煤氣鍋爐熱效率優(yōu)化提升技術(shù)研究

摘 要：為了有效提升鍋爐熱效率，本文提出了組合優(yōu)化方案。按照反平衡法劃分鍋爐熱損失的類(lèi)型，包括排煙熱損失、化學(xué)未完全燃燒損失、固體未完全燃燒損失、輻射與對(duì)流散熱損失和灰渣熱損失。針對(duì)其中的排煙熱損失、化學(xué)未完全燃燒熱損失、輻射以及對(duì)流散熱損失進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)有效降低化學(xué)未完全燃燒熱損失，可以更快完成鍋爐效率的優(yōu)化，并使鍋爐效率保持在95%以上。

關(guān)鍵詞：煤氣鍋爐；熱效率；熱損失

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 62" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市的能源供給需求缺口也不斷增加[1]。為了確保為城市提供充足的熱能，煤氣鍋爐成為重要的供熱設(shè)備，滿足商用和民用供熱、保暖等多種基本需求[2]。但是受工作環(huán)境、鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和煤氣燃燒原理等條件的限制，煤氣鍋爐的熱效率無(wú)法達(dá)到最佳，從而造成能源損失[3]。為了滿足節(jié)能環(huán)保的實(shí)際需求，必須對(duì)煤氣鍋爐的效率進(jìn)行有效提升。因此本文給出了鍋爐效率的計(jì)算公式，進(jìn)而分析鍋爐效率的影響因素。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)多項(xiàng)措施完成煤氣鍋爐效率的優(yōu)化提升，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。本文對(duì)提升煤氣鍋爐效率、提升環(huán)保效果具有一定的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 鍋爐效率計(jì)算與影響因素分析

1.1 鍋爐效率計(jì)算

鍋爐效率是指鍋爐有效利用熱量與燃料帶入爐內(nèi)熱量的百分比，如公式（1）所示。

（1）

式中：η代表鍋爐的效率；QL代表鍋爐的有效利用熱量；QD代表燃料帶入鍋爐內(nèi)部的熱量。

鍋爐效率直接反映了燃料帶入爐內(nèi)的熱量被利用的程度，是考核鍋爐經(jīng)濟(jì)型性能的重要指標(biāo)，同時(shí)也能表明鍋爐設(shè)備的完善程度和運(yùn)行管理水平。

鍋爐效率是電廠供應(yīng)電力的重要影響因素，提高鍋爐效率不僅能提高電廠的供電能力，提高發(fā)電廠供電效率，同時(shí)還能節(jié)約發(fā)電能源，讓相同的燃料發(fā)揮更大的效用。因此采用合理的措施提高鍋爐運(yùn)行的效率在發(fā)電中具有重要作用。

鍋爐的熱效率計(jì)算有“輸入/輸出熱量平衡法”和“計(jì)算熱損失反平衡法”2種，從理論上分析，2種計(jì)算方法的結(jié)果應(yīng)該是一致的。其中“輸入/輸出熱量平衡法”計(jì)算較簡(jiǎn)單，公式意義較直觀，但是只能計(jì)算鍋爐的熱效率，不能分析影響鍋爐效率的因素，也不能分析各種因素的影響權(quán)重。而“計(jì)算熱損失反平衡法”通過(guò)計(jì)算各種熱損失對(duì)鍋爐效率的影響，可以分析出各種影響鍋爐效率因素的主次，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化方向。

1.2 鍋爐熱損失分析

根據(jù)反平衡法，鍋爐熱損失的主要組成包括排煙熱損失、化學(xué)未完全燃燒損失、固體未完全燃燒損失、輻射與對(duì)流散熱損失以及灰渣熱損失。根據(jù)上述分析可知，鍋爐的有效利用熱量如公式（2）所示。

QL=q1-q2-q3-q4-q5-q6 （2）

式中：QL為鍋爐的有效利用熱量；q1為燃料能給鍋爐內(nèi)部提供的全部熱量；q2為排煙導(dǎo)致的鍋爐熱量損失；q3為化學(xué)未完全燃燒導(dǎo)致的鍋爐熱量損失；q4為固體未完全燃燒導(dǎo)致的鍋爐熱量損失；q5為輻射與對(duì)流散熱導(dǎo)致的鍋爐熱量損失；q6為灰渣熱損失。

除此之外，還有一些特定條件下的熱損失或增益。根據(jù)本工程燃料特點(diǎn)，鍋爐的主要熱損失影響因素為q2、q3、q5，固體燃料通常還需要考慮熱損失q4、q6，本工程燃用高轉(zhuǎn)混合煤氣，因此可以取0。

