中小型工業鍋爐節能改造技術淺談

張海英　劉國華　曾　斌

[摘要]針對我國中小工業鍋爐熱效率低等現狀，結合現有節能改造技術，對分層燃燒技術、煤粉復合燃燒技術、煤氣化燃燒技術和循環流化床燃燒技術應用于現有中小工業鍋爐改造進行簡要的論述。

[關鍵詞]工業鍋爐 節能改造技術

中圖分類號：F40文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310106－02

一、前言

能源是人們生產和生活賴以生存的重要物質基礎，沒有足夠的能源供應，就沒有生產力和科學技術的發展。隨著我國經濟的快速增長，經濟發展與能源相對不足的矛盾日趨尖銳。我國能源總方針是開發和節約并重，把節能放在首位。目前我國單位能耗所創造的國民經濟收入比工業發達國家低得多，因而如何提高能源利用率是各行各業面臨的共同問題。

二、我國工業鍋爐現狀

作為能源消耗大戶的工業鍋爐，年耗煤炭占煤炭總產量的三分之一左右。其中中小型燃煤工業鍋爐量大面廣，占工業鍋爐總臺數的80%以上，由于普遍存在熱效率低，能源浪費現象非常嚴重，已被列為《國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》部署的十大重點節能工程之首。根據筆者數年的節能服務工作發現：我國燃煤工業鍋爐的燃燒方式以層燃為主；用戶的大多企業老板只要求鍋爐出汽，主管人員只要鍋爐不壞，安全地在運行；操作人員的文化素質有限，只知其然，而不知其所以然；大多數用戶對鍋爐煤耗統計、管理工作不能進行科學分析，以至造成能源浪費現象嚴重，具體表現在以下幾個方面：

1．熱效率低。我國工業鍋爐的主體是層燃爐，實際運行中由于忽視鍋爐尾部受熱面的水垢、煙垢、集灰、漏風等現象，造成受熱面熱阻大，傳熱效果差，導致排煙溫度高，有的甚至超過250℃，過量空氣系數達到2以上，排煙熱損失達到20％以上；爐膛燃燒狀況不穩定是中小型工業鍋爐普遍存在的問題，有的甚至正壓燃燒，爐膛內煙氣流動紊亂，化學不完全燃燒熱損失大大超標。除了上述原因外，后面敘及的情況也是造成熱效率低下的重要影響因素，從而導致鍋爐實際運行效率比設計效率低20％±，平均只有60％左右，有的還不到50％。

2．設備整體技術水平低。主要表現在：（1）運行調節智能化程度低，燃燒過程不能實現自動檢測，自動調節，特別是1t／h以下小型燃煤鍋爐，加煤、調風、除渣、給水、排污等過程調節完全憑司爐工經驗手工操作。（2）節能、環保技術落后，包括燃燒與換熱、水處理、除塵脫硫，余熱回收和灰渣綜合利用等。（3）主輔機不配套，大馬拉小車，輔機性能差、效率低。

3．運行管理水平低。設備完好率低，未經培訓和無證上崗的現象比較普遍。

4．燃料市場環境對工業鍋爐運行的影響不利。燃煤工業鍋爐通常都是按Ⅱ、Ⅲ類煙煤設計。我國燃煤供應目前仍是賣方市場，一般都是直接供應原煤，沒有根據煤質及粒度情況進行加工分類，用戶難以做到按需購買，且煤質多變，造成運行調整困難，機械不完全燃燒增加，熱效率下降。

三、我國中小型工業鍋爐現有的節能技術

由于上述諸多因數，造成鍋爐熱效率低下，結果是能源消耗量過大，甚至不能滿足生產要求。由于在用的工業鍋爐采用鏈條爐排鍋爐居多，當前推廣應用的節能技術大部分也是針對鏈條爐排鍋爐。節能改造技術主要包括鍋爐結構改造、燃燒方式優化、運行管理完善和配套系統優化等。結合筆者從事鍋爐節能改造工作的實際應用，本文從影響熱效率的關鍵因數強化燃燒出發，對我國目前幾種常用的節能改造技術分述如下：

