工业锅炉低负荷工况节能分析与对策

1、工业锅炉低负荷工况节能分析与对策陈志刚 , 毛富杰 , 张 旭 , 王 方(天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192摘 要 :工业锅炉作为一种重要的热能动力设备被广泛运用 , 但其存在大量低负荷运行 , 偏 离最优运行负荷的情况 , 这造成锅炉实际运行效率较低 , 造成了大量能源浪费 。 重点论述了在 链条炉排工业锅炉低负荷运行状态下影响锅炉效率的因素 , 并提出了相应对策 , 以达到改善热 效率的目的 。关键词 :低负荷 ; 工业锅炉 ; 热效率中图分类号 :TK2296文献标志码 :B 文章编号 :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引言煤是我国目前可利用能源型式中的主要能 源 , 在我国一次能源消费结构中占 70%以上的份 额 。 工业锅炉是我国耗能最多的设备之一 , 每年 消耗的能源约占整个国家能源消耗的 1/3。 全国 在用工业锅炉保有量约 50多万台 , 约 180万 t /h。 其中燃煤锅炉约 48万台 , 占工业锅炉总容量的 85%左右 , 平均容量约 34t /h, 其中容量在 20t /h以下占 80%以上 , 煤炭消耗

5、量占全年煤炭产量的 23%。 在工业锅炉中大部分为链条燃煤工业锅 炉 。 链条炉往往需要燃烧优质煤 , 而热能的低效 率利用却浪费了大量能源 。 从全国来看 , 我国燃收稿日期 :20110605修订日期 :20110611作者简介 :陈志刚 , 男 , 硕士研究生 , 锅炉 、 压力管道检验员 , 主要从事锅炉 、 压力管道检验 、 节能减排等工作 。 煤工业锅炉效率低 , 污染重 , 工业国家平均水平为 80%以上 , 而我国工业锅炉平均实际热效率仅为 60% 65%, 小容量的工业锅炉热效率只有 50% 60%, 节能潜力巨大 1。链条炉排工业锅炉长期存在的低负荷运行工 况是造成我国链条

6、锅炉热效率低下的重要原因 。 据统计 , 目前我国工业锅炉的一般平均运行负荷 只有额定负荷的 30% 70%左右 , 锅炉容量越 小 , 平均负荷率越低 。 一般来说 , 只有在 80% 95%额定负荷下工业锅炉才能达到最佳运行热效 率 。 但由于某些用户购买锅炉时的盲目性 , 或对 未来可能的热量需求的考虑 , 我国工业锅炉运行 的实践中 , 使得工业锅炉运行中普遍存在低负荷 运行 , 即 “ 大马拉小车 ” 的现象 。 此外 , 低负荷运 行时送 、 引风机挡板均要关小 , 造成节流损失 , 消 耗能源 。 给水泵也存在负荷不足的现象 , 这样就 增加了损失 , 由于辅机损失增大 , 从而

7、使锅炉机组 净效率下降 。 因此 ,链条式燃煤工业锅炉在低负 荷条件下的运行热效率需要重点关注 。 新颁布的 锅炉节能技术监督管理规程 对燃煤工业锅炉 主要参数进行了限制 , 对燃煤工业锅炉的热效率 规定了限定值和目标值 , 尤其明确了对在用锅炉 实际运行热效率进行定期检测的要求 。2低负荷运行各参数分析反平衡热效率测试是通过测定锅炉各项热损失的方法来确定锅炉热效率 。 虽然测试误差高于 正平衡测试方法 , 但能够清除地标明锅炉各项热 损失 , 为分析影响锅炉热效率的因素 , 提出改善热 效率措施提供了依据 。 工业锅炉反平衡热效率计 算的热损失包括 :排烟热损失 q 2、 气体不完全燃 烧热

8、损失 q 3、 固体不完全燃烧热损失 q 4、 散热损 失 q 5、 灰渣物理热损失 q 6。 对于在额定工况下运 行的链条炉排燃煤工业锅炉 , 在锅炉运行条件较 好的情况下 ,排烟热损失 q 2和固体不完全燃烧热 损失 q 4这两项之和 , 占到锅炉热损失的 80%以 上 , 不完全燃烧热损失 q 3、 q 4往往占到热损失的 10% 15%。 由此可见 , 此时排烟热损失 q 2是影 响锅炉热效率的最重要参数。图 1对于低负荷运行的锅炉 , 各项损失在锅炉反 平衡热效率计算中的影响相类似 , 但由于运行参 数的差异 , 使得各项损失的比重不同于额定负荷 运行情况 , 改善链条炉低负荷运行时

