10 t/h生物質(zhì)飽和蒸汽鍋爐能效研究

邵東偉，馮海城，欒積毅，韓 平，姜東華，劉文斌，鐘海濤

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

隨著我國資源與環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，生物質(zhì)作為可再生的清潔能源得到推廣[1-4]，在熱電廠、發(fā)電廠及加工企業(yè)應(yīng)用日益增多[5]?！笆濉逼陂g，生物質(zhì)成型燃料鍋爐作為10 t/h以下小型燃煤鍋爐替代方案之一，有較廣泛的應(yīng)用[6-7]。選擇使用生物質(zhì)成型燃料來替代煤炭，使生物質(zhì)成型燃料鍋爐的使用范圍和使用量不斷增加，且已形成了一定的規(guī)模[8-9]。在雙碳目標(biāo)戰(zhàn)略背景下[10]，生物質(zhì)作為唯一的零碳排放資源，在碳中和目標(biāo)需求下發(fā)揮著重要作用。

20世紀(jì)90年代，美國等一些發(fā)達(dá)國家對生物質(zhì)成型燃料鍋爐的研究基本成熟，普遍應(yīng)用于供暖、加熱、發(fā)電和干燥等領(lǐng)域[11]；而我國生物質(zhì)鍋爐的研發(fā)、運(yùn)行和測試等研究還不完善[12]。王善武等[13]對國內(nèi)外鍋爐節(jié)能現(xiàn)狀進(jìn)行對比，指出運(yùn)行方面的不足，從技術(shù)監(jiān)測等方面提出改進(jìn)措施；何育恒等[14]對小型鍋爐進(jìn)行了測試，根據(jù)測試結(jié)果提出適用于生物質(zhì)鍋爐設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；戚勝等[15]對燃煤改生物質(zhì)鍋爐能效進(jìn)行測試，結(jié)果符合鍋爐節(jié)能技術(shù)要求。

綜上，為了客觀反映過程能效水平，進(jìn)一步完善鍋爐能效評價方法[16-18]，在用能側(cè)工況條件下，按照2 min時間步長，對鍋爐蒸汽溫度、蒸汽壓力、蒸汽流量、累計蒸汽流量、補(bǔ)水溫度、補(bǔ)水流量和排煙溫度等指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測[19-21]。通過測試分析與計算，明確了生產(chǎn)過程的用能狀況，為鍋爐提效改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器

測試中各參數(shù)采集方法依據(jù)GB/T 10180-2017，測試計量儀器和準(zhǔn)確度等級見表1。

表1 生物質(zhì)鍋爐能效測試儀器

1.2 理論依據(jù)

生物質(zhì)蒸汽鍋爐能效監(jiān)測依據(jù)TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》，指標(biāo)判斷依據(jù) TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》和《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》。

1.3 燃料特性

蘆葦顆粒工業(yè)分析及熱值見表2。

表2 工業(yè)分析及熱值

1.4 監(jiān)測項(xiàng)目及方法

在生產(chǎn)過程中，對用能側(cè)和鍋爐的瞬時蒸汽流量、瞬時蒸汽壓力、累計蒸汽流量、瞬時蒸汽溫度及冷凝水溫度進(jìn)行監(jiān)測，每隔30 min采集一次數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計算該企業(yè)生產(chǎn)三型板和五型板產(chǎn)品的蒸汽用量及同時段蒸汽產(chǎn)量。

能效測試前鍋爐需要穩(wěn)定運(yùn)行8 h，確保爐膛內(nèi)部及爐墻溫度穩(wěn)定，主要測試項(xiàng)目為瞬時蒸汽溫度、瞬時蒸汽壓力、瞬時蒸汽流量、累計蒸汽流量、補(bǔ)水溫度、補(bǔ)水流量、排煙溫度、O2濃度、CO濃度、飛灰含碳量、爐渣含碳量及燃料消耗量進(jìn)行測試，測試時間為1 h，每隔2 min記錄一次數(shù)據(jù)，積分得出各測試參數(shù)的均值，計算鍋爐的正反平衡效率。

