工業(yè)鍋爐低負(fù)荷工況節(jié)能分析與對策

1、工業(yè)鍋爐低負(fù)荷工況節(jié)能分析與對策陳志剛 , 毛富杰 , 張 旭 , 王 方(天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 天津 300192摘 要 :工業(yè)鍋爐作為一種重要的熱能動力設(shè)備被廣泛運用 , 但其存在大量低負(fù)荷運行 , 偏 離最優(yōu)運行負(fù)荷的情況 , 這造成鍋爐實際運行效率較低 , 造成了大量能源浪費 。 重點論述了在 鏈條爐排工業(yè)鍋爐低負(fù)荷運行狀態(tài)下影響鍋爐效率的因素 , 并提出了相應(yīng)對策 , 以達到改善熱 效率的目的 。關(guān)鍵詞 :低負(fù)荷 ; 工業(yè)鍋爐 ; 熱效率中圖分類號 :TK2296文獻標(biāo)志碼 :B 文章編號 :10093230(2011 09002204 Countermeasures o

2、f Industrial Boilers Low-load Conditions Energy-efficientCHEN Zhi-gang , MAO Fu-jie , ZHANG Xu , WANG Fang(Tianjin Special Equipment Inspection Institute of Technology , Tianjian 300192, China Abstract :Industrial boilers as an important device thermal power is widely used , but there are a lot of i

3、ts low load , load conditions deviate from the optimal operation , this is caused a large waste of energyThis paper focuses on the industrial chain grate boiler in the low load operating conditions affect the boiler efficiency factor , and proposed countermeasures , in order to achieve the purpose o

4、f improving the thermal efficiencyKey words :Low load ; Industrial boiler ; Thermal efficiency0引言煤是我國目前可利用能源型式中的主要能 源 , 在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中占 70%以上的份 額 。 工業(yè)鍋爐是我國耗能最多的設(shè)備之一 , 每年 消耗的能源約占整個國家能源消耗的 1/3。 全國 在用工業(yè)鍋爐保有量約 50多萬臺 , 約 180萬 t /h。 其中燃煤鍋爐約 48萬臺 , 占工業(yè)鍋爐總?cè)萘康?85%左右 , 平均容量約 34t /h, 其中容量在 20t /h以下占 80%以上 , 煤炭消耗

5、量占全年煤炭產(chǎn)量的 23%。 在工業(yè)鍋爐中大部分為鏈條燃煤工業(yè)鍋 爐 。 鏈條爐往往需要燃燒優(yōu)質(zhì)煤 , 而熱能的低效 率利用卻浪費了大量能源 。 從全國來看 , 我國燃收稿日期 :20110605修訂日期 :20110611作者簡介 :陳志剛 , 男 , 碩士研究生 , 鍋爐 、 壓力管道檢驗員 , 主要從事鍋爐 、 壓力管道檢驗 、 節(jié)能減排等工作 。 煤工業(yè)鍋爐效率低 , 污染重 , 工業(yè)國家平均水平為 80%以上 , 而我國工業(yè)鍋爐平均實際熱效率僅為 60% 65%, 小容量的工業(yè)鍋爐熱效率只有 50% 60%, 節(jié)能潛力巨大 1。鏈條爐排工業(yè)鍋爐長期存在的低負(fù)荷運行工 況是造成我國鏈條

6、鍋爐熱效率低下的重要原因 。 據(jù)統(tǒng)計 , 目前我國工業(yè)鍋爐的一般平均運行負(fù)荷 只有額定負(fù)荷的 30% 70%左右 , 鍋爐容量越 小 , 平均負(fù)荷率越低 。 一般來說 , 只有在 80% 95%額定負(fù)荷下工業(yè)鍋爐才能達到最佳運行熱效 率 。 但由于某些用戶購買鍋爐時的盲目性 , 或?qū)?未來可能的熱量需求的考慮 , 我國工業(yè)鍋爐運行 的實踐中 , 使得工業(yè)鍋爐運行中普遍存在低負(fù)荷 運行 , 即 “ 大馬拉小車 ” 的現(xiàn)象 。 此外 , 低負(fù)荷運 行時送 、 引風(fēng)機擋板均要關(guān)小 , 造成節(jié)流損失 , 消 耗能源 。 給水泵也存在負(fù)荷不足的現(xiàn)象 , 這樣就 增加了損失 , 由于輔機損失增大 , 從而