（一）采用分層燃燒技術改造給煤裝置

我國層燃鍋爐都是燃用原煤，其中占多數的鏈條爐排鍋爐采用原有的斗式給煤裝置，使得煤塊和煤末混合堆實在爐排上，阻礙鍋爐進風，影響燃燒。將斗式給煤裝置改造成分層給煤裝置，使煤疏松和控制加煤量，而取消煤閘板；然后通過篩板將煤按粒度分離分檔，使爐排上煤層按不同粒度范圍分成二層或三層在爐排上按顆粒度的大小均勻分布，使較大的顆粒位于煤層下面，有利于進風，改善了燃燒狀況，提高煤的燃燒率，減少灰渣含碳量，可獲得10%左右的節煤率，節能效果視改前爐況而異，爐況越差，效果越好。

分層燃燒裝置從供煤可靠性可分成單輥式、雙輥式、三輥式（如下圖1）等。

1．下煤筒；2．濕煤攪動輥（Ⅲ輥）；3．防漏煤板；4．移煤輥（II輥）；5．爐排；6．傾斜式煤閘板（一次煤閘）；7．撥煤輥（I輥）；8．篩分器；9．防漏風活動擋板（二次煤閘）

圖1三（雙）輥式結構示意圖

由于采用分層燃燒只對給煤裝置進行改造，因此投資少，回收快，而且保留了鏈條爐排操作簡單的優點，但須注意以下問題：

（1）不宜用于沒有空氣預熱器的鍋爐：目前采用的分層燃燒是大塊煤在最下層，中、小塊煤及碎末在上層，對著火有利，因為鏈條爐排的著火、燃燒是由上而下進行的，但對大塊煤的燃燒及燃盡不利。采用有空氣預熱器的熱風助燃，節能效果更理想。

（2）加裝分層燃燒裝置時不要把側墻水冷壁下聯箱的死水區暴露在爐膛內：鏈條鍋爐兩側墻水冷壁的下聯箱為了便于沖洗，其前端都是通至前墻外沿。從側墻水冷壁爐前第一根水冷壁管起，向前直至前墻外沿這一段下聯箱就形成死水區，這段死水區是封閉在爐墻內不讓受熱的。加裝分層燃燒裝置后將前墻前移，使部分死水區暴露在爐膛中，易造成受熱不均，局部爆管，影響鍋爐安全穩定運行。

（3）分層燃燒裝置機構必須靈活可靠：隨著分層燃燒技術的推廣，經營及加工單位日益增多，制造加工水平差別懸殊。機構運轉不靈活或發生故障會造成被迫停爐檢修。

（二）采用煤粉復合燃燒技術改造燃燒系統

鏈條鍋爐加煤粉復合燃燒方式的機理是將鏈條爐排和煤粉這兩種不同燃燒方式有機結合，共用在一臺爐上，即保留爐排進行層燃，又在爐膛適當位置噴入適量煤粉，使之在爐排層燃基礎上，增加適量的懸浮燃燒。在燃燒過程中，煤粉靠爐排火床點燃，煤粉燃燒形成的高溫火焰提高了爐膛溫度，為鏈條爐排上的煤層著火提供豐富的熱源，改變了過去鏈條爐單純依靠爐拱熱輻射引燃的狀況，大大改善了鏈條爐排上新煤的著火條件；同時，穩定燃燒的火床又是煤粉氣流著火的可靠熱源，保證煤粉及時穩定地著火。復合燃燒方式不僅保留了鏈條爐負荷適應性好、負荷調節方便、容易掌握、勞動強度低的優點，同時發揮煤粉燃燒效率高、對煤種變化適應性強及燃燒強度高的一面，使爐膛溫度提高，強化爐內燃燒過程，提高鍋爐燃燒效率及煤種適應性。

鏈條爐采用煤粉復合燃燒改造保留原爐排燃燒系統，同時增加一套制粉、輸粉系統，詳見圖2所示。

1.煤斗；2.給煤機；3.風扇磨；4.粗粉分離器；5.輸煤粉管道；6.燃燒器；7.鍋爐管束；8.煙氣管道；9.空氣預熱器；10.熱風管道；11.熱風管道；12.省煤器；13.除塵器；14.送風機；15.引風機；16.上汽包；17.抽煙氣口

