提高CFB鍋爐效率及節(jié)能降耗措施分析

荊曉磊

（中國石化天津分公司，天津300000）

熱電工程#8、#9、#10CFB鍋爐是某企業(yè)100萬噸/年乙烯及配套項(xiàng)目主要的配套裝置之一，主要包括3臺465 t/h循環(huán)流化床鍋爐（CFB）。其鍋爐效率約為90%，其中絕大部分的熱損失為排煙熱損失與物理未完全燃燒熱損失。每年燃燒石油焦及煤折算后約為200萬噸，提升1%鍋爐效率即可節(jié)約2萬噸煤。并且隨著碳達(dá)峰限期的臨近，可供燃燒的煤趨于恒定，為滿足外界需求，增產(chǎn)創(chuàng)利，必須提升鍋爐效率。

1 基于正反平衡法提高CFB鍋爐熱效率的措施[1]

鍋爐熱效率是反映鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，實(shí)際負(fù)荷在額定值的75%～100%之間熱效率最高。以該廠CFB鍋爐為例，其運(yùn)行負(fù)荷多為350～440 t/h，屬于高效區(qū)間，因此具備較高的鍋爐效率。鍋爐熱效率的計(jì)算方法有正平衡法和反平衡法兩種。正平衡法為對比鍋爐所產(chǎn)生的熱量與燃料所具備的熱量，見公式（1）。

其中，B為鍋爐蒸發(fā)量，t/h，可由盤前表計(jì)得出；h1為蒸汽焓值，kJ/kg，根據(jù)焓熵圖得出；h2為給水焓值，kJ/kg，根據(jù)焓熵圖得出；F為燃料放出的全部熱量，kJ，根據(jù)投料量與低位發(fā)熱量乘積求出。

反平衡法通過分析鍋爐在生產(chǎn)過程中的各種熱損失推算出鍋爐熱效率，見公式（2）。

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

通過分析影響鍋爐正反平衡的因素并加強(qiáng)改造，減少熱損失，從而提高鍋爐效率。

1.1 控制排污量

在鍋爐其他條件不變的情況下，爐水pH值與蒸發(fā)量有直接關(guān)系，因此鍋爐運(yùn)行中對爐水品質(zhì)要求嚴(yán)格。降負(fù)荷時(shí)，蒸汽量逐步減少，爐水中的鈣、鎂離子減少，pH降低，堿度下降；并且只有保證在堿性溶液中，才能生成流動(dòng)性較強(qiáng)的、容易排出的水渣。如爐水呈酸性，還會造成設(shè)備的腐蝕。以該廠CFB鍋爐為例，通過加入氨水至除氧器中控制給水的pH在9.2～9.6；通過加入磷酸三鈉至汽包維持爐水pH在9.0～9.7。由于加藥會產(chǎn)生水渣以及大量處于上部的離子物質(zhì)，因此需要一定的排污率來控制爐水品質(zhì)在合格區(qū)間并排出水渣，達(dá)到汽包的良好穩(wěn)定運(yùn)行。

鍋爐排污率過高造成汽包內(nèi)大量飽和水流失，導(dǎo)致熱量與水資源的浪費(fèi)，同時(shí)污染環(huán)境。從正平衡公式（1）可以看出，鍋爐蒸發(fā)量B必然降低，因此鍋爐效率會受到影響。保證良好的排污率是提升鍋爐效率的方法，其中爐水中的硅離子以及電導(dǎo)率可以較直觀反映爐水中各種離子的數(shù)量，通過控制硅離子的數(shù)值來改變排污率，使硅離子含量在經(jīng)濟(jì)性的數(shù)值范圍之內(nèi)，相應(yīng)降低連排量。同時(shí)對排污水進(jìn)行利用，以該廠為例設(shè)置有連排擴(kuò)容器，排污水進(jìn)入連排擴(kuò)容器后產(chǎn)生二次蒸汽，經(jīng)過汽水分離后進(jìn)入除氧器進(jìn)而演變?yōu)殄仩t給水，減少熱損失，提高鍋爐效率。

1.2 加強(qiáng)鍋爐密封[2]

通過反平衡公式（2）可知，排煙熱損失q2是影響鍋爐效率的重要參數(shù)。當(dāng)鍋爐密封性較差，漏風(fēng)系數(shù)較高時(shí)，排煙熱損失提高。這是由于鍋爐處于微負(fù)壓狀態(tài)，當(dāng)密封較差時(shí)空氣會吸入爐膛內(nèi)，造成空氣系數(shù)上升以及煙氣量增大，提高引風(fēng)機(jī)的出力，并且如果爐膛漏風(fēng)明顯，大量冷風(fēng)進(jìn)入爐膛中會對床溫造成影響，影響鍋爐運(yùn)行狀況，進(jìn)而降低鍋爐效率。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，漏風(fēng)系數(shù)每上升0.1，排煙熱損失將會增加0.2%～0.4%，因此及時(shí)提高密封性具有重要意義。該廠CFB鍋爐會在啟爐前進(jìn)行爐膛嚴(yán)密性測試，其步驟為：