1.3 鍋爐效率影響因素分析

從上述鍋爐熱損失組成中可以看到，燃?xì)忮仩t效率的主要影響因素為q2、q3和q5，其主要原理如下。

1.3.1 排煙熱損失的影響

離開(kāi)鍋爐時(shí)，燃燒生成的煙氣焓值高于進(jìn)入鍋爐的空氣焓值，因此形成了鍋爐的排煙損失。一般來(lái)說(shuō)，除了極難燃燼的燃料，排煙損失q2是鍋爐損失中最大的一項(xiàng)，包括煙氣帶走的熱量與未參加燃燒的過(guò)剩空氣攜帶的熱量，其中煙氣的余熱熱量占主要份額。

影響q2的主要因素是排煙溫度、過(guò)?？諝庀禂?shù)和燃料中水分。排煙溫度越高，煙氣中各種成分的帶走的熱量越多，q2值就越大；過(guò)剩系數(shù)越大，煙氣量越大，q2值也會(huì)越大；燃料中的水分不提供熱量，但是汽化過(guò)程中會(huì)吸取熱量并帶一定的顯熱與潛熱隨煙氣離開(kāi)，因此會(huì)增加鍋爐熱損失。

1.3.2 化學(xué)未完全燃燒損失影響因素

q3是部分一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w未參與燃燒就隨煙氣排出鍋爐所產(chǎn)生的損失。爐膛過(guò)量空氣系數(shù)、爐膛溫度與爐內(nèi)氣流的配合等都是重要的影響因素。在爐內(nèi)組織燃燒過(guò)程中要重視燃料與風(fēng)的配合，確?；鹧嬖跔t膛內(nèi)的充滿度和爐膛內(nèi)的空氣動(dòng)力情況。

1.3.3 散熱損失的影響因素

散熱損失是由鍋爐爐墻、鍋筒、集箱、汽水管道、煙風(fēng)管道等其他部件的溫度高于周?chē)h(huán)境溫度而形成的高溫向低溫環(huán)境輻射、傳導(dǎo)的熱量。

鍋爐的散熱損失由2個(gè)部分組成，一部分是輻射散熱，另一部分是對(duì)流散熱。由于現(xiàn)代鍋爐采用了水冷壁和包墻管，因此高溫輻射大部分被內(nèi)部工質(zhì)吸收，再經(jīng)外保溫包裹，輻射散熱的比例較小，主要是對(duì)流散熱損失。對(duì)流散熱損失主要與環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速以及保溫包覆設(shè)計(jì)有關(guān)。

2 鍋爐效率優(yōu)化提升方法與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 降低排煙熱損失

為了提升鍋爐效率，需要對(duì)3項(xiàng)主要熱損失進(jìn)行有效控制。其中第一項(xiàng)優(yōu)化措施是降低排煙熱損失。降低排煙熱損失可以提升鍋爐效率的原理如公式（3）所示。

（3）

式中：q'2為優(yōu)化后的排煙損失熱量；q2為排煙導(dǎo)致的鍋爐熱量損失；?q2為減少的排煙損失熱量；QL為鍋爐的有效利用熱量；Q'L為優(yōu)化后的鍋爐有效利用熱量；QD為燃料帶入鍋爐內(nèi)部的熱量；η為鍋爐的效率；η'為優(yōu)化后的鍋爐效率。

如上所述，降低排煙損失是提高鍋爐效率最有效的方式。本工程主要采取了2個(gè)方面的措施。

第一，優(yōu)化過(guò)量空氣系數(shù)選取。本工程鍋爐燃料高轉(zhuǎn)混合煤氣，入爐煤氣變化幅度較大，為了保證鍋爐的穩(wěn)燃，需要提高過(guò)量空氣系數(shù)，但是過(guò)高的過(guò)量空氣系數(shù)不利于鍋爐效率，因此結(jié)合多年經(jīng)驗(yàn)，將擇優(yōu)選取過(guò)量空氣系數(shù)。

第二，降低排煙溫度。降低排煙溫度可有效減少煙氣熱量的損失，可采取的技術(shù)手段包括增加省煤器面積、增加空預(yù)器面積和設(shè)置煤氣加熱器等。

增加省煤器面積，使空預(yù)器入口煙氣溫度降低，相當(dāng)于從空預(yù)器上游采取措施，使排煙溫度降低。增加省煤器面積受限于水動(dòng)力安全要求，一般要求省煤器出口給水溫度低于飽和溫度。即使省煤器采用沸騰式，為了避免管道振動(dòng)和水動(dòng)力問(wèn)題，對(duì)給水的含汽率也有一定限制。根據(jù)本工程的給水參數(shù)，省煤器后煙氣溫度推薦設(shè)計(jì)值為275℃～330℃，可提高鍋爐效率。