圖2復合燃燒設備系統

通過工程的實際應用測試，鏈條爐采用復合燃燒技術改造，強化了爐內燃燒過程，最大限度地挖掘鍋爐自身節能潛力，鍋爐效率可提高10%左右，鍋爐負荷可增容15%左右；而且爐排和煤粉運行時可根據負荷大小隨時調整，負荷低時單獨用爐排，負荷高時加上煤粉系統，調節幅度大、速度快，并可臨時停爐、壓火，在磨煤機臨時檢修或發生故障時，爐排照常運行，調節負荷方便、操作簡單。但是，有如下問題須注意：

（1）風扇磨的使用壽命問題：目前風扇磨的沖擊板和襯瓦設計使用壽命一般在2000小時左右，實際使用壽命只有1000小時左右，主要是煤中的矸石和金屬物塊。風扇磨使用周期短，維修工作量大。

（2）排塵濃度的增高和飛灰的磨損問題：采用復合燃燒后，鍋爐原始排塵濃度增高很多，對環保有一定的影響。因此，要相應地改善除塵裝置，提高除塵效率。并且也應考慮飛灰的增加，會加劇對鍋爐管子的磨損。

（3）燃燒空間的問題：層燃爐和室燃爐的爐室容積熱強度qv不相同，鏈條爐的qv=290～500kw/m3.h，而煤粉爐qv=140～240kw/m3.h，兩者相差較多。要按風扇磨的容量和噴煤粉量，對層燃爐爐膛容積進行復核確定復合燃燒技術的適應性。小型快裝工業鍋爐的爐膛容積較小，不適合采用復合燃燒技術。

（4）煤粉燃燒器的二次風問題：一般風扇磨制粉系統內的氣體，可抽用熱煙氣，但燃燒器出口的二次風需要用預熱空氣，否則煤粉著火、燃燒不易穩定。

（三）采用煤氣化無煙燃燒技術改造燃燒系統

煤氣化無煙燃燒技術是綜合煤氣發生爐和層燃鍋爐燃燒工況的基礎上設計開發的一種新的潔凈燃燒技術之一。該項技術是將鍋爐在結構上把傳統的煤氣發生爐與層燃爐有機地結合，使固態煤的氣化過程與燃燒過程在一個爐膛內一起完成。同時通過相應的強化燃燒等措施實現飛灰在爐內的分離燃盡，即使沒有爐外除塵器的小型鍋爐，也可以消除黑煙滾滾的嚴重污染現象。

對傳統的固定爐排手燒鍋爐，拆出固定爐排，安裝自破渣式滾動爐排，爐排底部改為水封式風室和灰坑；增設壓頭較高的送風機．在原爐膛煤層上部的空間內增設分段送風裝置；對人工投煤雙層爐排鍋爐，可保留雙層爐排，僅在雙層爐排之間增設分段送風裝置和風壓較高的送風機，同時底部爐排下部改為水封式灰坑；對往復爐排和鏈條爐排鍋爐，僅在煤層表面適當位置增設分段送風裝置和一臺風壓較高的送風機即可實現消煙之目的；如果原有的送風機的風壓經核算認為符合要求，可不另設送風機。

傳統鏈條鍋爐采用煤氣化無煙燃燒技術改造，不僅使排煙符合國家I類地區環保標準要求，減輕大氣污染，降低排污費用，而且熱效率可提高lO-20%，與采用循環流化床燃燒技術改造燃燒系統相比，投資小，回收期短，操作簡單。但須應注意以下幾個問題：

1．煤的氣化特性：中小型工業鍋爐氣化燃燒可適用的煤種有褐煤、煙煤、長焰煤、不粘或弱粘煤。對煤的氣化特性和灰熔點有一定要求，低灰熔點的煤不適于采用氣化燃燒，因為低灰熔點容易結焦。若對燃用的煤種認識不夠，煤易結焦，氣化燃燒不起，導致改造失敗。

