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摘 要： 摘 要: 為提高工業(yè)鍋爐熱效率，解決鍋爐節(jié)能運(yùn)行存在的問題，以廣東省 30 臺(tái)工業(yè)鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場能效測試和節(jié)能分析。能效測試數(shù)據(jù)分析顯示，43. 33% 的鍋爐排煙溫度超標(biāo)，63. 33% 的鍋爐過量空氣系數(shù)超標(biāo)，36. 67% 的鍋爐排煙 CO 含量超標(biāo)，66. 67% 的鍋
摘 要: 為提高工業(yè)鍋爐熱效率，解決鍋爐節(jié)能運(yùn)行存在的問題，以廣東省 30 臺(tái)工業(yè)鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場能效測試和節(jié)能分析。能效測試數(shù)據(jù)分析顯示，43. 33% 的鍋爐排煙溫度超標(biāo)，63. 33% 的鍋爐過量空氣系數(shù)超標(biāo)，36. 67% 的鍋爐排煙 CO 含量超標(biāo)，66. 67% 的鍋爐負(fù)荷率較低，53. 33% 的鍋爐熱效率低于規(guī)程值。節(jié)能分析顯示: 造成煙氣溫度過高主要是由于缺少煙氣余熱回收裝置、配風(fēng)比失調(diào); 過量空氣系數(shù)過大主要是由于配風(fēng)比失調(diào)、燃料堆積; 熱效率較低主要原因是排煙熱損失、固體/氣體未完全燃燒熱損失較高或負(fù)荷率較低。結(jié)合發(fā)現(xiàn)的節(jié)能問題及其產(chǎn)生的主要原因，提出合理配風(fēng)比、增加余熱回收、制定節(jié)能制度和加強(qiáng)節(jié)能監(jiān)管等建議。
關(guān) 鍵 詞: 工業(yè)鍋爐; 節(jié)能; 熱效率; 問題; 建議
引 言
近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)鍋爐扮演著越來越重要的角色，但因工業(yè)鍋爐具有高使用、高能耗和高污染等特點(diǎn)，其煙氣、灰渣、廢水等污染物的排放帶來環(huán)境污染、能源浪費(fèi)等一系列問題[1 - 3]。隨著環(huán)保壓力加大、節(jié)能力度加深以及使用安全加強(qiáng)，工業(yè)鍋爐節(jié)能減排的深入研究勢在必行[4 - 6]。許多專家學(xué)者注意到日益凸顯的工業(yè)鍋爐節(jié)能問題，并對(duì)其開展相關(guān)研究。浙江省特檢院趙四海對(duì)浙江省在用工業(yè)鍋爐信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析能耗產(chǎn)生的主要原因，并從監(jiān)管、政策和使用三方面給出建議[7]。上海工業(yè)鍋爐研究所王善武通過對(duì)國內(nèi)外工業(yè)鍋爐節(jié)能現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比，指出我國節(jié)能運(yùn)行方面的不足，分別從政策、管理和技術(shù)等方面提出改進(jìn)措施[8]。華南理工大學(xué)趙軍明通過對(duì)廣州市部分企業(yè)工業(yè)鍋爐熱工測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指出其節(jié)能存在的問題，并提出解決方案[9]。從以上研究可以看出，我國學(xué)者已經(jīng)從節(jié)能政策、標(biāo)準(zhǔn)、管理和技術(shù)、監(jiān)管等多方面開展工業(yè)鍋爐節(jié)能研究，并取得一定成效[10]。為了進(jìn)一步提高工業(yè)鍋爐的能源利用效率，減少環(huán)境污染，本文選取廣東省內(nèi) 30 臺(tái)新安裝工業(yè)鍋爐，通過能效測試和節(jié)能分析，找出鍋爐運(yùn)行過程存在的節(jié)能問題，并為企業(yè)提出合理化建議。
