甘蔗渣水分對蔗渣鍋爐節(jié)能運行重要性的研究

李春賢 張 坤 曾 添 李 彧

(廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院 南寧 530200)

低水分蔗渣所帶來的運行效益頗多,而降低蔗渣水分受到壓榨工藝的制約[1]。如何控制蔗渣入爐水分,是保證鍋爐安全、經(jīng)濟運行的要點之一[2],若能為鍋爐提供低水分燃料并保障爐膛溫度則是蔗渣爐節(jié)能運行的關(guān)鍵。

目前廣西壯族自治區(qū)內(nèi),有些糖業(yè)公司已在干燥蔗渣方面取得了一定效果,干燥設(shè)備后期運行雖然表現(xiàn)不太理想,但這些改進工作為后續(xù)的改進工作提供了寶貴的經(jīng)驗和教訓(xùn)。在這些改進系統(tǒng)中,筆者注意到一個現(xiàn)象：蔗渣在被熱介質(zhì)烘干帶走水分的過程中會發(fā)生體積膨脹且表面粗糙度增加。濕蔗渣在被導(dǎo)入有限空間內(nèi)初期是順利的,可隨著水分蒸發(fā)會發(fā)生體積膨脹和摩擦系數(shù)增大。這可能是蔗渣干燥系統(tǒng)發(fā)生堵塞的原因。一旦發(fā)生堵塞,則很難在短時間內(nèi)恢復(fù),影響生產(chǎn)。如果反復(fù)出現(xiàn)堵塞,那最后只能棄用該系統(tǒng)。

1 蔗渣燃料的各項分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.1 蔗渣燃料的工業(yè)分析

圖1是根據(jù)2018～2020年廣西壯族自治區(qū)內(nèi)幾家最具代表性的糖業(yè)集團公司的蔗渣燃料工業(yè)分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（樣本數(shù)量為114個）統(tǒng)計得到。從圖1統(tǒng)計結(jié)果來看：蔗渣收到基水分Mar平均值是48.68%,空干基水分平均值是Mad=2.11%,收到基灰分Aar平均值是2.10%,干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf平均值是86.31%。

圖1 蔗渣燃料工業(yè)分析

低灰分是這類蔗渣燃料的特點,筆者認為正是由于該特點（低灰分）使得燃燒該類蔗渣燃料鍋爐的熱效率普遍較高。因為按GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》（以下簡稱GB/T 10184—2015）[3]或GB/T 10180—2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》（以下簡稱GB/T 10180—2017）[4]計算后的燃料總灰量、機械不完全燃燒 損失、灰渣物理熱損失都比較小。

1.2 蔗渣鍋爐的各項熱損失統(tǒng)計

圖2是上述糖業(yè)公司蔗渣爐各項熱損失的統(tǒng)計。從圖2可以看出,該類型蔗渣爐的熱損失項中物理灰渣熱損失q6、固體未完全燃燒熱損失q4是較少的。這是由蔗渣燃料本身低灰分（Aar的平均值是2.10%）特性所導(dǎo)致的計算結(jié)果。

圖2 蔗渣鍋爐的各項損失

《電廠鍋爐原理及設(shè)備》[5]中關(guān)于q6的論述為：灰渣物理熱損失的大小主要與燃料中灰含量的多少、爐渣中純灰量占燃料總灰量的份額以及爐渣溫度高低有關(guān)。簡言之,q6的大小主要取決于排渣量和排渣溫度,而排渣溫度又與排渣方式有關(guān),液態(tài)排渣溫度高于固態(tài)排渣的,而固態(tài)排渣只有當(dāng)灰分很高時,即Aar≥Qar,net/419（%）時才考慮。

結(jié)合廣西壯族自治區(qū)內(nèi)糖廠鍋爐情況來看,蔗渣爐基本都是采用固態(tài)排渣,且蔗渣的收到基灰分基本都是2.10%左右,再把化驗燃料低位熱值數(shù)據(jù)（在下文會提到：7 996.05 kJ/kg）套入上述不等式中得：Aar（2.10%）≤Qar,net/419=19.08%,上述不等式不成立。

所以,蔗渣爐的低灰分特點使得在快速評估該鍋爐熱效率時可以忽略q6損失,這是符合實際大量測算結(jié)果的。

值得一提的是,鍋爐能效測試常用的煙氣分析儀對煙氣中烷烴類等可燃氣體成分測定是有限的,在有燃燒異常的情況時很難對烷烴類成分進行有效測量。這是今后工作中要多加關(guān)注的方面。

