1)

式中：q2為排煙熱損失，%；q3為氣體未完全燃燒熱損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%。

根據(jù)文獻所提供的各項熱損失的計算公式，測試數(shù)據(jù)后計算出鍋爐熱效率情況。

圖1 鍋爐能量平衡法熱效率測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal efficiency test by boiler energy balance method

2 鍋爐熱效率測試結果與分析

2.1 主要測試結果

自2020年開始，用2 a時間對134臺毛竹加工企業(yè)的蒸汽鍋爐進行了熱效率測試，涵蓋了轄區(qū)內(nèi)在用的所有毛竹加工業(yè)的工業(yè)鍋爐。其中工業(yè)蒸汽鍋爐133臺，工業(yè)有機熱載體鍋爐1臺。鍋爐蒸發(fā)量以4 t·h-1及以下的小型工業(yè)鍋爐為主，具體分布見圖2。主要測試結果如表1，主要技術指標合格率及其余熱回收設備配置情況見表2。

圖2 鍋爐蒸發(fā)量分布Fig.2 Boiler evaporation distribution

表1 鍋爐熱效率測試結果匯總表

表2 主要技術指標合格率及其余熱回收設備配置情況

2.根據(jù)鍋爐額定出力及運行情況，測試樣本中有機熱載體鍋爐排煙溫度不高于210 ℃，蒸汽鍋爐排煙溫度不高于170 ℃[11]

表3 竹屑燃料的主要分析數(shù)據(jù)(空氣干燥基)

2.2 分析討論

根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)可見，竹屑燃料鍋爐熱效率合格率僅為53.7%，整體熱效率較低，能效水平的提升空間很大。通過對測試結果的分析發(fā)現(xiàn)，主要熱損失為q2和q4，即排煙熱損失和固體未燃燒熱損失，尤其是q2，其平均值占到所有結果熱損失平均值的70%。根據(jù)測試方法，q3最大值為1%，q5根據(jù)文獻10附錄匯中根據(jù)鍋爐額定出力及負荷查表選取，該兩項熱損失鍋爐之間差距較小。由于竹屑灰分較低，因此爐渣和飛灰量低，因此灰渣物理熱損失q6很低，從測試結果來看，均低于0.1%。從表1、表2、表3數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，竹屑燃料鍋爐熱效率主要影響因素為排煙溫度、過量空氣系數(shù)、燃料含水量、飛灰可燃物含量等。

3 熱效率影響因素分析

3.1 排煙溫度

3.1.1排煙溫度情況 通過對測試結果分析發(fā)現(xiàn)測試的134臺竹屑燃料鍋爐中，平均排煙溫度為169.7 ℃，最高值為310.0 ℃。其中符合標準排煙溫度的合格數(shù)為87臺，合格率僅為64.9%。根據(jù)排煙熱損失的計算公式(2)，排煙溫度與入爐冷空氣溫度之差和排煙熱損失q2成正比，因測試樣本入爐冷空氣溫度基本和鍋爐所處地室溫一致，因此降低排煙溫度是提高鍋爐熱效率的主要措施。

(2)

式中:tpy——排煙溫度， ℃；αpy——煙氣側過量空氣系數(shù)；tlk——入爐冷空氣溫度， ℃；m和n為燃料的計算系數(shù)，按照TSG G0003-2010查表5-1選取。

3.1.2排煙溫度高的主要原因 (1)鍋爐尾部受熱面不足。由于部分老舊鍋爐設計時受熱面已不符合現(xiàn)有標準的要求，或者設計燃料與現(xiàn)有燃料不一致，并且鍋爐未安裝節(jié)能器、省煤器等設備，導致鍋爐尾部受熱面不足，因而引起排煙溫度過高。(2)煙側受熱面積灰或結焦。因竹屑燃燒過程中，熱解出焦油類物質(zhì)[3]，若未被燃燒完全，附著在溫度較低的受熱面，會產(chǎn)生結焦或使飛灰附著在受熱面上。另外竹材燃燒時候，如果爐膛溫度過高，可能產(chǎn)生燒結現(xiàn)象[12]，該現(xiàn)象若出現(xiàn)在鍋筒底部，可能附著于鍋筒受熱面。上述行為會提高鍋爐受熱面熱阻，使排煙溫度提高。

圖3 空氣過量系數(shù)對各種熱損失和鍋爐熱效率的影響Fig.3 Effect of excess air coefficient on various heat losses and boiler thermal efficiency

3.2 排煙處過量空氣系數(shù)

3.2.1過量空氣系數(shù)情況 根據(jù)表2可知，測試鍋爐的過量空氣系數(shù)αpy平均值遠高于標準要求，合格率僅為8.2%，測試的原始數(shù)據(jù)表明過量空氣系數(shù)在測試過程中波動很大。過量空氣系數(shù)過高會使鍋爐煙氣量大量增加，煙氣通過煙囪排除帶走大量的熱量，影響鍋爐熱效率。根據(jù)相關研究，層燃鍋爐過量空氣系數(shù)應低于1.65[12]，但不能太低，過低可能會因使助燃氧氣不足可能造成氣體未完全燃燒產(chǎn)生熱損失以及固體未完全燃燒熱損失，過量空氣系數(shù)和各項熱損失關系見圖3[13]，圖中α0為過量空氣系數(shù)最優(yōu)值，一般而言，α0不是一個常數(shù)，隨著鍋爐負荷的增加而降低[14]。

