燃煤工業鍋爐能效測試分析與探討

王志建，楊斌學，丘性通

（1福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州350008）（2國家工業鍋爐質量監督檢驗中心(福建)，福建 福州350008）

1 引言

工業鍋爐是我國重要能源轉換設備，也是能耗大戶。截至2016年底，我國工業鍋爐總數約53.44萬臺，其中燃煤工業鍋爐占80%以上，年燃料消耗量約5億噸標準煤，約占全國煤炭消耗總量的四分之一[1-2]。鍋爐熱效率的高低是衡量鍋爐經濟運行的重要指標，我國燃煤工業鍋爐整體能效水平較低，平均運行效率大多在60%～65%之間，與先進國家燃煤工業鍋爐平均運行熱效率80%～85%相比偏低10%～15%，作為能源轉換設備具有較大的節能挖掘潛力。文中結合燃煤工業鍋爐能效測試，就影響熱效率的各因素進行分析，并根據測試結果探討工業鍋爐的各項熱損失影響因素，旨在提出相應的節能對策與改進措施,為企業進一步做好鍋爐節能減排提供參考。

2 測試依據與項目

采用TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》[3]中用于鍋爐運行工況熱效率簡單測試規則，依據TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》[4]、GB/T 15317-2009《工業鍋爐節能監測方法》[5]等法規標準進行評判。鍋爐運行工況熱效率簡單測試采用反平衡法，即：

式中：——鍋爐反平衡熱效率；——排煙熱損失；——氣體未完全燃燒熱損失；——固體未完全燃燒熱損失；——散熱損失；——灰渣物理熱損失。

工業鍋爐運行工況熱效率簡單測試項目主要包括排煙溫度（tpy）、排煙處過量空氣系數（αpy）、排煙處CO含量、飛灰可燃物含量（Cfh）、漏煤可燃物含量（Clm）、爐渣可燃物含量（Clz）、燃料分析等。

3 測試結果及分析

對某地區開展的83臺燃煤工業鍋爐能效測試結果數據進行匯總分析，鍋爐額定蒸發量均為（D≥4t/h）。鍋爐熱效率、排煙溫度以及過量空氣系數的主要試驗結果見表1。

表1 鍋爐熱效率、排煙溫度以及過量空氣系數測試結果統計表

由表1可知，所測83臺燃煤工業鍋爐中，鍋爐的平均熱效率一定程度上隨著額定蒸發量的增加而增大，鍋爐熱效率與相應的最低限定值之間相差1～3個百分點，與目標值之間相差7～9個百分點。所測試鍋爐的加權平均熱效率為76.67%，其中鍋爐熱效率符合TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》中第9條要求的僅為40臺，合格率為48.19%；排煙溫度符合TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》中第9.1條要求的僅37臺；過量空氣系數符合TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》中第9.2條的僅有2臺。綜合來看，平均效率低于TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》要求的最低限定值（80%），而部分燃煤工業鍋爐效率僅為45.99%～50.53%，更是嚴重低于TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》中熱效率最低限定值的要求。現對各項熱損失進行如下具體分析。

3.1 排煙熱損失

排煙熱損失是指最后一級熱交換器排出煙氣焓大于一、二次風進入鍋爐的焓，所引起的熱量損失。在測試的83臺鍋爐中，其中排煙熱損失值為6.06%～27.79%，加權平均排煙熱損失值為16.58%，足見該部分熱效率損失之大。排煙熱損失主要取決于排煙溫度與過量空氣系數的大小。一般而言，當排煙溫度在165℃～205℃之間，過量空氣系數值每降低0.1時，能有效降低排煙熱損失0.48～0.61個百分點。文中鍋爐排煙溫度過高的案例所占的比例超過68.5%。一般而言，鍋爐排煙溫度每升高15℃～25℃，排煙熱損失將增加1%左右[6]。排煙溫度偏高的影響因素主要有以下兩個：

（1）鍋爐尾部無布置受熱面或布置受熱面不合理等。文中所測試的燃煤工業鍋爐中，安裝空氣預熱器與省煤器各占比例分別為47%、59%，致使高溫煙氣未得到充分利用而造成排煙溫度較高，熱損失值增大。

（2）由于部分鍋爐使用單位在鍋爐運行操控過程中缺乏定期清理意識，忽視省煤器內水垢、煙灰的清理以及爐膛內水管表面灰垢的清除，造成熱阻增大，傳熱效果差，排煙溫度升高。據相關文獻顯示，若灰垢增加1mm，鍋爐熱損失將相應增加4%～6%，鍋爐本體內部每結垢1mm會造成3%～5%的熱效率損失，浪費巨大[7]。

根據TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》中排煙熱損失的計算方程為：

從研究排煙溫度tpy與排煙熱損失的關系出發，蘇文娟[8]等部分研究者對鍋爐的實際運行情況進行定量的分析，對上述計算方程控制變量進行簡化分析，tlk加權取平均值為35.4℃；αpy加權平均值為2.74；固體未完全燃燒熱損失加權平均值為4.2；燃料為煙煤，按照TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》中m取值0.4，n取值3.6；將計算方程簡化為簡單的線性關系有：=0.0983tpy-3.48。從圖1的對比分析可以發現，簡化后的計算方程與燃煤鍋爐排煙熱損失的散點圖基本相符。