2 熱效率及計算方法

2.1 正平衡測試及結(jié)果

2.1.1 補(bǔ)水流量和冷凝水流量

鍋爐補(bǔ)水的瞬時流量數(shù)據(jù)如圖1所示。對圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行積分得到鍋爐補(bǔ)水量為1.223 t/h。鍋爐產(chǎn)汽量為4.186 t/h，忽略蒸汽在輸送過程中的損失，計算得到冷凝水回流量為2.963 t/h。

圖1 補(bǔ)水流量

2.1.2 補(bǔ)水焓值、冷凝水焓值及飽和蒸汽溫度

根據(jù)瞬時補(bǔ)水溫度數(shù)據(jù)，積分得出補(bǔ)水溫度約為11.117 ℃，焓值為46.707 kJ/kg。冷凝水溫度是通過輻射式溫度計獲得冷凝水回流管壁溫度，積分得出冷凝水管壁溫度為112.235 ℃。由于管壁和冷凝水之間溫度相差約40 ℃，估算冷凝水溫度為152.235 ℃，其焓值為641.909 kJ/kg。積分得到飽和蒸汽溫度為183.253 ℃，其焓值為2 779.99 kJ/kg。

2.1.3 燃料量計量

由于燃料存放兩個料倉中，無法準(zhǔn)確計量。通過該企業(yè)提供數(shù)據(jù)，相同生產(chǎn)負(fù)荷連續(xù)10日的日均燃料用量10.172 t，日均生產(chǎn)時長約為12 h，估算燃料用量847.667 kg/h。

2.1.4 正平衡計算

由于鍋爐冷凝水直接回到鍋筒內(nèi)，根據(jù)有效利用熱計算公式推導(dǎo)出正平衡計算公式為

(1)

式中η——正平衡效率/%；

Dg——補(bǔ)水流量/kg·h-1；

Qin——低位發(fā)熱量/kJ·kg-1；

Dl——冷凝水流量/kg·h-1；

i——飽和蒸汽焓值/kJ·kg-1；

ig——補(bǔ)水焓值/kJ·kg-1；

il——冷凝水焓值/kJ·kg-1；

B——燃料消耗量/kg。

通過計算，鍋爐正平衡效率計算結(jié)果為74.22%。

2.2 反平衡結(jié)果

2.2.1 排煙損失(q2)

通過煙氣平行采樣儀監(jiān)測，鍋爐在運(yùn)行期間煙氣中氧含量均值12.49%。過量空氣系數(shù)計算公式為

(2)

式中αpy——過量空氣系數(shù)；

α0——氧氣含量/%。

通過計算，過量空氣系數(shù)為2.47。

通過排煙溫度的數(shù)據(jù)，得到排煙溫度均值為233.075 ℃。排煙損失計算公式為

(3)

式中m、n——計算系數(shù)；

αds——排煙處過量空氣系數(shù)；

tds——排煙溫度/℃；

tca——空氣溫度/℃。

通過計算，排煙損失為21.23%。

2.2.2 氣體未完全燃燒熱損失(q3)

通過煙氣平行采樣儀測試得到鍋爐燃燒時CO濃度均值為101.56 ppm，查表可得氣體未完全燃燒熱損失為0.2%。

2.2.3 固體未完全燃燒熱損失(q4)

分別在鍋爐后渣倉和前渣倉對灰渣和漏料取樣，在一個生產(chǎn)周期期間取三個子樣并混合成一個樣本，烘干粉碎后取1±0.1 g樣本放入馬弗爐，設(shè)定馬弗爐升溫程序?yàn)?0 min緩慢升至500 ℃，并保持30 min，之后繼續(xù)升溫到815±10 ℃，保持此溫度下灼燒1 h后放入干燥皿中冷卻至室溫后稱重，計算得到灰渣中可燃物含量和漏顆粒料量分別為1.65%和9.06%。由于該鍋爐飛灰產(chǎn)生量極低，可忽略飛灰可燃物含量。

固體未完全燃燒熱損失計算公式為

(4)