9、的热效率的 途径也应有所不同 。 21排烟热损失 q 2对热效率影响排烟热损失 q 2在锅炉反平衡热效率计算中 所占的比重相对较大 , 而该项损失主要受排烟处 过量空气系数和排烟温度影响 ,因此降低锅炉排 烟温度和过量空气系数成为提高锅炉热效率的关 键 。 图 2为按照简单计算得到的排烟温度和过量 空气系数与 q 2关系图。 图 2排烟温度和过量空气系数与排烟热损失 q 2关系图作为锅炉热损失中最大的一项 ,q 2与 a py 直接 相关 ,随着 a py 的增加 , q 2增加的速度大于 a py 的增 加速度 , 这在排烟温度较高时尤为明显 。 排烟温 度越高 , q 2正比于 a py

10、的曲线斜率越大 , 相应的 q 2增加速率就越大 。 如 t py =300 时 ,a py 从 15升 高到 25时 ,q 2从 1487%升高到了 2411%, 增 加了约 92%, 为 t py =150 时的 2倍多 。 当排烟 温度增大时 , q 2正比于 a py 的曲线斜率也越大 , 相应的 q 2随 a py 增加的速率也就越大 。 因此 , 为了 提高锅炉运行效率 , 排烟温度越高越要严格控制a py 。 当排烟温度 tpy一定时 , q 2与 a py 大致线性关系 , q 2随 a py 的增加而增加 。 如当 t py =150 时 , apy为 15, q 2为 66

11、12%, 当 a py 为 25时 , q 2为10176%, 即 apy增加 10, q 2增加约 35%, 相应 的锅炉效率下降约 35%。常用的降低锅炉排烟热损失的技术措施主要 是增加尾部受热面 , 改善烟道的密封状况等 , 这对 于在额定负荷情况下运行的锅炉是有效的措施 。 低负荷运行条件下 , 排烟温度往往已经偏低 , 理论上不是造成排烟热损失 q 2以及锅炉热效率 降低的主要原因 , 为了保证锅炉尾部受热面安全 运行 , 也不宜一味降低锅炉排烟温度 。 相对于额 定负荷运行 , 低负荷运行时由于燃烧需要的空气 量减少 , 空气入炉的速度不足 , 为了达到相同的炉 膛深度或扰动程度

12、, 只能人为加大给风量 , 增大过 量空气系数 。 这就是为什么低负荷运行锅炉排烟 温度较低的同时 , q 2热损失仍然占据很高比例的 原因 2。22不完全燃烧热损失 q 3 、 q4对热效率影响不完全燃烧热损失 q 3、 q 4主要受燃烧状况影 响 。 对于额定负荷运行的锅炉 , 如果燃烧效率能 达到 90%, 那么该项损失的影响往往在 10% 15%之间 , 其中 q3对于链条炉来说一般在 02% 2%之间 。 对于额定负荷运行的锅炉降低该项损 失时 , 要注意避免过量空气系数的增加带来的 q 2的显著增大 , 因此这需要对这两项 (q 2和 q 4 损失 进行综合分析 , 选择最佳的过量

13、空气系数 。 低负荷运行致使一些锅炉运行参数难以控制 在合理范围内 , 如炉膛温度 、 给风量 、 漏风系数等 。 过高的炉膛过量空气系数 , 造成火床和炉膛温度 偏低 , 燃烧速度明显减慢 , 燃煤量减少 , 炉内温度 降低 , 使燃烧工况变坏 , 煤中的固定碳燃烧变得更 加困难 , 炉渣含碳量增加 , 这样就使得不完全燃烧 热损失 q 3、 q 4增大 , 运行效率下降 。低负荷下锅炉压力降低使汽水混合物的饱和 温度降低 , 导致燃料消耗量的减少 , 过量空气系数 增大 , 最终使炉膛温度降低 , 炉膛温度降低对燃料 的燃烬不利 。 炉膛温度降低 , 辐射换热系数下降 , 造成锅炉整体传热

14、系数的降低 , 也造成锅炉热效 率降低 。低负荷下较高的过量空气系数和炉膛水冷 度 , 影响了炉内煤的点燃和燃烧 , 并最终影响了煤 的燃烧效率 。23散热损失 q5、 灰渣物理热损失 q6对热效率 影响散热损失 q 5对于锅炉的效率影响相对较小 , 约占 1% 3%, 一般不超过 2%。 在 工业锅炉 能效测试与评价规则 的测试方法中 , 该项仅给 出了参考范围 。 改善该项损失的方法也相对简 单 , 无外乎加强锅炉的绝热工作 。 灰渣物理热损 失 q 6是最为稳定的一项损失 , 计算中只与灰渣量 有关系 , 而且数值是最小的 。 在低负荷下两者的 数值的增大是在绝对值未发生变化下相对值的增