3.2.2過量空氣系數(shù)過高的主要原因 (1)測試樣本鍋爐大部分為層燃鍋爐，使用竹屑作為燃料時通過人工給料，造成爐排上燃料分布不均勻，導致助燃空氣從爐排底部進入鍋爐后，部分空氣未與燃料接觸便隨著煙氣往鍋爐煙管流走。(2)竹屑中主要成分有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，其中纖維素和半纖維素占比達到了50%～65%[15]。燃燒前期，半纖維素和纖維素在較低溫度時快速分解產(chǎn)生大量揮發(fā)分，需要大量的助燃空氣，因此竹屑燃燒過程對助燃空氣的需求是間歇性的，在揮發(fā)份燃燒階段需要大量空氣[16]，之后固定碳燃燒時對空氣需要減少，導致空燃比的調(diào)整較為困難。(3)燃料的粒度較小且含水量高，進入爐膛后燃料堆集在一起，助燃空氣無法吹起燃料。導致燃料堆集中心與無法空氣的接觸，從而導致空氣過量系數(shù)偏高。

3.3 燃料含水量及飛灰可燃物含量

3.3.1結果分析 根據(jù)測試結果，測試樣本燃料含水量最大值為46.6%，最小值為3.6%，平均值為26.0%。飛灰可燃物含量最大值為91.08%，最小值為6.94%，平均值為50.97%?？梢娙剂虾亢惋w灰可燃物含量均較高。

表4 鍋爐樣本飛灰可燃物含量和燃料收到基水分結果表

3.3.2燃料含水量對鍋爐熱效率的影響 (1)燃料水分增加了燃料中不可燃部分的質(zhì)量分數(shù)，且在燃燒過程中，水分的蒸發(fā)吸熱消耗燃料的熱量。(2)水分的蒸發(fā)降低了燃料周邊的爐膛溫度，導致部分揮發(fā)分因達不到著火溫度而未完全燃燒，因此，測試發(fā)現(xiàn)雖然煙氣含氧量偏高，但仍然存在較大的CO含量的現(xiàn)象。

3.3.3飛灰可燃物含量分析 竹屑燃燒時揮發(fā)分含量高，揮發(fā)分揮發(fā)后迅速燃燒消耗大量的助燃氧氣，剩余燃料中的焦炭因沒有足夠的氧氣使其燃燒，且顆粒細小，易隨著煙氣帶入鍋爐煙循環(huán)系統(tǒng)中，最終形成雖然過量空氣系數(shù)偏高但飛灰可燃物含量依然普遍偏高的現(xiàn)象。飛灰中的可燃物未完全燃燒提高了竹屑未完全燃燒熱損失，降低了鍋爐效率。

4 節(jié)能措施

綜上分析結果，對排煙溫度過高、空氣過量系數(shù)過大、燃料含水量大以及飛灰可燃物含量偏高等因素進行研究，提出了以下有針對性的節(jié)能措施。

4.1 對尾部受熱面不足的鍋爐增加尾部受熱面

針對測試中發(fā)現(xiàn)排煙溫度高的鍋爐，建議增加空氣預熱器或者常壓節(jié)能器作為尾部受熱面，從而降低排煙溫度，提高熱效率。特別是空氣預熱器，通過對助燃空氣進行加熱，可以降低燃料水分對爐膛溫度的影響。

4.2 改進給料方式

將傳統(tǒng)的人工給料方式改為風力給料方式，并適當調(diào)整給料機的角度，增加燃料在爐膛內(nèi)的停留時間，增加燃料和空氣混合度，使燃料有足夠的時間進行干燥、揮發(fā)份析出、揮發(fā)分燃燒、固定碳燃燒等反應。

4.3 改進爐膛結構

通過增加爐膛容積的方式克服竹屑揮發(fā)分高不易完全燃燒的問題[17]。有條件的可以對鍋爐進行進一步改造，采用分級燃燒方式將爐膛進行分級配溫配配風，解決過量空氣系數(shù)高、飛灰可燃物含量高等問題。

4.4 對燃料進行預處理

可利用尾部煙氣或太陽能將竹屑進行干燥預處理，適當降低燃料含水量，提高燃料利用率。具備條件或者燃料需求量大的可以將竹屑加工成成型顆粒后再作為燃料使用，可以進一步提高燃料利用率。[18]

4.5 改進助燃空氣

通過設置二次風、改進爐排進風配比以及將冷風改為熱風等方式，優(yōu)化爐內(nèi)空氣動力場，提高燃料燃盡率，降低飛灰可燃物含量[19]。另外，通過向助燃空氣中添加一定量的氧氣，將助燃空氣的氧含量提高到30%～40%[20]，可達到提高燃料燃盡率和降低過量空氣系數(shù)的效果。

5 結論

基于134臺竹屑燃料工業(yè)鍋爐熱效率測試結果，從鍋爐結構、燃料、助燃空氣等方面對影響鍋爐熱效率的相關因素進行了分析， 并提出了提升鍋爐燃料使用效率的措施，為竹加工廢料綜合利用提供參考。