（1）關(guān)閉所有人孔、觀察孔，打開所有待測通道。

（2）啟動(dòng)一次風(fēng)機(jī)，保證爐膛壓力500～1 000 Pa，在一次風(fēng)機(jī)入口逐漸加入干燥滑石粉，運(yùn)行20分鐘后停止。

（3）觀察爐膛及煙道各處有白灰的地方均為泄漏點(diǎn)，應(yīng)仔細(xì)檢查原因并進(jìn)行密封。

1.3 保證爐膛清潔

保證爐膛的清潔對提高傳熱有重要意義。鍋爐受熱面以及水循環(huán)系統(tǒng)受積灰、結(jié)焦、水溝影響明顯，這是由于雜質(zhì)會降低鍋爐傳熱效果。以結(jié)焦為例，焦塊導(dǎo)熱系數(shù)約為0.3 W/（m·k），而碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)46.5 W/（m·k），差距顯而易見。需要控制爐水和給水的加藥并與連排定排相呼應(yīng)，分別保證爐水品質(zhì)合格并實(shí)現(xiàn)無垢運(yùn)行，從而提升水循環(huán)的傳熱系數(shù)；為減少積灰與結(jié)焦的影響，需要進(jìn)行定期吹灰工作，以該廠CFB鍋爐為例，要求每天至少固定進(jìn)行4次吹灰，采用的是中壓蒸汽，設(shè)置有長伸縮吹灰器、半伸縮吹灰器、固定式吹灰器以及依靠工廠風(fēng)的聲波吹灰器，吹灰器可以對爐膛的受熱面進(jìn)行清掃，吹掉處于煙道內(nèi)裝置上附著的灰塵，提高傳熱系數(shù)，保證蒸汽溫度，提高蒸汽焓，并且由于表面灰渣的清除減少了灰渣熔化的可能性，降低了鍋爐受熱面結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)。傳熱系數(shù)提高，排煙溫度也會降低，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)3臺CFB鍋爐在進(jìn)行吹灰后，6 h內(nèi)的排煙溫度平均降低3 ℃，提高了鍋爐的熱效率。

1.4 設(shè)置煙氣余熱回收裝置

煙氣焓是很大的一部分熱量，煙氣在經(jīng)過過熱器、省煤器、空預(yù)器進(jìn)行換熱后的出口溫度在140～170 ℃之間，直接進(jìn)行除塵脫硫排放會造成較高的熱損失，這也是排煙熱損失q2是鍋爐主要熱損失的原因，因此需要對這部分熱量進(jìn)行利用。設(shè)置相變換熱器可有效降低排煙溫度，圖1所示為該廠9號爐相變系統(tǒng)原理，其布置在空預(yù)器后煙道處，類似于一個(gè)小型汽包，以水為循環(huán)介質(zhì)，水在相變換熱器內(nèi)被加熱成為蒸汽，蒸汽一部分與汽機(jī)側(cè)除鹽水進(jìn)行換熱，提高進(jìn)入除氧器的溫度；另一方面與未進(jìn)入空預(yù)器的冷一次風(fēng)、冷二次風(fēng)進(jìn)行熱交換，蒸汽放熱后液化為水，水繼續(xù)在煙道內(nèi)加熱生成蒸汽，如此往復(fù)循環(huán)，達(dá)到吸收煙氣溫度，降低排煙溫度的目的。經(jīng)過設(shè)置相變余熱回收系統(tǒng)，排煙溫度范圍降至110～140 ℃，吸熱效果顯著。提高一二次風(fēng)進(jìn)入空預(yù)器前的溫度，可以有效防止低溫腐蝕的發(fā)生，在提高鍋爐熱效率的同時(shí)，提高了空預(yù)器使用壽命，一舉兩得。

圖1 相變換熱器原理

1.5 合理配風(fēng)

CFB鍋爐在運(yùn)行中有明顯的密相區(qū)與稀相區(qū)，其對燃料燃燒影響顯著。密相區(qū)為大顆粒、高濃度的燃燒區(qū)，是一個(gè)儲存熱量的熱庫，燃料揮發(fā)份的析出和部分燃燒發(fā)生在該區(qū)域；爐膛上部為稀相區(qū)，其氣體含量高，固體顆粒小，大多數(shù)燃燒主要發(fā)生在此區(qū)域。因此需要合理操作保證配風(fēng)良好，達(dá)到降低熱損失，提高鍋爐效率的目的。

