城市節能監察工作中的鍋爐燃燒問題研究

嚴衛華

（常德市節能監察中心 湖南常德 415000）

引言

能源是人類進入工業化社會后生存與發展必須的物質基礎。根據英國石油公司發布的《世界能源統計年鑒2019》，世界煤炭可開采188年，我國僅為53年；世界石油可開采54年，中國僅為18.5年。從人均儲量來看，我國能源更顯匱乏。此外，目前我國能源利用效率也較低，單位GDP能耗為世界平均水平的2倍，發達國家的4～6倍。能源消耗過快以及隨之產生的環境污染問題已對我國經濟的可持續發展構成重大挑戰[1]。因此，節能降耗已成為當前經濟工作中一項緊迫且必要的任務，政府相繼出臺了一系列政策與法規推動節能工作，確立了“節約與開發并舉，把節約放在首位”的能源戰略。

節能監察是保障我國能源戰略的相關政策與法規實施的重要手段。城區的節能監察工作則在維護市民日常生活免受環境污染影響的過程中發揮著重要的支撐作用。而其中，城區鍋爐的燃燒監察工作逐漸得到了政府相關部門的重視。目前煤炭在我國能源生產與消費結構中仍占主導地位。根據國家統計局數據，2018年我國原煤產量36.8億噸（25.8億噸標準煤），在總能源生產中占比68.3%；煤炭消費量27.4億噸標準煤，在總能源消費中占比59.0%。鍋爐的燃煤消耗則是目前我國煤炭消費的重要組成部分。近年來，隨著我國南方部分城市開始試行集中供暖，未來的鍋爐燃煤消耗勢必仍將保持在較高的水平。相關研究表明，供暖鍋爐的煙氣排放亦是我國每年冬季大氣污染狀況更為嚴重的原因之一[2]。對城區鍋爐的燃燒狀況進行監察并促使其改進有助于節約能源消耗、減少污染排放，具有十分重要的意義。

本文首先依據常德市城區鍋爐燃燒監察工作的現狀，指出了企業在使用鍋爐中存在的燃燒問題。進一步地，研究了影響城市供熱鍋爐節能燃燒的主要因素，總結了目前國內外提升鍋爐燃燒性能的主要技術手段，以期對未來我國城區鍋爐節能監察與減排工作提供指導，從而推動鍋爐燃燒性能的持續提升。

1 城市供熱鍋爐監察的現狀

1.1 爐渣含碳量及燃煤含硫量監察數據

常德市節能監察中心自2003年開始，每年對城區范圍的燃煤鍋爐開展1～2次的節能燃燒狀況監察。表1給出了2014年上半年對城區10家使用燃煤鍋爐單位的燃燒監察抽查結果，監察數據包括爐渣含碳量和燃煤含硫量。

表1 2014年常德城區燃煤鍋爐爐渣含碳量和燃煤含硫量監察結果（w%）

各抽查單位的爐渣樣按照國家標準（GB/T15317—2009）進行檢驗，要求含碳量應不超過20%，達到國家標準允許值范圍內的有6家，合格率為60%。各單位送檢的燃煤樣按照國家標準（GB/T214—1996）進行檢驗，常德市人民政府要求城區燃煤含硫量不超過1%，抽檢合格率僅10%。

根據科學計算，鍋爐爐渣含碳量每超過標準的2.5%，則要浪費1%的標準煤。假定某企業年需用燃煤1000噸，燃煤發熱量按照平均值5000（大卡/公斤）折算，當爐渣含碳量為30%的值時（折標系數0.7143），每年將要多耗200噸燃煤，造成浪費。而燃煤煙氣中SO2的排放則是造成酸雨等污染問題的主要原因之一。為此，我們對相關超標單位發出了整改通知，以促進各單位提高燃燒意識，加強節能減排工作。

1.2 燃煤鍋爐監察暴露的問題

從表1中的監察結果可知，在開展燃煤鍋爐監察工作多年后，相關企業的抽查結果仍存在較為嚴重的不合格問題。其原因可以從企業內部的管理以及節能監察部門的工作兩方面進行分析。

1.2.1 企業內部管理問題

企業是節能工作的主體，企業可通過節能獲得相應收益，提升產品競爭力。但有的企業片面追求利潤，以眼前的市場和銷售為導向，不考慮企業的可持續發展，節能主動性不足，不愿把企業資源和精力投入到節能改造工作中。有的企業不了解節能相關的法律法規、政策標準，管理粗放，只是根據經驗來實施相關節能工作，許多工作都是馬虎了事，沒有落實到位。有的企業雖然建立了節能管理制度，但浮于表面，制度建立后輕執行弱管理，原本良好的制度得到不到有效實施，節能工作成效不明顯[3]。

1.2.2 節能監察機構問題

節能監察機構暴露的問題主要在于監察效力不足及工作方式不合理。一方面，節能監察機構開展日常監察工作，但查出相關問題后卻沒有被授予獨立的處罰權，處罰只能由節能行政主管部門或人民政府按照規定的權限做出[4]。而政府考量了GDP和稅收等經濟指標后，常常對節能違法企業網開一面。這樣多頭管理使得節能監察效力不足。另一方面，節能監察機構在監察完成后缺乏對企業的后續技術指導，或給出的整改意見不夠詳細和有針對性，使得企業無法找到適合自身的節能降耗技術路線。同時由于節能改造的成本問題，在實現具體節能指標的過程中，企業常常會與政府職能部門有不同思考和選擇，節能監察機構必須分析影響選擇的多種因素，提出優選方案。