式中Aar——收到基灰分/%；

αas——飛灰含灰量占入爐顆粒料總灰量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%；

Cas——飛灰可燃物含量/%；

αcl——漏顆粒料含灰量占入爐煤總灰量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%；

Ccl——漏顆粒料可燃物含量/%；

αs——爐渣含灰量占入爐顆粒料總灰量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%；

Cs——爐渣可燃物含量/%。

式中αas、αcl、αs三種含量按表選取，同時應(yīng)滿足αas+αcl+αs=100。通過計算，固體未完全燃燒熱損失為0.21%。

2.2.4 散熱損失(q5)

目前，由于鍋爐的實(shí)際出力為4.186 t/h，未達(dá)到鍋爐額定出力的75%，因此，需要進(jìn)行對散熱損失進(jìn)行修正，修正公式為

(5)

式中q5lt——鍋爐散熱損失的查表值/kJ·(m2·h)-1；

Dr——鍋爐的額定蒸發(fā)量/kg·h-1；

Dout——輸出蒸汽量/kg·h-1。

通過查表可知，額定出力為10 t/h的蒸汽鍋爐q5lt為1.7%，通過公式修正后，散熱損失為4.06%。

2.2.5 爐渣熱損失(q6)

由于鍋爐采用濕法除渣，爐渣溫度無法得到，因此，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取爐渣溫度為300 ℃。爐渣熱損失計算公式為

(6)

式中 (ct)s——灰渣焓/kJ·kg-1；

通過計算，爐渣熱損失為0.07%。

2.2.6 反平衡計算

反平衡計算公式為

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6)

(7)

通過計算，反平衡效率為74.23%。

3 結(jié)合測試結(jié)果對用能系統(tǒng)的分析

3.1 蒸汽及損耗

圖2為廠區(qū)蒸汽及水流向圖，圖中細(xì)線表示蒸汽流向，粗線表示冷凝水和補(bǔ)水流向。由圖可知，從鍋爐出來的蒸汽分別流向一車間、三車間以及二車間中的干燥室，部分冷凝水分別在一車間和三車間收集后回到鍋筒中。同時，鍋爐房內(nèi)裝有補(bǔ)水系統(tǒng)，可將室溫的水經(jīng)過省煤器送入鍋筒。

圖2 廠區(qū)蒸汽及水流向圖

圖3為廠區(qū)能流圖。由圖可知，鍋爐產(chǎn)出的蒸汽通過管道輸送到三個車間。通過現(xiàn)場監(jiān)測，一車間生產(chǎn)五型板蒸汽用量高于生產(chǎn)三型板，三車間蒸汽主要用于生產(chǎn)三型板，二車間蒸汽主要用于紙板烘干。由于鍋爐的蒸汽出口法蘭密封性較差，存在一部分的泄漏損失，因此蒸汽在輸送過程中管道上有一定的散熱損耗。

圖3 能流圖

生產(chǎn)過程中蒸汽使用分為直接使用和間接使用兩種，其中，直接使用蒸汽是將蒸汽直接噴在紙板上，冷凝水無法回收。間接使用蒸汽主要用于生產(chǎn)過程中烘干紙板，產(chǎn)生的冷凝水，一部分冷凝水被排掉，另一部分被收集回到鍋爐內(nèi)。一車間和二車間的烘干室主要用來烘干成型紙板，使用蒸汽時產(chǎn)生的冷凝水無法回收。一車間烘干室管道與蒸汽主管道相連接，所用蒸汽量被算在一車間蒸汽用量中；二車間中的烘干室是單獨(dú)一根管道，不與任何管道相連，因沒有安裝流量計，無法計算二期車間烘干室蒸汽用量，因此二車間烘干室蒸汽用量只能估算如下：

取蒸汽在管道中的流速為30 m/s，壓力為1 MPa，六分管內(nèi)徑為20.5 mm，烘干室的飽和蒸汽流量計算公式為

(8)