1 工業(yè)鍋爐節(jié)能研究對(duì)象與方法
1. 1 研究對(duì)象
選取廣東省內(nèi) 30 臺(tái)新安裝鍋爐( 辦理使用登記證后一年內(nèi)的鍋爐) ，此 30 臺(tái)鍋爐來自于 30 家使用單位，24 個(gè)制造單位，27 種型號(hào)，詳細(xì)情況見表 1。為了使測試的新安裝鍋爐盡可能具有代表性，按照鍋爐燃燒不同燃料的比例，本次測試選擇燃天然氣鍋爐 12 臺(tái)，燃生物質(zhì)顆粒鍋爐 10 臺(tái)，燃輕油鍋爐 6 臺(tái)，燃煤鍋爐 1 臺(tái)，燃生物質(zhì)氣鍋爐 1 臺(tái)。其中，蒸汽鍋爐 27 臺(tái)，有機(jī)熱載體鍋爐 3 臺(tái)，蒸汽鍋爐額定蒸發(fā)量范圍為 0. 20 ～ 20 t /h，有機(jī)熱載體鍋爐額定功率范圍為 600 ～ 1 800 MW。
1. 2 能效測試方法
1. 2. 1 測試方法[11 - 12]
( 1) 對(duì)手燒鍋爐、下飼式鍋爐、電加熱鍋爐采用正平衡法進(jìn)行測試;
( 2) 對(duì)于額定蒸發(fā)量≥20 t /h( 14 MW) 的鍋爐，采用反平衡法進(jìn)行測試;
( 3) 其余鍋爐均應(yīng)同時(shí)采用正反平衡法;
4) 測試時(shí)間規(guī)定: 液體和氣體燃料鍋爐測試不少于 2 h; 火室燃燒、火床燃燒、沸騰燃燒固體燃料鍋爐測試不少于 4 h; 手燒爐、下飼爐排等鍋爐測試不少于 5 h。
( 5) 測試次數(shù): 鍋爐正常運(yùn)行情況下相同工況測試兩次。
1. 2. 2 測試內(nèi)容[13]
( 1) 按照正平衡法進(jìn)行能效測試時(shí)，其測試內(nèi)容包括: 發(fā)熱量及固體、液體燃料元素分析; 蒸汽鍋爐輸出蒸汽量，熱水鍋爐、有機(jī)熱載體爐的截止循環(huán)流量; 自用蒸汽量; 蒸汽取樣量; 鍋水取樣量及排污量; 蒸汽鍋爐給水溫度及給水壓力，熱水鍋爐及有機(jī)熱載體爐進(jìn)出口介質(zhì)溫度; 蒸汽鍋爐的蒸汽壓力，熱水鍋爐及有機(jī)熱載體爐的進(jìn)出口介質(zhì)壓力; 飽和蒸汽濕度，過熱蒸汽溫度及品質(zhì); 燃料消耗量及電加熱鍋爐耗電量; 實(shí)驗(yàn)開始到結(jié)束時(shí)間。
( 2) 按照反平衡法進(jìn)行能效測試時(shí)，其測試內(nèi)容包括: 燃料元素分析，發(fā)熱量; 排煙溫度，燃燒室排出的爐渣溫度、溢流灰和冷灰溫度; 煙氣成分; 爐渣、漏燃料、飛灰重量及可燃物含量; 入爐冷空氣溫度及鍋爐表面溫度; 實(shí)驗(yàn)開始到結(jié)束時(shí)間。
測試儀器如表 2 所示。
2 工業(yè)鍋爐節(jié)能結(jié)果分析
2. 1 排煙溫度
鍋爐排煙溫度是反映鍋爐使用節(jié)能的重要指標(biāo)，鍋爐排煙溫度太高會(huì)導(dǎo)致鍋爐排煙熱損失較大，進(jìn)而影響鍋爐熱效率[14]。通過檢查鍋爐排煙溫度是否達(dá)到節(jié)能規(guī)定，可及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，降低鍋爐能耗，提高鍋爐熱效率。30 臺(tái)新安裝鍋爐排煙溫度對(duì)比如圖 1 所示。排煙溫度每一個(gè)數(shù)據(jù)均為測試兩次工況的平均值。