其次，增加空預(yù)器面積，利用空氣的熱容吸收煙氣熱量，不僅有利于提高鍋爐熱效率和空氣助燃質(zhì)量，對(duì)穩(wěn)燃也有一定幫助?？疹A(yù)器能回收的最大煙氣熱量取決于空預(yù)器內(nèi)空氣與煙氣的溫度端差。此外還需要考慮煙氣酸腐蝕。本工程高爐煤氣含硫量極為可觀（根據(jù)煙氣脫硫入口SO2濃度推斷），因此對(duì)本工程來(lái)說(shuō)，需要考慮冷端腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，空預(yù)器的冷端端差是足夠的，主要是熱端端差限制了最大換熱量。理論上熱風(fēng)溫度達(dá)到空預(yù)器進(jìn)煙溫度時(shí)，換熱量達(dá)到極限值，但此時(shí)空預(yù)器的換熱面積無(wú)限大，實(shí)際中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。綜合考慮空預(yù)器的造價(jià)與換熱性能，選取適當(dāng)?shù)亩瞬睿⒏鶕?jù)酸露點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，建議空預(yù)器后排煙溫度不高于210℃。我方根據(jù)多年設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在確?？疹A(yù)器運(yùn)行安全，并對(duì)空預(yù)器腐蝕堵塞等采用多種措施的前提下，選取空預(yù)器出口排煙溫度低于210℃。

從上述分析可知，即使空預(yù)器面積為無(wú)限大，鍋爐排煙溫度也無(wú)法進(jìn)一步降低，因此需要設(shè)置煤氣換熱器來(lái)進(jìn)一步降低排煙溫度。在與設(shè)備廠家的配合下，根據(jù)現(xiàn)在熱管換熱器的技術(shù)水平，適當(dāng)增加換熱面積，最終將排煙溫度降至140℃左右，顯著提高了整個(gè)電廠的熱效率。

通過(guò)上述措施，與相似燃料的煤氣鍋爐相比，q2損失從11%降至8%以內(nèi)，相當(dāng)于鍋爐效率提高3%以上。按照粗略估算，鍋爐效率每提高1%，多發(fā)電量獲得的年收益為50萬(wàn)元～100萬(wàn)元（與工業(yè)電價(jià)高、低有關(guān)），技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益均較明顯。通過(guò)持續(xù)降低排煙熱損失取得的鍋爐效率提升效果如圖1所示。

從圖1的曲線變化可以看出，通過(guò)有效降低排煙熱損失，可以提升鍋爐效率。在最初階段，鍋爐效率僅為71%左右。在持續(xù)降低排煙熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第1個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率提升至76%；在持續(xù)降低排煙熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第2個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率提升至79%；在持續(xù)降低排煙熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第3個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率提升至84%；在持續(xù)降低排煙熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第4個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率提升至87%；在持續(xù)降低排煙熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第5個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率提升至90%；在持續(xù)降低排煙熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第6個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率提升至94%。

從上述曲線變化不難看出，隨著排煙熱損失的不斷降低，鍋爐效率呈現(xiàn)出逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但增幅到最高效率所用的時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2 降低化學(xué)未完全燃燒損失

降低化學(xué)未完全燃燒損失可以提升鍋爐效率的原理如公式（4）所示。

（4）

式中：q'3為優(yōu)化后的化學(xué)未完全燃燒損失熱量；q3為化學(xué)未完全燃燒熱量損失；?q3為減少的化學(xué)未完全燃燒熱量損失；QL為鍋爐的有效利用熱量；Q'L為優(yōu)化后的鍋爐有效利用熱量；QD為燃料帶入鍋爐內(nèi)部的熱量；η為鍋爐的效率；η'為優(yōu)化后的鍋爐效率。

提高過(guò)?？諝庀禂?shù)能降低q3損失，但同時(shí)會(huì)提高q2損失，兩者相抵消并沒(méi)有獲得太多效益。因此控制q3損失需要從燃燒器結(jié)構(gòu)和配風(fēng)方式方面采取措施。

由于燃?xì)庵鸷笕紵俣容^快，因此不需要像固體燃料鍋爐那樣通過(guò)提高爐膛高度來(lái)提高燃盡率。根據(jù)燃?xì)獾娜紵谐毯托枨蠹皶r(shí)配風(fēng)，使燃燒過(guò)程中不產(chǎn)生炭黑，并加強(qiáng)燃?xì)馀c空氣的擾動(dòng)與混合，以促進(jìn)燃燒完全。為達(dá)到強(qiáng)化空氣和燃?xì)鈹_動(dòng)混合的目的，燃燒器采用雙旋流燃燒器，燃?xì)夂涂諝饩D(zhuǎn)，燃?xì)鈬娮觳贾迷趦?nèi)側(cè)，空氣在外側(cè)。燃燒器工作時(shí)，空氣射流包裹燃?xì)馍淞?，卷吸高溫?zé)煔猓谷細(xì)庵?，同時(shí)使燃?xì)狻⒖諝夂蜔煔馊叱浞只旌?，在高溫中燃燒完全?/p>