燃料在燃燒過程中需要空氣中的氧氣進(jìn)行助燃。由于燃料的不同以及負(fù)荷的變化，實(shí)際生產(chǎn)中的空氣量要高于理論需求的空氣量，其比值為空氣系數(shù)，通過進(jìn)行配風(fēng)操作可以改變空氣系數(shù)。當(dāng)空氣系數(shù)增加時(shí)，會使?fàn)t膛內(nèi)的氧氣含量增加，使燃燒更加充分，氣體不完全燃燒熱損失q3相對降低，固體不完全燃燒熱損失q4也隨之減少，但會使煙氣流速加快，排煙熱損失q2提高顯著，并且隨著氧含量增加，鍋爐排放物如氮氧化物、二氧化硫也會增加，進(jìn)而增加了尿素與石灰石的消耗；當(dāng)空氣系數(shù)進(jìn)一步提高，會嚴(yán)重影響爐膛床溫，對鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行與出力造成影響。當(dāng)空氣系數(shù)減少時(shí)，會使排煙熱損失降低，但不完全燃燒熱損失顯著提高，當(dāng)氧含量低于一定數(shù)值時(shí)會造成床溫超限，損傷設(shè)備，還會使一部分無法燃燒充分的燃料在尾部煙道二次燃燒，對鍋爐尾部煙道受熱面造成傷害，因此需要進(jìn)行合理配風(fēng)，保證各項(xiàng)損失之和較低。

1.6 配備高效冷渣器

CFB鍋爐在運(yùn)行過程中排出的高溫床料溫度在800 ℃左右，直接進(jìn)行排放不僅會使灰渣顯熱損失q6提高，還會影響環(huán)境，因此需要配備高效冷渣器對熱量進(jìn)行回收。以該廠CFB鍋爐為例，每臺爐子配備甲乙側(cè)兩個(gè)冷渣器，其結(jié)構(gòu)為采用風(fēng)力流化輸送的風(fēng)冷水冷一體化冷渣器，在內(nèi)部設(shè)有冷卻水盤管吸熱，底部為定向風(fēng)帽，使進(jìn)入的床料在內(nèi)部充分放熱，在運(yùn)行中冷渣器所排出的底渣溫度通常在100 ℃以下，大幅度降低了灰渣顯熱損失，提升鍋爐效率。在運(yùn)行過程中冷渣器可采用連續(xù)與間斷性運(yùn)行方式，目的在于保證床壓，維持鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行。

1.7 燃料潔凈與保溫完善[3]

鍋爐所采用的燃料會直接影響鍋爐熱效率，燃料與鍋爐設(shè)計(jì)不匹配會造成燃燒惡化、流化不良、床溫較低；燃料中含有大顆粒雜質(zhì)也會使冷渣器堵塞，影響鍋爐正常排渣，使鍋爐出力產(chǎn)生影響；燃料中的粒徑尺寸較大會導(dǎo)致燃燒不充分，物理不完全燃燒熱損失q4增加，大粒徑也會造成流化風(fēng)阻力增加，導(dǎo)致配風(fēng)難以實(shí)現(xiàn)均勻化，因此選用適宜燃料尤為重要。

鍋爐爐膛及管線直接暴露在環(huán)境中會造成散熱損失q5大幅度增加，并且隨著鍋爐容量的增加，散熱損失呈降低趨勢，為此需要合適的保溫耐熱材料，使表面散熱量在合理范圍內(nèi)。根據(jù)公式（3）可計(jì)算所需保溫層厚度：

其中δ為保溫層厚度，m；k為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；tf為爐墻外壁溫度，k；t0為環(huán)境溫度，k；Q為散熱量，w；a為保溫層與外界環(huán)境之間的綜合換熱系數(shù)，計(jì)算公式見式（4）：

式中：v為環(huán)境中的風(fēng)速，m/s，由公式（3）可以看出，選用導(dǎo)熱系數(shù)較小，厚度較大的保溫材料可以有效降低表面散熱量，進(jìn)而提升鍋爐效率。

2 其它節(jié)能降耗措施[4]