30 臺(tái)測試鍋爐排煙溫度最高為 309. 4 ℃，最低為 54. 4 ℃。根據(jù) TSG G0002 - 2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》第八條鍋爐排煙溫度規(guī)定[13]，在這 30 臺(tái)鍋爐中，有 13 臺(tái)鍋爐的排煙溫度超過規(guī)程限定值，即 43. 33% 鍋爐排煙溫度超過限定值，說明鍋爐排煙溫度過高是鍋爐使用中普遍存在的問題。分析 6 臺(tái)燃油鍋爐，只有第 5 臺(tái)鍋爐排煙溫度超過限定值 170 ℃，燃油鍋爐排煙熱損失較小。但對(duì)比 6 臺(tái)燃油鍋爐排煙溫度，最高溫度與最低溫度相差 127. 3 ℃，說明降低燃油鍋爐排煙溫度仍有一定提升空間，節(jié)能審查發(fā)現(xiàn)鍋爐 2、3 均無節(jié)能器是造成排煙溫度較高的原因。分析 12 臺(tái)燃天然氣鍋爐，其中第 9、11、14 3 臺(tái)鍋爐排煙溫度超過限定值，75% 鍋爐排煙溫度在限定值范圍以內(nèi)，鍋爐排煙熱損失較小。但第 11 臺(tái)燃天然氣鍋爐排煙溫度為 309. 4 ℃，超過規(guī)程限定值 139. 4 ℃，可知燃天然氣鍋爐如果操作不當(dāng)，排煙熱損失仍然較大。分析 10 臺(tái)燃生物質(zhì)顆粒鍋爐，其中第 19、20、21、22、23、25 6 臺(tái)鍋爐排煙溫度超過限定值，燃生物質(zhì)顆粒鍋爐排煙熱損失較大，燃生物質(zhì)顆粒鍋爐最高排煙溫度與最低排煙溫度之差為 144. 4 ℃，按照排煙溫度每降低 15 ℃，熱效率提高 1% 來估算，通過控制排煙溫度，可有效提高鍋爐熱效率約 10%[14]。燃生物質(zhì)氣鍋爐排煙溫度在限定值之內(nèi)，燃煤鍋爐排煙溫度超過限定值。
由以上分析可知，各種燃料鍋爐均存在排煙溫度過高的問題，導(dǎo)致鍋爐排煙溫度過高的主要原因有: 鍋爐未安裝余熱回收裝置或節(jié)能器效果較差; 鍋爐燃料品質(zhì)較差，燃燒不充分; 鍋爐積灰、結(jié)垢未處理; 鍋爐操作人員調(diào)節(jié)風(fēng)量不當(dāng)[15 - 16]。
2. 2 過量空氣系數(shù)
過量空氣系數(shù)也是反映鍋爐使用節(jié)能的重要指標(biāo)，過量空氣系數(shù)是燃料燃燒時(shí)實(shí)際空氣需要量與理論空氣需要量之比值。過量空氣系數(shù)太大說明燃燒時(shí)實(shí)際鼓風(fēng)量較大，這將增加排煙量、降低爐膛溫度和影響鍋爐傳熱，并導(dǎo)致排煙熱損失增加。過量空氣系數(shù)較小易導(dǎo)致燃料不能完全燃燒，固體不完全燃燒熱損失增加[1，17]。30 臺(tái)新安裝鍋爐過量空氣系數(shù)對(duì)比如圖 2 所示。過量空氣系數(shù)每一個(gè)數(shù)據(jù)均為測試兩次工況的平均值。
30 臺(tái)測試鍋爐過量空氣系數(shù)最高為 2. 65，最低為 1. 00。根據(jù) TSG G0002 - 2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理 規(guī) 程》第九條關(guān)于鍋爐過量空氣系數(shù)規(guī)定[13]，在這 30 臺(tái)鍋爐中有 19 臺(tái)鍋爐過量空氣系數(shù)超過規(guī)程限定值，即 63. 33% 鍋爐過量空氣系數(shù)超過規(guī)程限定值。分析 6 臺(tái)燃油鍋爐可知，其過量空氣系數(shù)在 1. 17 ～ 1. 47 之間，均高于限定值1. 