應用熱管技術提高鍋爐熱效率

龔 旻 上海鐵路局杭州北車輛段

隨著生產的發展，鍋爐設備日益廣泛地應用于現代工業的各部門，成為發展國民經濟的重要熱工設備之一。目前，由于我國經濟持續快速發展，我國能源的增長已經大大落后于生產的增長。能源資源的加速開采和消耗，產生了諸如人類實現持久生存和發展的"可持續發展"的問題。這就要求我們必須通過節能措施，提高能源的有效利用率，來彌補能源供應方面的缺口，這是一項非常迫切的任務。顯然，面對量大、面廣的工業鍋爐，如何挖掘潛力，提高它們的熱效率，有著極為重要的現實意義。

1 概況

我段鍋爐房使用的鍋爐是KZL4-13型鏈條爐排臥式快裝鍋爐（見圖1）。

圖1 系統布置圖

此鍋爐是蕪湖鍋爐廠于1984年制造，時間較長，存在不少問題。經鍋爐熱平衡測試，各項主要性能指標如：鍋爐的蒸發量、熱效率和耗煤量等均遠低于原設計標準，能源浪費嚴重。因此，為了提高能源的有效利用，節約能源，根據我段的實際情況，把降低排煙溫度、改善燃料的著火和燃燒過程，作為提高鍋爐熱效率、降低耗煤量的一個突破口。

2 原因分析

如果排煙溫度較高而爐膛進風溫度太低，就會影響鍋爐的熱效率和耗煤量。這是因為：由于鍋爐爐膛的進風溫度是鍋爐房外的冷空氣溫度，這使得燃料的著火和燃燒過程相對延長，化學不完全燃燒損失增大，從而降低燃燒效率和傳熱效果，這對燃燒難以著火的燃料，如多水分、多灰分以及低揮發物等一類燃料影響更為突出。還有，鍋爐的排煙溫度較高，造成了排煙損失增大。這就使得鍋爐在使用時熱效率大為降低，耗煤量大大增加。

3 利用鍋爐排煙余熱，提高鍋爐熱效率的實現

為解決這個問題，我查閱了大量有關資料，又到本市幾家廠、礦參觀，進行實地考察，吸取較好的可行性意見，最后選定了在鍋爐省煤器后加裝熱管式空氣預熱器的方法來解決這一難題。

3.1 熱管式空氣預熱器的工作原理及特點

水重力熱管式空氣預熱器的傳熱元件是熱管，它是由管殼、工質-水所組成。管內部具有0.087MPa～0.096MPa左右的真空度，在較小的溫度梯度下，靠管內工質的蒸發和冷凝，從而不斷吸收和釋放出熱能，將熱量從加熱段傳到冷凝段。這種潛熱要比常見的對流傳熱大幾個數量級（如圖2所示）。

圖2 熱管式空氣預熱器系統布置圖

煙氣自鍋爐本體的排煙口出來，經省煤器后便進入熱管式空氣預熱器下箱體的加熱段。煙氣沖刷熱管進行對流傳熱，將熱量傳給管內工質-水，在一定真空度下，由于水的沸點較低，便能很快達到沸點后蒸發，將熱量迅速向冷卻器（上箱體）傳遞。進入熱管式空氣預熱器冷卻管的常溫冷空氣吸收加熱段傳來的熱量后，被逐漸加熱，而加熱后的空氣再由鼓風機連續不斷地送入鍋爐，從而使爐膛的燃燒情況得到改善。

這種空氣預熱器具有許多顯著優點。由于采用了高導熱元件-熱管，在同等工況下交換相同的熱量，其體積和重量比常規換熱量要小得多，因而煙氣流動阻力較小，僅為常規空氣預熱器的1/5左右，故不需要增加引風機的功率。而在冷卻段其壓降也只有常規管式空氣預熱器的1/3～1/4，鼓風機的功率也可以不改變。此外，這種空氣預熱器的另一種優點是：運行安全性能好。即使某根管子被損壞，可很方便地拆卸更換。

3.2 利用理論公式分析在鍋爐省煤器后的煙道上加裝熱管式空氣預熱器對鍋爐熱效率的提高

低位發熱量Qgd--即燃料完全燃燒所放出的熱量：

其中，

Q1--有效利用熱，即工質所吸收的熱量。

Q2--排煙損失。

Q3--化學不完全燃燒損失。

Q4--機械不完全燃燒損失。

Q5--爐體散熱損失。

Q6--灰渣損失。

在鍋爐省煤器后的煙道上加裝熱管式空氣預熱器，其目的就是為了降低鍋爐的排煙溫度（即降低排煙損失）和降低化學不完全燃燒的損失，以增加有效利用熱。從上述〈1〉式中也可看出：當 Qgd和 Q4、Q5、Q6都不變時，Q2、Q3減少，則 Q1增大。