圖1 鍋爐排煙溫度tpy和排煙熱損失的關系圖

按TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》的要求，過量空氣系數αpy不大于1.65，但從該地區測試的83臺燃煤工業鍋爐（層燃鍋爐）能效測試結果來看，僅2臺鍋爐能符合此要求。筆者從實際的測試工作中獲悉，大多數司爐工由于缺乏系統的培訓，操作過程中并未對鍋爐αpy進行監控，而是盲目或憑個人經驗運行鍋爐，造成αpy偏大或偏小，難以及時根據燃燒工況和負荷配置最經濟的風煤比。過量空氣系數對于鍋爐的熱損失均具有很大影響。αpy與各項熱損失關系如圖2所示。

圖2 αpy與各項熱損失關系示意圖

αpy過大或過小都會影響熱效率的值。當αpy過小時，導致燃料的燃燒不充分，進而造成增大；當αpy過大時，導致排煙量增大，帶出煙氣熱量增加，進而造成 增大，同時會降低爐溫導致增大[9]。因此，需要嚴格控制空氣的供給，可以通過在鍋爐尾部加裝測氧裝置的反饋來調控一、二次風率。

3.2 氣體未完全燃燒損失

氣體未完全燃燒損失通常是指排煙系統中的可燃氣體（CO、H2、CH4等）所帶走的熱量。對燃煤工業鍋爐而言，較小，一般不超過0.5%。根據TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》運行工況下簡單測試中采用查表計算，主要根據排煙處CO的含量來選取，略去其他可燃氣體的影響，便于快速簡單測試。一般可通過調節鍋爐負荷以及適當的過量空氣系數來降低。

3.3 固體未完全燃燒損失

固體未完全燃燒損失通常是僅次于排煙熱損失的又一項重要損失[10]。一般情況下，主要是由爐排漏煤、灰渣可燃物和飛灰可燃物三部分組成。爐渣含碳量減少2.5%～3.0%（質量百分比），就可節約約1%的燃料。文中所測試的83臺燃煤工業鍋爐，加權平均值為4.2%，最高的達到11.5%，可見此項損失所占比例較高，對鍋爐熱效率影響較大。在所測試的83臺燃煤工業鍋爐的爐渣、飛灰、漏煤可燃物含量分布見表2。

表2 可燃物含量對應燃煤工業鍋爐數量

影響的因素及降低的方法如下：

（1）飛灰熱損失主要是由于煤粉粒徑在爐膛中停留時間少于燃盡所需時間而造成的，因此，可適當保持足夠的爐膛溫度和足夠的空氣。

（2）爐渣熱損失主要是由于爐渣中可燃物沒有燃盡而導致的，因此應改善燃燒狀況，合理調配一、二次風。另外，通過擋渣裝置增加爐渣在爐排上的逗留時間，有利于爐渣可燃物的燃盡。

（3）漏煤損失可通過對爐排的經常檢查與維修而得到控制，應防止爐排片由于受力受熱而發生故障或磨損，從而造成通風間隙增大和漏煤增多[11]。

3.4 散熱損失

文中所測的83臺燃煤工業鍋爐中加權平均值為2.2%，一般容易被忽視。散熱損失的大小主要取決于散熱面積的大小，表面溫度和環境條件。一般而言，隨著鍋爐容量的增加而減小；還與負荷有關，隨著負荷的減小而增加。可通過對鍋爐保溫層的及時檢修、提高爐墻的磚砌質量以及運行中鍋爐內部微負壓等方法降低

3.5 灰渣物理熱損失

灰渣物理熱損失是由于排出的高溫爐渣所帶走的熱量，這項損失一般比較小，不到1%。爐渣的物理熱損失主要取決于燃料的類別、除渣方式。一般可通過調整燃燒，控制燃料在達到擋渣板前0.3m～0.5m處燃盡。

4 結語

文中通過對某地區83臺4t/h及以上燃煤工業鍋爐的簡單能效測試普查結果進行綜合評定，依次對各項熱損失進行系統的分析，發現所測試的鍋爐中有很大的比例出現排煙溫度偏高、過量空氣系數偏大、爐渣和飛灰含量過高等問題，導致鍋爐熱效率降低，能耗損失增大。針對上述問題的產生原因及影響因素，文中提出相應的解決措施，并據此指導企業提升鍋爐能效，對于促進節約發展，降低企業生產成本，大力發展循環經濟，推動清潔綠色發展具有重要意義。

參考文獻

[1]國家質檢總局.全國特種設備安全狀況通報[R].2016.

[2]燃煤鍋爐節能環保綜合提升工程實施方案[R].2016.

[3]TSG G0003—2010.工業鍋爐能效測試與評價規則[S].

[4]TSG G0002—2010.鍋爐節能技術監督管理規程[S].

[5]GB/T 15317－2009.工業鍋爐節能監測方法[S].

[6]俞翔.工業鍋爐能效測試分析[J]．裝備制造技術,2013,(04):191-194.

[7]阮黎鳴.工業鍋爐節能運行與改造[J].廣西輕工業,2011,27(07):35-36.

[8]蘇文娟,蘇利群,沈浩鋒,等.對工業鍋爐能效測試的分析探討[J].中國特種設備安全,2017,33(06):43-47.

[9]邱征宇,趙輝,熊偉東,宋悅.杭州在用工業鍋爐改造運行能效狀況分析[J].中國特種設備安全,2017,33(07):58-61+81.

[10]李巍,江德龍.工業鍋爐能效偏低的原因分析與解決對策[J].節能,2013,(06):68-70.

[11]張萬紅,魏斌.中小型燃煤鍋爐熱損失技術分析[J].青海科技,2009,16(02):69-72.