15、 大 , 实际上无论锅炉的运行状况如何 , 负荷如何 , 对于同一台锅炉其 q 5和 q 6损失的绝对值是变化 不大的 。 在实际运行的锅炉当中存在锅炉保温较 差的情况 , 测试处最高温度会超过规程的上限值 , 那么该情况下 q 5的损失显然过大 , 需要加强保温 工作 。3改善低负荷运行热效率措施 31蓄热式炉拱改善燃烧工况工业锅炉炉拱对于组织燃料燃烧 , 提高燃烧 效率至关重要 。 前拱侧重于引燃新煤 , 后拱侧重 于强化主燃区和烤渣燃尽 。 提高炉拱温度能够加 强对煤的点燃作用 , 提高燃烧区煤层温度 , 进一步 改善煤的燃烧 3。 炉内辐射换热公式和煤烟衰 减系数公式为 :E =A (

16、T 41T 42e k e (1ke=4300(TD 2/3a p 105(2 式中 E 为辐射换热量 ; 为炉内材料发射率 , 为 斯忒藩 玻耳兹曼常数 ; 0为标准状态下气体密 度 ; D 为煤烟粒子平均尺寸 , 单位为 m ; T 为定性 温度 (绝对温度 , 取为炉膛出口温度 ; p 通常取为1/3; a为粒子浓度 。炉膛内其他参数相对固定 , 那么不同炉拱温 度辐射热量之比为 :E T 3 E T 2 =T 43T 41T 42T 41(3可见 , 辐射热量的大小与辐射体绝对温度的 4次方成一定的正比关系 。 采用蓄热辐射式炉拱 时 , 炉拱温度能够提高 100 200 , 其辐射热

17、 量比值提高了 3 8倍 。 高温的功能材料形成对 新煤层强烈的热辐射 , 在点燃区形成剧烈燃烧 , 提 高了对不同煤种 、 煤质变化的适应性 , 达到新煤快 速着火 , 不再发生断火现象 , 在炉膛温度降低的条 件下 , 有效提高煤层处的温度 。 由于起火线提前 , 延长了燃煤在炉内的燃烧时间 , 为整个后面强化 燃烧过程打下了基础 。32蒸汽二次风改善炉内流场蒸汽二次风有利于小容量锅炉在低负荷下保 持炉温水平以及一定的锅炉热效率 。 这主要是由 于蒸汽二次风在造成炉内流场形成湍流的同时 , 蒸汽本身对煤还有一定的助燃作用 。 在锅炉正常 燃烧过程中 , 由于鼓风机与引风机的作用 , 燃烧室

18、 中存有较多的悬浮碳粒 , 这些悬浮碳粒实际上相 当于一种强有力的还原剂 , 它不仅从一次风中吸 收氧 , 而目也从现存的氧化物中夺取氧而成为碳 的氧化物 , 在炽热的蒸汽风进入燃烧室和高温碳 粒接触时 , 立即发生如下的反应 :H 2 O +C +1l7932KJ =CO +H2(4反应所生成的 CO 和 H 2又马上和炉膛内的 氧气发生 , 燃烧并且放出大量的热量 。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 烟气中

19、的 CO 2与水蒸汽混合后能大大提高 火焰的黑度 , 产生较强的辐射作用 , 可以有效地提 高炉膛的燃烧程度 , 强化燃烧 , 降低炉渣可燃物含 量 , 提高燃烧效率 4。蒸汽二次风的喷射速度为该处烟气流速的 68倍 。 蒸汽二次风的风量不易太多 , 一般为一 次风空气量 6%左右 , 要根据锅炉的实际运行情 况 、 负荷情况及燃烧等情况进行调整 。 蒸汽二次 风的汽压一般情况下可选 04Mpa 。33控制过量空气系数的措施过量空气系数对于低负荷运行锅炉热效率意 义重大 , 各种运行负荷均存在最佳过量空气系数 值 。 过量空气系数的经验公式为 a k =a +(07 +D /Ded。 但低负荷运行锅炉的实际过量空气 系数要远远超过最佳过量空气系数 。目前 , 大部分锅炉所采用的风机不具备变频 调速功能 , 风量的调节只能通过司炉工经验 , 人为 改变进风挡板的位置