15，燃油鍋爐的風(fēng)量調(diào)節(jié)應(yīng)引起注意，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量，燃油鍋爐熱效率可進(jìn)一步提升。12 臺(tái)燃天然氣鍋爐中，僅第 8、10、12、18 4 臺(tái)鍋爐超過限定值1. 15，可知燃天然氣鍋爐配風(fēng)比和燃燒情況較好。分析 10 臺(tái)燃生物質(zhì)顆粒鍋爐，80% 燃生物質(zhì)顆粒鍋爐過量空氣系數(shù)超過限定值 1. 65，審查發(fā)現(xiàn)，大部分燃生物質(zhì)顆粒鍋爐出現(xiàn)爐排漏風(fēng)，生物質(zhì)顆粒堆積是過量空氣系數(shù)過大主要原因。燃生物質(zhì)氣鍋爐過量空氣系數(shù)為 1. 18 在規(guī)程限定值以內(nèi)，燃煤鍋爐過量空氣系數(shù)超過規(guī)程值 1. 15，可知燃煤鍋爐應(yīng)注意調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)。
由以上分析可知，各種鍋爐均存在過量空氣系數(shù)過大的問題，導(dǎo)致鍋爐過量空氣系數(shù)過大的主要原因有: 燃燒機(jī)風(fēng)門、油壓或氣壓失調(diào); 鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量配比失調(diào)或引風(fēng)機(jī)風(fēng)量過調(diào); 燃料來源和成分存在問題; 生物質(zhì)顆粒堆積，爐排漏風(fēng); 使用人員操作不當(dāng)或未給予足夠的重視等[18 - 19]。
2. 3 排煙 CO 含量
排煙 CO 含量過高說明燃料燃燒不充分，易造成氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失增加。30 臺(tái)新安裝鍋爐排煙 CO 含量對(duì)比分析如圖 3 所示。排煙 CO 含量每一個(gè)數(shù)據(jù)均為測試兩次工況的平均值。
由圖 3 可知，30 臺(tái)測試鍋爐排煙 CO 含量最高為 36 450 mg /m3 ，最 低 為 0 mg /m3 。根 據(jù) TSG G0003 - 2010《工業(yè)鍋爐能效測試評(píng)價(jià)規(guī)則》[11]，正壓鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行排煙 CO 含量一般不大于 500 mg / m3 。在 30 臺(tái)鍋爐中，10 臺(tái)鍋爐排煙 CO 含量過大。分析 6 臺(tái)燃油鍋爐，其排煙 CO 含量均在規(guī)程限定值以內(nèi)，證明燃油鍋爐燃燒比較充分，燃燒效率較高。分析 12 臺(tái)燃天然氣鍋爐，8 臺(tái) CO 含量在限定值以內(nèi)，燃燒情況較充分，但第 13、14 臺(tái)鍋爐排煙 CO 含量為 33 450 和 36 450 mg /m3 ，因此若操作不當(dāng)，燃天然氣鍋爐仍會(huì)出現(xiàn)燃料燃燒不充分、資源浪費(fèi)和超標(biāo)排放等問題。分析 10 臺(tái)燃生物質(zhì)顆粒鍋爐，6 臺(tái)的鍋爐 CO 含量超過規(guī)程限定值，證明燃燒情況較差。分析燃生物質(zhì)氣和燃煤 CO 含量，其測量值均在規(guī)程限定值以內(nèi)，與實(shí)際通風(fēng)量較大，氧氣充足燃燒充分互證。造成排煙 CO 含量較高的主要原因有: 燃料堆積，生物質(zhì)顆粒和空氣接觸不良; 配風(fēng)量調(diào)節(jié)不當(dāng)，送風(fēng)量較低; 燃料質(zhì)量較差，燃料潮濕或帶有阻燃成分等[20 - 21]。