2．煤的粒度：氣化燃燒要求入爐煤最好是塊狀煤，煤末易堵塞煤粒之間的縫隙，對煤氣化不利。

3．鍋爐大型化：氣化燃燒目前僅在6t/h以下鍋爐成功改造實施，更大一些的鍋爐還有待進一步實驗研究。

（四）采用循環流化床燃燒技術改造燃燒系統

循環流化床燃燒技術是一種新型的高效低污染、目前商業化最好的清潔燃燒技術之一。流化床燃燒是床料在流化狀態下進行燃燒，其燃料可以為化石燃料、工農業廢棄物和各種生物質燃料。一般粗重的粒子在燃燒室下部燃燒，細顆粒在上部燃燒。被吹出燃燒室的細顆粒采用各種分離器收集下來送回燃燒內循環燃燒。

由于其自身低溫、循環流化燃燒機理，它的熱效率比層燃鍋爐高15-20個百分點，而且，具有對燃料的適應性強，可以燃用劣質煤；燃燒效率高，通常在97.5％-99.5％之間；負荷調節性能好，一般在30%-110%，甚至可以在20%負荷的情況下保持穩定運行；環保性能好，灰渣可直接生產建筑材料，實現綜合利用。

采用循環流化床燃燒技術改造層燃鍋爐燃燒系統，將循環流化床技術與鏈條鍋爐有機地結合，取消原鍋爐的燃燒設備，在爐前增加流化床燃燒室；新增流化床燃燒室與原鍋爐間的連接煙道，由原鍋爐的爐膛形成自然沉降室。流化床燃燒室出口攜帶飛灰的熱煙氣由連接煙道，經沉降室后，自然沉降下來的飛灰通過增加的返料裝置返回流化床燃燒室進行循環燃燒。如圖3。

1一風室； 2一絕熱燃燒室；

3一豎埋管； 4一返料管；

5一下水管； 6一螺旋給煤機；

7一沉降室； 8一水冷壁上集箱；

9一新增鋼架； 10一連接煙道；

11一原鍋爐爐膛；12一下鍋筒；

13一對流管束；14一上鍋筒；

圖3循環流化床燃燒技術改造后鍋爐簡圖

改造后測試結果表明：鍋爐大渣含炭量≤2%，除塵灰含炭量≤12%，鍋爐熱效率達79.5%，比改前提高了近20%；鍋爐滿負荷和超負荷能力強，運行穩定，煤種適應性好；同時大渣和除塵灰全部用于水泥廠作水泥摻合料或磚廠生產灰渣磚，達到了環保和資源綜合利用的目的。

循環流化床燃燒技術實現工業鍋爐節能技術改造，雖然體現了循環流化床燃燒技術的優點，但還有以下需要值得注意的地方：

（1）入爐煤粒度：循環流化床燃燒技術要求入爐煤粒度在8-13mm，因此需要對原有煤處理系統進行改造。

（2）排塵濃度：采用循環流化床燃燒技術后，鍋爐原始排塵濃度比原層燃增高很多，原由除塵裝置不能滿足環保要求，需相應地改善除塵裝置，提高除塵效率。

（3）送、引風機：循環流化床燃燒技術需要高壓頭的送風機，同時由于系統阻力變化，原有送引風機性能參數已不能滿足要求，需要根據改造后鍋爐更換原引、送風機。

（4）點火、運行操作技術水平要求高，需要經過特殊培訓后才能上崗。

（5）投資較高：改造投資較高，約為購置新爐費用的65%。

四、結論

綜上所述，中小型工業鍋爐節能技術改造的以上各項內容實施后，較大幅度地減少煤炭或其他燃料的消耗。但各項節能技術各有有缺點，究竟采取何種措施，應結合企業的實際需要、鍋爐的實際狀況及煤源、煤質、投資、運行人員素質等進行綜合分析，遵守技術先進、方案成熟、經濟合理的原則，選擇合理的節能技術方案，最大限度地實現節能效果，既符合國家能源政策，又滿足企業的生產需要，為企業帶來經濟效益。

參考文獻：

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