7、使鍋爐機組 凈效率下降 。 因此 ,鏈條式燃煤工業(yè)鍋爐在低負(fù) 荷條件下的運行熱效率需要重點關(guān)注 。 新頒布的 鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程 對燃煤工業(yè)鍋爐 主要參數(shù)進行了限制 , 對燃煤工業(yè)鍋爐的熱效率 規(guī)定了限定值和目標(biāo)值 , 尤其明確了對在用鍋爐 實際運行熱效率進行定期檢測的要求 。2低負(fù)荷運行各參數(shù)分析反平衡熱效率測試是通過測定鍋爐各項熱損失的方法來確定鍋爐熱效率 。 雖然測試誤差高于 正平衡測試方法 , 但能夠清除地標(biāo)明鍋爐各項熱 損失 , 為分析影響鍋爐熱效率的因素 , 提出改善熱 效率措施提供了依據(jù) 。 工業(yè)鍋爐反平衡熱效率計 算的熱損失包括 :排煙熱損失 q 2、 氣體不完全燃 燒熱

8、損失 q 3、 固體不完全燃燒熱損失 q 4、 散熱損 失 q 5、 灰渣物理熱損失 q 6。 對于在額定工況下運 行的鏈條爐排燃煤工業(yè)鍋爐 , 在鍋爐運行條件較 好的情況下 ,排煙熱損失 q 2和固體不完全燃燒熱 損失 q 4這兩項之和 , 占到鍋爐熱損失的 80%以 上 , 不完全燃燒熱損失 q 3、 q 4往往占到熱損失的 10% 15%。 由此可見 , 此時排煙熱損失 q 2是影 響鍋爐熱效率的最重要參數(shù)。圖 1對于低負(fù)荷運行的鍋爐 , 各項損失在鍋爐反 平衡熱效率計算中的影響相類似 , 但由于運行參 數(shù)的差異 , 使得各項損失的比重不同于額定負(fù)荷 運行情況 , 改善鏈條爐低負(fù)荷運行時

9、的熱效率的 途徑也應(yīng)有所不同 。 21排煙熱損失 q 2對熱效率影響排煙熱損失 q 2在鍋爐反平衡熱效率計算中 所占的比重相對較大 , 而該項損失主要受排煙處 過量空氣系數(shù)和排煙溫度影響 ,因此降低鍋爐排 煙溫度和過量空氣系數(shù)成為提高鍋爐熱效率的關(guān) 鍵 。 圖 2為按照簡單計算得到的排煙溫度和過量 空氣系數(shù)與 q 2關(guān)系圖。 圖 2排煙溫度和過量空氣系數(shù)與排煙熱損失 q 2關(guān)系圖作為鍋爐熱損失中最大的一項 ,q 2與 a py 直接 相關(guān) ,隨著 a py 的增加 , q 2增加的速度大于 a py 的增 加速度 , 這在排煙溫度較高時尤為明顯 。 排煙溫 度越高 , q 2正比于 a py

10、的曲線斜率越大 , 相應(yīng)的 q 2增加速率就越大 。 如 t py =300 時 ,a py 從 15升 高到 25時 ,q 2從 1487%升高到了 2411%, 增 加了約 92%, 為 t py =150 時的 2倍多 。 當(dāng)排煙 溫度增大時 , q 2正比于 a py 的曲線斜率也越大 , 相應(yīng)的 q 2隨 a py 增加的速率也就越大 。 因此 , 為了 提高鍋爐運行效率 , 排煙溫度越高越要嚴(yán)格控制a py 。 當(dāng)排煙溫度 tpy一定時 , q 2與 a py 大致線性關(guān)系 , q 2隨 a py 的增加而增加 。 如當(dāng) t py =150 時 , apy為 15, q 2為 66

11、12%, 當(dāng) a py 為 25時 , q 2為10176%, 即 apy增加 10, q 2增加約 35%, 相應(yīng) 的鍋爐效率下降約 35%。常用的降低鍋爐排煙熱損失的技術(shù)措施主要 是增加尾部受熱面 , 改善煙道的密封狀況等 , 這對 于在額定負(fù)荷情況下運行的鍋爐是有效的措施 。 低負(fù)荷運行條件下 , 排煙溫度往往已經(jīng)偏低 , 理論上不是造成排煙熱損失 q 2以及鍋爐熱效率 降低的主要原因 , 為了保證鍋爐尾部受熱面安全 運行 , 也不宜一味降低鍋爐排煙溫度 。 相對于額 定負(fù)荷運行 , 低負(fù)荷運行時由于燃燒需要的空氣 量減少 , 空氣入爐的速度不足 , 為了達到相同的爐 膛深度或擾動程度