從〈2〉式中可知，當Qgd固定不變、Q1增大時，則鍋爐效率η也增大。

由公式〈1〉、〈2〉可得，當 Qgd和 Q4、Q5、Q6都不變時，Q2、Q3減少，Q1增大，這鍋爐效率η也將增大。即降低鍋爐排煙損失的化學不完全燃燒的損失，鍋爐的熱效率就會增加。因此，在排煙系統采用熱管式空氣預熱器對鍋爐熱效率的提高是有較大幫助的。

4鍋爐熱效率的測定

2005年，我們對一臺能耗較高的KZL4-13型鍋爐進行了改造。在省煤器后的煙道上加裝了一臺熱管式空氣預熱器，使鍋爐的送風溫度從12℃ 左右上升到75℃～80℃ （三月份測試），排煙溫度由178℃降到132℃，熱效率由原來的66.46%提高到69.86%，耗煤量只占原耗煤量的95.17%，節煤率為4.83%。2006年共節約標準煤約80t左右。

我們可以用正平衡測定法來測定鍋爐的熱效率η

式中：

D--鍋爐實測蒸發量（kg/h）

Dzy--鍋爐自耗蒸發量（kg/h）

Hbq--飽和蒸汽焓（大卡/kg）

Hgs--給水焓（大卡/kg）

W--蒸汽濕度（%）

r--汽化潛熱（大卡/kg）

B--燃料耗煤量（kg/h）

Qydw--燃料的應用基低位發熱值（大卡/kg）

表1 具體測定值

4.1 改造前鍋爐的熱效率ηa

把表1中的數據代入公式〈3〉，得：

第一次測定鍋爐效率ηa1：

ηa1=[(D+Dzy)×(Hbq-Hgs-W×r)/(B×Dydw)]×100%=[(3430+180)×(666.3-60-482.1×2%)/(600×5368)]×100%=66.53%

第二次測定鍋爐效率ηa2：

ηa2=[(D+Dzy)×(Hbq-Hgs-W×r)/(B×Dydw)]×100%=[(3423+180)×(666.3-60-482.1×2%)/(600×5368)]×100%=66.41%

所以鍋爐的熱平均效率為ηa。

ηa=(ηa1+ηa2)/2=(66.53%+66.41%)/2=66.46%

4.2 改造后鍋爐的熱效率ηb

ηb=(ηb1+ηb2)/2=(69.79%+69.93%)/2=69.86%

把表1中的數據代入公式〈3〉，得：

第一次測定鍋爐效率ηb1：

ηb1=[(D+Dzy)×(Hbq-Hgs-W×r)/(B×Dydw)]×100%=[(3598+180)×(666.3-59-482.1×2%)/(600×5368)]×100%=69.79%

第二次測定鍋爐效率ηb2：

ηb2=[(D+Dzy)×(Hbq-Hgs-W×r)/(B×Dydw)]×100%=[(3606+180)×(666.3-59-482.1×2%)/(600×5368)]×100%=69.93%

所以鍋爐的熱平均效率為ηb。

4.3 改造后鍋爐的耗煤量和節煤率

由公式<3>η=[Q1+(B×Qydw)]×100% 可知：

當Q1和Qydw不變時， η×B=Q1/Qydw=恒量

所以，ηa×Ba=ηb×Bb

代入數據得：66.46%×600=69.86%×Bb

得：改造后鍋爐的耗煤量Bb=571 (kg/h)改造后鍋爐的節煤率=[(Ba-Bb)/Ba]×100%=[(600-571)/600]×100%=4.83%

5 前景預測

初步推測，我段鍋爐房兩臺鍋爐加裝這種熱管式空氣預熱器投入使用后，會較大提高鍋爐熱效率，降低耗煤量（假設每臺鍋爐每日滿負荷運行8h，則每年可節約標準煤約160t左右），對難以著火的燃料，如多水分、多灰分以及低揮發等一類燃料燃燒意義更大。

雖目前熱管價格仍較高，一次性投資較常規管式預熱器大一些，但由于它的顯著經濟效益，可很快地收回投資（1年～2年）。因此，熱管式空氣預熱器作為一種新型的節能設備很有推廣應用的必要。