2.1 設(shè)置蒸汽蓄熱器

在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，鍋爐的主汽壓力與外界需求息息相關(guān)。以該廠CFB鍋爐為例，3臺CFB鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽一部分去往汽輪機(jī)進(jìn)行膨脹做功；一部分作為煉化所需供氣前往中沙石化。當(dāng)外界所需負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，主汽壓力波動(dòng)明顯，甚至有時(shí)會不在11.5～12.3 MPa的要求范圍之內(nèi)，對安全運(yùn)行造成影響；當(dāng)壓力變化時(shí)僅增長鍋爐負(fù)荷，要經(jīng)過燃燒、蒸發(fā)、過熱階段，行程較長，還會出現(xiàn)追著壓力走不斷增加和減少給料量的現(xiàn)象。當(dāng)主汽壓力和主汽溫度同時(shí)過低時(shí)會造汽輪機(jī)末級蒸汽液化，汽輪機(jī)帶水造成損傷的事故；而主汽壓力過高時(shí)中沙石化會自動(dòng)將過熱蒸汽對空排放，也是對能源的浪費(fèi)，因此蒸汽蓄熱器十分必要，其原理如圖2所示。當(dāng)主汽壓力過高時(shí)，產(chǎn)生的多余蒸汽進(jìn)入蒸汽蓄熱器，蓄熱器內(nèi)部為飽和水，類似于一個(gè)小汽包，蒸汽進(jìn)入后與飽和水換熱，提高內(nèi)部水及蒸汽的焓值，同時(shí)增加蓄熱器壓力；當(dāng)主汽壓力偏低不能滿足外界需求時(shí)，由于蓄熱器內(nèi)部壓力較高，會產(chǎn)生過熱蒸汽進(jìn)入到供氣管線當(dāng)中，對壓力進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到削峰填谷的作用。

圖2 蒸汽蓄熱器原理

2.2 降低設(shè)備耗能

對鍋爐生產(chǎn)中所需要的耗能設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格管控和節(jié)能改造是降低設(shè)備耗能的重要措施。以風(fēng)機(jī)為例，應(yīng)合理配風(fēng)，保證較低的氧量，降低風(fēng)機(jī)電流從而降低風(fēng)機(jī)能耗，同時(shí)應(yīng)避免設(shè)備不匹配的現(xiàn)象，使風(fēng)機(jī)出力滿足鍋爐生產(chǎn)所需，又不至于“大牛拉小車”；以給水系統(tǒng)為例，較高的給水壓力可以保證汽包水位的穩(wěn)定性，防止發(fā)生事故時(shí)水位供給不足的現(xiàn)象，但較高的給水壓力會造成給水泵耗能大幅增加，在保證安全運(yùn)行的前提下適當(dāng)降低給水壓力，是降低給水泵單耗的重要措施；最后要保證各設(shè)備開關(guān)的合理性，避免無效能耗。

2.3 供需對應(yīng)

保證鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽量與外界相對應(yīng)，并且盡可能降低主汽管線到用汽設(shè)備的距離，這樣可以降低因路徑摩擦而造成的沿程損失和因?yàn)楣苈窂澢蛘唛y門過多造成的局部損失。以該廠3臺CFB鍋爐為例，其中8號爐正對8號機(jī)，而9、10號爐距離8號機(jī)有一定的距離。當(dāng)8號爐啟用時(shí)，鍋爐輸出的壓力與汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力僅有0.2～0.3 MPa的損失；而當(dāng)8號爐停爐期間，該蒸汽壓力損失高達(dá)0.5 MPa，其能力損失絕大部分用于路程做工和散熱。因此將供需結(jié)合且減少損失是節(jié)能降耗的方法。

2.4 鍋爐副產(chǎn)物利用

鍋爐運(yùn)行中會產(chǎn)生除蒸汽外的副產(chǎn)物，對這些副產(chǎn)物加以利用是節(jié)能降耗的又一方法。二氧化硫是鍋爐運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的有害氣體，應(yīng)嚴(yán)格管控。以該廠CFB鍋爐為例，需要在爐膛內(nèi)投入大量的石灰石用以減少二氧化硫的生成。經(jīng)過第一步脫硫的煙氣會進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行凈化，然后送入吸收塔與石灰漿反應(yīng)，在完成第二步脫硫的同時(shí)產(chǎn)生有價(jià)值的石膏。CFB鍋爐燃燒后剩下的底渣成分包括硫酸鈣、二氧化硅等物質(zhì)，灰渣是一種較好的具有活性的混合材料，可用于水泥混凝土的制備。

3 結(jié)論

該文針對影響CFB鍋爐熱效率的因素進(jìn)行分析歸納，根據(jù)鍋爐正反平衡公式得出，通過控制鍋爐排污率、加強(qiáng)鍋爐密封、提高鍋爐清潔度、合理配風(fēng)、完善保溫層、設(shè)置高效冷渣器和增加余熱回收系統(tǒng)可以提高鍋爐熱效率，降低熱損失；并且針對某廠CFB鍋爐提出了節(jié)能降耗的可行性措施，包括設(shè)置蒸汽蓄熱器避免蒸汽浪費(fèi)、減少設(shè)備用電、保證供需對應(yīng)以及對鍋爐的副產(chǎn)物加以利用，可大幅降低鍋爐耗能，從而達(dá)到低碳、低排放、高爐效的綠色發(fā)展。