式中v——蒸汽流速/m·s-1；

V——飽和蒸汽比容/m3·kg-1；

d——管道內(nèi)徑/m；

ms——飽和蒸汽流量/kg·h-1。

通過計算得出，烘干室中蒸汽流量為201.132 kg·h-1，烘干室24 h工作，因此二車間烘干室每天的蒸汽用量為4 827.168 kg。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，鍋爐每天最高蒸汽產(chǎn)量45.773 t。其中，一車間每天蒸汽使用量為29.397 t，占總蒸汽產(chǎn)量的64%；三車間每天蒸汽用量為8.509 t，占總蒸汽產(chǎn)量的19%；二車間烘干室的蒸汽用量經(jīng)過估算占總蒸汽產(chǎn)量的10%；每日總損耗為3.04 t，占總蒸汽產(chǎn)量的7%。根據(jù)公司提供的數(shù)據(jù)，蒸汽用量每生產(chǎn)1萬m2紙板消耗1.31 t蒸汽。實(shí)際監(jiān)測分析得出，當(dāng)天每生產(chǎn)1萬m2紙板消耗1.15 t蒸汽。

3.2 蒸汽使用規(guī)律

通過對鍋爐房、一車間和三車間的瞬時蒸汽流量同時監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)積分得到以上三處每小時蒸汽產(chǎn)用量，如圖4所示，其中圖(a)為鍋爐房瞬時蒸汽流量，圖(b)為一車間瞬時蒸汽流量，圖(c)為三車間瞬時蒸汽流量。通過積分可知，鍋爐房的產(chǎn)汽量約4.186 t/h，一車間的用汽量約2.775 t/h，三車間的用汽量約0.713 t/h。由于一車間分別生產(chǎn)三型板和五型板，因此對一車間生產(chǎn)三型板和五型板時用汽規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，其中圖(a)為生產(chǎn)三型板時瞬時蒸汽流量，圖(b)為生產(chǎn)五型板時瞬時蒸汽流量。通過積分可得，生產(chǎn)三型板時蒸汽用量約2.361 t/h，生產(chǎn)五型板時蒸汽用量約4.317 t/h。

圖4 廠間瞬時蒸汽流量分布圖

圖5 生產(chǎn)各板型瞬時蒸汽流量

用能側(cè)產(chǎn)品用汽規(guī)律的監(jiān)測結(jié)果，為企業(yè)生產(chǎn)用能管理提供了依據(jù)，方便企業(yè)結(jié)合產(chǎn)品類型提供用能指標(biāo)。鍋爐側(cè)可以依據(jù)用能側(cè)的明確用汽規(guī)律，有計劃調(diào)整負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

4 結(jié)論

作為工業(yè)生產(chǎn)供熱的工業(yè)鍋爐，運(yùn)行過程多為變工況狀態(tài)。為了客觀評價鍋爐變工況過程的能效水平，本文提出了結(jié)合用能側(cè)工況條件下的鍋爐變工況能效測試方法，并對某包裝企業(yè)配套的一臺10 t/h生物質(zhì)成型燃料飽和蒸汽鍋爐在一個生產(chǎn)周期期間，針對用能側(cè)需求的供能效果及鍋爐運(yùn)行能效進(jìn)行了測試，鍋爐進(jìn)行能效測試采用正反平衡法，同時對用能側(cè)的功能效果監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

(1)為了客觀反映過程能效水平，按照2 min時間步長，對鍋爐蒸汽溫度、蒸汽壓力、蒸汽流量、累計蒸汽流量、補(bǔ)水溫度、補(bǔ)水流量、排煙溫度、O2濃度、CO濃度、飛灰含碳量、爐渣含碳量及燃料消耗量等指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測，得出鍋爐正反平衡效率分別為74.22%和74.23%，正反平衡鍋爐熱效率之差為0.01%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)鍋爐測試期間的負(fù)荷均值為4.186 t/h，低于50%鍋爐額定出力，未達(dá)到鍋爐設(shè)計要求的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)；排煙溫度均值為233.075 ℃，過量空氣系數(shù)均值超過2，排煙損失約為21.23%。針對用能側(cè)工況的鍋爐變工況過程能效測試，能夠更客觀地反映鍋爐實(shí)際運(yùn)行性能，采用的測試方法對完善鍋爐能效評價具有重要意義。