化學(xué)不完全燃燒熱損失q3是由于煙氣中存在可燃氣體造成的。因此煙氣中的可燃氣體含量越多,q3越大。影響煙氣中的可燃氣體含量的主要原因有爐內(nèi)過量空氣系數(shù)、燃料揮發(fā)分含量、爐膛溫度等。結(jié)合筆者多年來對廣西壯族自治區(qū)內(nèi)糖廠鍋爐能效測試工作的觀察以及對蔗渣燃料特性的理解：入爐前蔗渣水分都比較高,且揮發(fā)分含量也高,短時間內(nèi)大量投入爐膛內(nèi),會導(dǎo)致爐膛溫降低,產(chǎn)生大量的CO和烷烴類可燃氣體。這些可燃氣體若未能與熱空氣混合燃燒就被抽離出爐膛,則導(dǎo)致q3相應(yīng)增加。大多數(shù)蔗渣爐的設(shè)計、制造、安裝都是參照煤粉爐,爐膛結(jié)構(gòu)及二三次風(fēng)布置并不一定與蔗渣燃料特性相匹配,爐膛內(nèi)會存在燃燒死滯區(qū),這些都會導(dǎo)致q3增大。因此蔗渣爐或者是其他高水分、高揮發(fā)分燃料生物質(zhì)鍋爐,應(yīng)把q3作為重點考查項目。

1.3 蔗渣燃料低位收到基發(fā)熱量

圖3是上述糖業(yè)公司的蔗渣燃料氧彈測熱儀發(fā)熱量測定統(tǒng)計。結(jié)合圖1、圖3可以得出：蔗渣平均水分在48.68%左右時,它對應(yīng)的Qar,net平均值約為7 996.05 kJ/kg。顯然,高水分會使得燃料的Qar,net減少,排煙量增大,進而導(dǎo)致q2項增加。

圖3 蔗渣燃料收到基低位發(fā)熱量Qar,net

1.4 蔗渣燃料的物理顯熱討論

對于依靠外來熱源加熱燃料及開式系統(tǒng)使燃料干燥時,應(yīng)計算燃料的物理顯熱,并根據(jù)燃料的爐前狀態(tài)取用tr和燃料水分。若未經(jīng)預(yù)熱,則只有當(dāng)Mar≥Qar,net/630（%）時才須計算。以上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,套入該不等式得：Mar（48.68%）≥Qar,net/630=12.69%,不等式成立。因此對于蔗渣爐來說,把剛從壓榨工段送過來的高水分蔗渣直接投入爐膛燃燒,則蔗渣水分滿足該不等式,所以在計算鍋爐輸入熱量時應(yīng)考慮燃料的物理顯熱。

為此需要解決一個問題：要干燥到什么程度才可忽略蔗渣燃料物理顯熱呢？

以蔗渣的低位發(fā)熱量Qar,net=7 996.05 kJ/kg,Mad=2.11%作為討論對象,將其代入不同基低位發(fā)熱量之間的換算式子（代入百分數(shù)整數(shù)計算,下同）：Qar,net=(Qad,net+ 25Mad)(100-Mar)/(100- Mad)-25Mar。得到燃料空干基水分Mad=2.11%時,空干基低位熱值Qad,net=17 520.37 kJ/kg。

再假設(shè)：蔗渣Qad,net不變,而Mar是遞減變化的。套入上式,則可以算出在不同收到基水分條件下燃料相對應(yīng)的低位發(fā)熱值,見表1。

表1 不同收到基水分所對應(yīng)的低位發(fā)熱量

將上述數(shù)據(jù)制成圖4即可發(fā)現(xiàn)2條線存在1個“交點”,即忽略蔗渣燃料物理顯熱的臨界點。經(jīng)插值法計算,可得到這樣一個結(jié)果：蔗渣水分降至21.51% 時,可以忽略其帶入系統(tǒng)的物理顯熱。

圖4 忽略蔗渣燃料物理顯熱的臨界點

倘若非要計算高水分蔗渣帶入系統(tǒng)的物理顯熱,那么也可以參考GB/T 10184—2015的7.2.2條以及附錄F來展開討論。

物理顯熱按式（1）計算：

式中：

Qf——燃料物理顯熱,kJ/kg；

tf——進入系統(tǒng)邊界的燃料溫度,按實際測量溫度一般為55～65 ℃,在此取65 ℃；

tre——基準溫度,按標(biāo)準取25 ℃；

Cf——固體燃料比熱,生物質(zhì)燃料比熱容計算復(fù)雜,筆者在此參照GB/T 10184—2015的附錄F方法計算。

由圖1可知,蔗渣干燥無灰基揮發(fā)分平均值Vdaf=86.31%,而燃料的溫度tc取25 ℃。代入式子得：Cc=0.84+37.68×10-6(13+Vdaf)(130+tc)=1.42 kJ/(kg.K)。

由蔗渣灰（渣）比熱的估算式子得：Crs=0.71+5.02×10-4trs=0.72 kJ/(kg.K) ,其中trs灰（渣）溫度取25 ℃。

已知收到基灰分Aar=2.10% ,收到基水分Mar=48.68%,求得干燥基灰分：Ad=100Aar/(100-Mar)=4.09%。

將上述數(shù)據(jù)代入燃料的干燥基比熱計算式子：Cc,d=0.01×［Crs× Ad+ Cc（100-Ad）］=1.39 kJ/(kg.K)。

再將蔗渣干燥基比熱計算結(jié)果代入式子：Cc,ar=Cc,d(100-Mar)/100 + 4.186 8Mar/100 = 2.75 kJ/(kg.K)。