12、, 只能人為加大給風(fēng)量 , 增大過 量空氣系數(shù) 。 這就是為什么低負(fù)荷運行鍋爐排煙 溫度較低的同時 , q 2熱損失仍然占據(jù)很高比例的 原因 2。22不完全燃燒熱損失 q 3 、 q4對熱效率影響不完全燃燒熱損失 q 3、 q 4主要受燃燒狀況影 響 。 對于額定負(fù)荷運行的鍋爐 , 如果燃燒效率能 達到 90%, 那么該項損失的影響往往在 10% 15%之間 , 其中 q3對于鏈條爐來說一般在 02% 2%之間 。 對于額定負(fù)荷運行的鍋爐降低該項損 失時 , 要注意避免過量空氣系數(shù)的增加帶來的 q 2的顯著增大 , 因此這需要對這兩項 (q 2和 q 4 損失 進行綜合分析 , 選擇最佳的過量

13、空氣系數(shù) 。 低負(fù)荷運行致使一些鍋爐運行參數(shù)難以控制 在合理范圍內(nèi) , 如爐膛溫度 、 給風(fēng)量 、 漏風(fēng)系數(shù)等 。 過高的爐膛過量空氣系數(shù) , 造成火床和爐膛溫度 偏低 , 燃燒速度明顯減慢 , 燃煤量減少 , 爐內(nèi)溫度 降低 , 使燃燒工況變壞 , 煤中的固定碳燃燒變得更 加困難 , 爐渣含碳量增加 , 這樣就使得不完全燃燒 熱損失 q 3、 q 4增大 , 運行效率下降 。低負(fù)荷下鍋爐壓力降低使汽水混合物的飽和 溫度降低 , 導(dǎo)致燃料消耗量的減少 , 過量空氣系數(shù) 增大 , 最終使?fàn)t膛溫度降低 , 爐膛溫度降低對燃料 的燃燼不利 。 爐膛溫度降低 , 輻射換熱系數(shù)下降 , 造成鍋爐整體傳熱

14、系數(shù)的降低 , 也造成鍋爐熱效 率降低 。低負(fù)荷下較高的過量空氣系數(shù)和爐膛水冷 度 , 影響了爐內(nèi)煤的點燃和燃燒 , 并最終影響了煤 的燃燒效率 。23散熱損失 q5、 灰渣物理熱損失 q6對熱效率 影響散熱損失 q 5對于鍋爐的效率影響相對較小 , 約占 1% 3%, 一般不超過 2%。 在 工業(yè)鍋爐 能效測試與評價規(guī)則 的測試方法中 , 該項僅給 出了參考范圍 。 改善該項損失的方法也相對簡 單 , 無外乎加強鍋爐的絕熱工作 。 灰渣物理熱損 失 q 6是最為穩(wěn)定的一項損失 , 計算中只與灰渣量 有關(guān)系 , 而且數(shù)值是最小的 。 在低負(fù)荷下兩者的 數(shù)值的增大是在絕對值未發(fā)生變化下相對值的增

15、 大 , 實際上無論鍋爐的運行狀況如何 , 負(fù)荷如何 , 對于同一臺鍋爐其 q 5和 q 6損失的絕對值是變化 不大的 。 在實際運行的鍋爐當(dāng)中存在鍋爐保溫較 差的情況 , 測試處最高溫度會超過規(guī)程的上限值 , 那么該情況下 q 5的損失顯然過大 , 需要加強保溫 工作 。3改善低負(fù)荷運行熱效率措施 31蓄熱式爐拱改善燃燒工況工業(yè)鍋爐爐拱對于組織燃料燃燒 , 提高燃燒 效率至關(guān)重要 。 前拱側(cè)重于引燃新煤 , 后拱側(cè)重 于強化主燃區(qū)和烤渣燃盡 。 提高爐拱溫度能夠加 強對煤的點燃作用 , 提高燃燒區(qū)煤層溫度 , 進一步 改善煤的燃燒 3。 爐內(nèi)輻射換熱公式和煤煙衰 減系數(shù)公式為 :E =A (