2 影響城市鍋爐燃燒性能的主要因素

為了更好的幫助企業提高鍋爐的燃燒性能，促進城區鍋爐的節能減排工作，我們研究了鍋爐燃燒性能的主要影響因素，包括以下幾點。

2.1 燃煤燃燒率

燃煤的燃燒率是影響鍋爐能源利用效率最關鍵的因素，燃煤燃燒得越充分，則單位燃煤所能提供的熱量就越高，能源利用效率就越好。燃煤燃燒率指標主要通過鍋爐爐渣的含碳量進行評價，其具體參數主要由燃煤質量及鍋爐運行狀態決定。一方面，需要對燃煤含水量進行控制。傳統理論認為，燃煤中水分蒸發會消耗熱量，起到有害作用。近年來，有相關研究表明合適的水分有助于構筑良好的燃燒環境，提升燃燒率[5]。另一方面，鍋爐參數的合理性也是影響燃燒是否徹底的重要因素。如果燃煤在爐膛中留存的時間較短，還沒有完全燃盡時就被排出，其燃燒率必然較低；如果燃煤在爐膛中留存時間過長，則爐膛內溫度可能降低，也會導致燃煤不能徹底燃盡。此外，爐膛的配風比等參數也將影響燃煤的燃燒率。

2.2 鍋爐熱效率

鍋爐的熱效率即將煤炭中的化石能量轉變為熱能的實際效率，直觀體現了鍋爐的節能燃燒效果。鍋爐的設計熱效率在出廠時一般已經設置確定，但在實際工作過程中受企業管理和員工操作等因素的影響，其熱效率可能有所降低。有的企業鍋爐缺少維護，沒有專門人員對其進行定期檢測和保養；有的鍋爐在員工操作過程中未嚴格遵循操作手冊和相關流程。這都會導致鍋爐不能在合適的狀態下進行運轉，常常出現部分零件的疲勞失效，設備處于超負荷非正常的工作狀態下，使得鍋爐的整體熱效率下降。

2.3 排煙溫度與爐體外壁溫度

在鍋爐的運行過程中，需對外進行排煙處理。排煙過程中會發生與外界空氣的熱對流作用，損失一定的熱量。排煙溫度過高時，熱對流損失的熱量就更多，同時通風阻力較大，需要開啟引風機從而消耗了額外電能；排煙溫度過低時，鍋爐后部的溫度可能較整體偏低，達不到供熱要求，也需通過消耗額外能源來達到預定溫度。另一方面，爐體外壁還會通過熱輻射與熱傳導向外界空氣中交換熱量，這也會造成熱能的損失。爐體外壁與外界空氣間的溫度差越高，接觸面的表面積越大，則損失的熱量就越多，鍋爐的熱效率也就越低。

2.4 燃煤的含硫量

燃煤煙氣中的二氧化硫排放是我國大氣污染中酸性硫化物質的主要來源。煤中硫的賦存形態主要包括無機硫和有機硫，還有微量以游離狀態賦存的元素硫。根據煤礦品質的不同，燃煤含硫量從0.2%到10%的均有，但大多數煤的硫含量在0.5%～3.0%之間。燃煤燃燒后，部分無機硫會以硫酸鹽的形式留存在灰渣中，另一部分硫化物則會隨燃煤煙氣進入大氣，對環境造成污染。目前控制硫化物的排放主要可通過選用含硫量較低的燃煤和凈化鍋爐煙氣來實現。

3 鍋爐燃燒技術的發展應用

3.1 鍋爐結構優化設計與應用

在傳統的鍋爐結構設計中,主要關注的是設備的力學性能與可靠性，通常要計算其熱力性能、疲勞性能和強度、水動力循環以及煙風阻力等。而為了提高鍋爐的燃燒性能，企業可從給煤方式的角度考慮對鍋爐結構進行合理的優化設計。例如在鍋爐設計時采用分層給煤裝置，預先篩選和分配燃煤。借助相應的設施科學合理地安排燃煤顆粒的大小，同時按照一定順序輸入爐膛。通過燃煤粒度篩選和以此為基礎的預分配，實現燃煤的分時分批燃燒，提高燃煤的總體燃燒率，從而極大的降低爐內爐渣的含碳量，提升鍋爐的熱效率，提高爐膛溫度，達到有效的減少燃煤用量的目的。

3.2 脫硫技術的應用

目前主流的鍋爐脫硫方法主要有燃煤脫硫、爐內脫硫和煙氣脫硫[6]。燃煤脫硫是在燃燒前脫除煤中硫分，包括物理洗選煤法、化學洗選煤法、煤的氣化和液化等。物理洗選煤法脫硫最經濟成熟，但只能適合無機硫富集的煤礦類型，且會造成一定的煤炭資源和水資源的浪費。化學法脫硫可同時脫去無機硫和有機硫，但其成本相對較高。近年來還報道了微生物脫硫等新興技術的開發，相信會在未來得到逐步應用。爐內脫硫在指在燃燒時向鍋爐內投入一定量的脫硫劑，如噴鈣，吸附型煤等，通過相應的物理或化學方法脫硫。目前應用廣泛的循環流化床技術就屬于爐內脫硫。煙氣脫硫是在煙道內部加裝脫硫設備，在煙氣進入大氣前將硫分脫除。該技術一般適用于大型鍋爐和煙道的脫硫過程，典型的技術包括氨法脫硫，石灰石/石膏法、噴霧干燥法、電子束法等。

結語

節能減排已成為目前我國政府的一項長期重點工作。節能監察部門不僅需要對企業能源使用與排放進行合理監督，還需幫助企業結合自身經濟條件和管理水平選擇合理的節能減排技術路線，優化應用到實際生產過程中。本文針對城市鍋爐的燃燒問題和技術發展前景給出了簡要的研究，以期對未來廣泛的企業鍋爐節能減排與改造優化工作提供指導。