2. 4 負(fù)荷率
鍋爐負(fù)荷率是指鍋爐的實(shí)際出力與額定出力的比值，鍋爐負(fù)荷率過低會(huì)導(dǎo)致漏風(fēng)量增大，爐膛溫度變低，燃燒速度變慢，燃燒工況不穩(wěn)定，散熱損失和固體未完全燃燒熱損失增加等[1，22]。理論上能效測試要求鍋爐均調(diào)至額定負(fù)荷測試，但限于實(shí)際情況， 30 臺(tái)新安裝鍋爐負(fù)荷率如圖 4 所示。鍋爐負(fù)荷率為測試工況兩次測試的均值。
30 臺(tái)測試鍋爐負(fù)荷率最高為 108. 3% ，最低為 35. 44% 。30 臺(tái)鍋爐中，20 臺(tái)鍋爐無法達(dá)到額定負(fù)荷，鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行是鍋爐使用常見的問題。分析 6 臺(tái)燃油鍋爐，5 臺(tái)未達(dá)到額定負(fù)荷。12 臺(tái)燃天然氣鍋爐，5 臺(tái)未達(dá)到額定負(fù)荷。10 臺(tái)燃生物質(zhì)顆粒鍋爐，8 臺(tái)未達(dá)到額定負(fù)荷。燃煤、燃生物質(zhì)氣鍋爐 2 臺(tái)均為達(dá)到額定負(fù)荷。10 臺(tái)能達(dá)額定負(fù)荷鍋爐中，8 臺(tái)額定蒸發(fā)量小于等于1 t /h，說明使用單位傾向于購買比生產(chǎn)需要負(fù)荷大的鍋爐。分析未達(dá)到額定負(fù)荷主要原因有: 鍋爐配置較大; 使用單位負(fù)荷使用量不穩(wěn)定; 鍋爐配置燃燒器熱功率過小，不足夠產(chǎn)生足夠熱負(fù)荷[23]。
2. 5 熱效率
鍋爐熱效率是指鍋爐輸出的熱量與輸入的熱量的比值，可以直觀反映鍋爐是否節(jié)能。30 臺(tái)新安裝鍋爐熱效率測試情況如圖 5 所示。熱效率為正反平衡的平均值。
30 臺(tái)測試鍋爐熱效率最高為 94. 82% ，最低僅為 54. 06% ，根據(jù) TSG G0002 - 2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》工業(yè)鍋爐熱效率附件 A 規(guī)定[13]，30 臺(tái)鍋爐中 16 臺(tái)熱效率不合格。分析 6 臺(tái)燃油鍋爐，可知其熱效率最高為 94. 82% ，最低為 85. 76% ，其中第 1、2、3 3 臺(tái)鍋爐熱效率低于規(guī)程限定值。其排煙溫度和過量空氣系數(shù)超過規(guī)程限定值，負(fù)荷率低于限定值，說明鍋爐配風(fēng)量調(diào)節(jié)不當(dāng)和負(fù)荷率較低是造成鍋爐熱效率較低的主要原因。對(duì)比 12 臺(tái)天然氣鍋爐，其熱效率在 81. 09% ～ 94. 25% 之間，第 9、11、13、14 4 臺(tái)鍋爐熱效率低于規(guī)程限定值。第 9、11 2 臺(tái)鍋爐排煙溫度分別為 273. 8 和 309. 4 ℃，主要是由于未安裝節(jié)能裝置，導(dǎo)致排煙熱損失較大。第 13、14 2 臺(tái)鍋爐排煙 CO 含量分別為 33 450 和 36 450 mg /m3 ，燃燒機(jī)配風(fēng)嚴(yán)重失調(diào)是導(dǎo)致鍋爐熱效率較低的主要原因。對(duì)比 10 臺(tái)生物質(zhì)顆粒鍋爐，其熱效率最高為 86. 16% ，最低為 54. 06% ，第 19、 21、22、23、24、25、26、27、29 8 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐熱效率低于規(guī)程限定值，80% 熱效率不合格。