顯然該收到基比熱數(shù)值Cc,ar是隨著蔗渣的水分一起變動的。

最后,可以計算得到蔗渣在入爐前的顯熱值：Qf= Cf(tf-tre)=110.09 kJ/kg。在假定燃料進入系統(tǒng)時的溫度差Δt=tf-tre=40 ℃不變的條件下,隨著水分的減少,顯熱值Qf是降低的,相對于輸入系統(tǒng)的熱量Qin也較少（約占0.43%～1.35%）。在沒有其他熱源的條件下,由鍋爐的輸入熱量Qr= Qar,net+ Qf,可以粗略地認為Qr≈ Qar,net。從圖5中也可以觀察到燃料低位熱Qar,net與輸入系統(tǒng)熱量Qin這兩條直線幾乎是重疊在一起的。

圖5 輸入系統(tǒng)的熱量組成

1.5 蔗渣燃料的元素分析

上述糖業(yè)公司蔗渣燃料元素分析統(tǒng)計見圖6、表2（其中因為蔗渣中氮和硫元素含量較少,所以在圖6中選擇忽略,只在表2中列出）。

表2 化驗燃料的元素分析結(jié)果（取平均值）

圖6 蔗渣燃料元素分析

將上述數(shù)據(jù)代入式子估算發(fā)熱量：Qar,net=339Car+1 030Har-109(Oar-Sar)-25Mar=7 931.82 kJ/kg。

理論計算值與實際氧彈測熱儀化驗數(shù)據(jù)很接近,兩者誤差為0.80%。

2 蔗渣燃料水分與鍋爐熱效率η的關(guān)系

2.1 蔗渣燃料的元素、工業(yè)分析匯總

經(jīng)過上述討論可知,蔗渣Mar降至21.51% 時可以忽略燃料物理顯熱,此時燃料Qar,net插值法計算結(jié)果為13 552.90 kJ/kg,并把上述化驗結(jié)果匯總,見表3。

表3 化驗燃料結(jié)果匯總

結(jié)合之前的假設(shè),當(dāng)Mad不變,而Mar變?yōu)?1.51%,對應(yīng)元素、工業(yè)分析計算結(jié)果,見表4。

表4 假設(shè)燃料的元素分析和工業(yè)分析的計算結(jié)果

將上述假設(shè)數(shù)據(jù)代入式子估算發(fā)熱量：Qar,net=339Car+1 030Har– 109(Oar– Sar)– 25Mar=13 322.18 kJ/kg,兩者相差約為1.70%。

2.2 鍋爐使用不同收到基水分燃料相應(yīng)的燃料消耗量對比

將上述2種不同Mar的蔗渣帶入GB/T 10184—2015中,再用正平衡熱效率式子反推燃料消耗量。假定同一臺鍋爐燃用2種水分燃料時有效吸收熱量、設(shè)計熱效率（η=87.1%）、受熱面結(jié)構(gòu)等沒有變化,測試過程中不吹灰、不定排、安全閥不起跳。有一臺85 t/h蔗渣鍋爐,給水流量為90 t/h,給水壓力為6 MPa（表壓,下同）,給水溫度為100 ℃,過熱蒸汽壓力為3.22 MPa,過熱蒸汽溫度為445 ℃,鍋筒壓力為3.46 MPa,連續(xù)排污率取2%。通過查焓熵表可得到表5中結(jié)果。

表5 查焓熵表數(shù)據(jù) kJ/kg

測試時,鍋水取樣量按照連續(xù)排污量計算,按照GB/T 10180—2017的10.1.13條a項先計算出鍋爐有效吸收熱量Q1=257 311 094.1 kJ/h,再根據(jù)正平衡公式η=Q1/BQr反推燃料消耗量B。然后把Mar=21.51%的燃料消耗量折算成Mar=48.68%的燃料消耗量,結(jié)果見表6。

表6 燃料消耗量計算結(jié)果

這也就從理論上解釋了蔗渣水分Mar由原來的48.68%降到21.51%,鍋爐每小時的燃料消耗量可以減少約16.11 t/h。若一個榨季按4個月時間統(tǒng)計,這將為糖廠節(jié)省不小的燃料成本。

3 結(jié)束語

本文從蔗渣燃料的工業(yè)分析、元素分析、低位發(fā)熱量測定等數(shù)據(jù)分析角度,向大家介紹了蔗渣類生物質(zhì)燃料的特點,從理論上解釋了降低蔗渣水分有利于燃料充分燃燒,有助于糖廠降低運行成本,創(chuàng)造經(jīng)濟效益,降低能耗。