16、T 41T 42e k e (1ke=4300(TD 2/3a p 105(2 式中 E 為輻射換熱量 ; 為爐內(nèi)材料發(fā)射率 , 為 斯忒藩 玻耳茲曼常數(shù) ; 0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密 度 ; D 為煤煙粒子平均尺寸 , 單位為 m ; T 為定性 溫度 (絕對溫度 , 取為爐膛出口溫度 ; p 通常取為1/3; a為粒子濃度 。爐膛內(nèi)其他參數(shù)相對固定 , 那么不同爐拱溫 度輻射熱量之比為 :E T 3 E T 2 =T 43T 41T 42T 41(3可見 , 輻射熱量的大小與輻射體絕對溫度的 4次方成一定的正比關(guān)系 。 采用蓄熱輻射式爐拱 時 , 爐拱溫度能夠提高 100 200 , 其輻射熱

17、 量比值提高了 3 8倍 。 高溫的功能材料形成對 新煤層強烈的熱輻射 , 在點燃區(qū)形成劇烈燃燒 , 提 高了對不同煤種 、 煤質(zhì)變化的適應(yīng)性 , 達到新煤快 速著火 , 不再發(fā)生斷火現(xiàn)象 , 在爐膛溫度降低的條 件下 , 有效提高煤層處的溫度 。 由于起火線提前 , 延長了燃煤在爐內(nèi)的燃燒時間 , 為整個后面強化 燃燒過程打下了基礎(chǔ) 。32蒸汽二次風(fēng)改善爐內(nèi)流場蒸汽二次風(fēng)有利于小容量鍋爐在低負(fù)荷下保 持爐溫水平以及一定的鍋爐熱效率 。 這主要是由 于蒸汽二次風(fēng)在造成爐內(nèi)流場形成湍流的同時 , 蒸汽本身對煤還有一定的助燃作用 。 在鍋爐正常 燃燒過程中 , 由于鼓風(fēng)機與引風(fēng)機的作用 , 燃燒室

18、 中存有較多的懸浮碳粒 , 這些懸浮碳粒實際上相 當(dāng)于一種強有力的還原劑 , 它不僅從一次風(fēng)中吸 收氧 , 而目也從現(xiàn)存的氧化物中奪取氧而成為碳 的氧化物 , 在熾熱的蒸汽風(fēng)進入燃燒室和高溫碳 粒接觸時 , 立即發(fā)生如下的反應(yīng) :H 2 O +C +1l7932KJ =CO +H2(4反應(yīng)所生成的 CO 和 H 2又馬上和爐膛內(nèi)的 氧氣發(fā)生 , 燃燒并且放出大量的熱量 。2CO +O 2 =2CO2+565l36KJ (52H 2 +O2=2H2O +48l53KJ (6整理可知 C +O 2+H 2O =CO 2+40546KJ (7 即 C +O 2=CO 2+40546KJ (8 煙氣中

19、的 CO 2與水蒸汽混合后能大大提高 火焰的黑度 , 產(chǎn)生較強的輻射作用 , 可以有效地提 高爐膛的燃燒程度 , 強化燃燒 , 降低爐渣可燃物含 量 , 提高燃燒效率 4。蒸汽二次風(fēng)的噴射速度為該處煙氣流速的 68倍 。 蒸汽二次風(fēng)的風(fēng)量不易太多 , 一般為一 次風(fēng)空氣量 6%左右 , 要根據(jù)鍋爐的實際運行情 況 、 負(fù)荷情況及燃燒等情況進行調(diào)整 。 蒸汽二次 風(fēng)的汽壓一般情況下可選 04Mpa 。33控制過量空氣系數(shù)的措施過量空氣系數(shù)對于低負(fù)荷運行鍋爐熱效率意 義重大 , 各種運行負(fù)荷均存在最佳過量空氣系數(shù) 值 。 過量空氣系數(shù)的經(jīng)驗公式為 a k =a +(07 +D /Ded。 但低負(fù)荷運行鍋爐的實際過量空氣 系數(shù)要遠遠超過最佳過量空氣系數(shù) 。目前 , 大部分鍋爐所采用的風(fēng)機不具備變頻 調(diào)速功能 , 風(fēng)量的調(diào)節(jié)只能通過司爐工經(jīng)驗 , 人為 改變進風(fēng)擋板的位置