通過(guò)采用各項(xiàng)措施，在確保燃燒充分，控制煙氣中低CO含量、低NOx的同時(shí)，我方可以將q3的損失控制在0.1%～0.3%。本項(xiàng)目我方q3損失控制在0.1%，顯著提高了鍋爐的效率。

通過(guò)持續(xù)降低化學(xué)未完全燃燒熱損失取得的鍋爐效率提升效果如圖2所示。

從圖2中的曲線變化可以看出，通過(guò)有效降低化學(xué)未完全燃燒熱損失，可以提升鍋爐效率。在最初階段，鍋爐效率僅為71%左右。在持續(xù)降低化學(xué)未完全燃燒熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第1個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率就提升至94%；在持續(xù)降低化學(xué)未完全燃燒熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第2個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率略有回調(diào)，降至89%；在持續(xù)降低化學(xué)未完全燃燒熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第3個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率增長(zhǎng)至最高點(diǎn)，達(dá)到97%；在持續(xù)降低化學(xué)未完全燃燒熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第4個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率略有回調(diào)，降至96%；在持續(xù)降低化學(xué)未完全燃燒熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第5個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率基本穩(wěn)定，維持在96%；在持續(xù)降低化學(xué)未完全燃燒熱損失的情況下，經(jīng)過(guò)第6個(gè)小時(shí)的優(yōu)化后，鍋爐效率基本穩(wěn)定，維持在95%。

從圖2中的曲線變化可以看出，通過(guò)對(duì)化學(xué)未完全燃燒熱損失的有效降低，可以提升鍋爐效率。與降低排煙熱損失相比，降低化學(xué)未完全燃燒熱損失的優(yōu)化速度更快，在優(yōu)化1個(gè)小時(shí)后鍋爐效率即接近95%，小幅度波動(dòng)后優(yōu)化效率一直維持在95%以上。

由2組試驗(yàn)的對(duì)比可以看出，在實(shí)際情況下，為了提升鍋爐效率，降低排煙熱損失可以達(dá)到預(yù)期的效果，降低化學(xué)未完全燃燒熱損失同樣也可以。需要根據(jù)不同的需求，選擇不同的優(yōu)化方式。如果需要達(dá)到持續(xù)拉升的效果，采用降低排煙熱損失的方式即可。如果需要達(dá)到快速拉升的效果，采用降低化學(xué)未完全燃燒熱損失的方式更好。

2.3 控制散熱損失

降低散熱損失可以提升鍋爐效率的原理如公式（5）所示。

（5）

式中：q'5為優(yōu)化后的散熱損失熱量；q5為散熱損失；?q5為減少的散熱損失；QL為鍋爐的有效利用熱量；Q'L為優(yōu)化后的鍋爐有效利用熱量；QD為燃料帶入鍋爐內(nèi)部的熱量；η為鍋爐的效率；η'為優(yōu)化后的鍋爐效率。

在設(shè)計(jì)上控制保溫外表面的溫度，施工過(guò)程中嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求控制保溫敷設(shè)的質(zhì)量，可以使散熱損失控制在一個(gè)比較理想的范圍內(nèi)。從理論上分析，鍋爐容積越大，比表面積（面積與容積之比）越小，散熱率反而下降。因此大機(jī)組的散熱損失率低于小機(jī)組。

散熱損失較難進(jìn)行測(cè)量，一般選用經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)資料，300t/h～450t/h鍋爐的q5取值為0.35%～0.4%，本工程鍋爐蒸發(fā)量為420t/h，散熱損失應(yīng)與次數(shù)據(jù)接近并略優(yōu)一些?？紤]汽輪機(jī)THA對(duì)應(yīng)的鍋爐蒸發(fā)量并沒(méi)有達(dá)到BMCR，因此根據(jù)鍋爐負(fù)荷率對(duì)散熱損失進(jìn)行修正，推薦取0.40%。

3 結(jié)論

城市規(guī)模的擴(kuò)大使鍋爐使用數(shù)量大幅度增加，提升鍋爐效率可以有效降低能源消耗。通過(guò)優(yōu)化技術(shù)措施，有效降低鍋爐的各項(xiàng)熱損失，提高鍋爐熱效率。采取有效措施后，本工程鍋爐進(jìn)行煤氣混燒時(shí)，鍋爐熱效率計(jì)算值可超過(guò)90%（計(jì)入煤氣加熱器的回收熱量），處于目前類(lèi)似項(xiàng)目的前列。

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