造成燃生物質(zhì)顆粒鍋爐熱效率較低的主要原因: 生物質(zhì)顆粒鍋爐基本都是按照燃煤鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，生物質(zhì)顆粒容易通過爐排間隙掉落導(dǎo)致未完全燃燒; 生物質(zhì)顆粒在鍋爐內(nèi)容易堆積，不能優(yōu)化燃燒，造成飛灰可燃物和排煙 CO 含量增加; 原料來源導(dǎo)致的固體未完全燃燒和氣體未完全燃燒; 操作不當(dāng)、節(jié)能裝置不全導(dǎo)致排煙溫度過高和過量空氣系數(shù)較大，導(dǎo)致排煙熱損失較大。燃生物制氣鍋爐熱效率為80. 42% ，其熱效率仍有較大提升空間。燃煤鍋爐熱效率為 86. 73% ，可知燃煤鍋爐通過增加節(jié)能器，操作合理，節(jié)能效果明顯[24 - 25]。
將不同燃料鍋爐熱效率取平均值，燃油鍋爐熱效率為 89. 86% ，燃天然氣鍋爐熱效率為 88. 42% ，燃生物質(zhì)顆粒鍋爐熱效率為 75. 03% ，燃煤鍋爐熱效 率 為 86. 73% ，燃生物質(zhì)氣鍋 爐熱效率為 80. 42% 。按熱效率從高到底排序依次為: 燃油鍋爐熱效 率 > 燃天然氣鍋爐熱效率 > 燃 煤 鍋 爐 熱效率 > 燃生物質(zhì)氣鍋爐熱效率 > 燃生物質(zhì)顆粒鍋爐熱效率，燃油、燃天然氣鍋爐熱效率較高，節(jié)能效果最佳，而燃生物質(zhì)顆粒鍋爐熱效率最低，節(jié)能效果最差。
3 結(jié)論及建議
( 1) 測試鍋爐中，只有 46. 67% 鍋爐熱效率測試合格，43. 33% 的鍋爐排煙溫度超標(biāo)，63. 33% 的鍋爐過量空氣系數(shù)超標(biāo)，36. 67% 的鍋爐排煙 CO 含量超標(biāo)，66. 7% 鍋爐負(fù)荷率較低。影響燃油燃?xì)忮仩t熱效率的主要原因是鍋爐排煙熱損失，可通過調(diào)節(jié)配風(fēng)量，新增或多增加一個(gè)余熱回收裝置，以及清除鍋爐積灰、污垢等方式提高鍋爐熱效率。影響燃生物質(zhì)顆粒、燃煤鍋爐熱效率的主要原因是固體、氣體未完全燃燒熱損失較大，可通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量，保證燃料品質(zhì)提高鍋爐熱效率。
( 2) 大部分鍋爐均存在“大馬拉小車”問題，低負(fù)荷運(yùn)行不僅造成鍋爐散熱損失增加，而且易造成熱效率偏低，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)能監(jiān)管，提高使用單位節(jié)能意識(shí)。
( 3) 對(duì)于使用單位，應(yīng)提高鍋爐操作人員專業(yè)水平，建立相應(yīng)的節(jié)能管理制度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行制度，提高企業(yè)員工的技術(shù)水平。對(duì)于監(jiān)管單位，應(yīng)制定詳細(xì)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制造監(jiān)檢部門源頭做好把關(guān)，定檢部門及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行能效測試，對(duì)不達(dá)標(biāo)的企業(yè)及時(shí)提出整改意見，確保鍋爐安全高效運(yùn)行。——論文作者：張 佳1 ，李雪熒2 ，何育恒1 ，余 芬1
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