化工燃煤鍋爐節能改造的主要問題與優化措施應用研究

丁新龍（上海燃氣工程設計研究有限公司，上海200135）

0 引言

化工生產的過程中，會產生大量的能源需求，其中所使用的燃煤鍋爐屬于能源消耗量較大的設備，相關數據顯示，燃煤鍋爐的煤炭消耗量占據全年煤炭消耗量的1/4。部分化工生產企業所使用的燃煤鍋爐年久失修，能源消耗量較大，同時也會存在一定的安全隱患。在煤炭無法充分燃燒的情況下，還會帶來大氣污染、熱效率降低等問題。燃煤鍋爐實際運行中的熱效率一般僅能達到60%。與設計時的預期效果存在一定的差異。可見，對化工燃煤鍋爐進行節能改造具有重要的意義，是提升熱效率和改善環境污染問題的必然之舉。

1 項目概況

某化工企業生產所用燃煤鍋爐為10t/h 鍋爐，鍋爐運行時，原煤由爐排進入，燃燒后的煙氣統一由除塵器凈化處理后排放，剩余的煤渣由人工運輸至墻外渣場集中裝車外運。據統計，該鍋爐的年運行時間為10個月以上，大約為310天，燃煤的最低發熱值為18800kJ/kg，灰分與硫分分別是30%和1%。該鍋爐的耗煤量為45t/d，平均年耗煤量是14310t。由于爐排區域的配風不當，原煤難以充分燃燒，會產生大量污染性較強的煙氣，且灰渣中存在部分焦炭狀煤粒，鍋爐的熱效率普遍低于57%，與設計的熱效率存在較大差距。

2 燃煤鍋爐改造中面臨的主要問題

為了保證化工燃煤鍋爐改造工作的順利開展，首先應認清燃煤鍋爐的應用現狀，明確在鍋爐改造過程中需要面臨的主要問題。具體如下：

2.1 鍋爐制造質量偏低的問題

部分廠家在生產鍋爐時受到設計能力和制造工藝的影響，極易造成鍋爐制造質量偏低的問題。此類問題的產生必定會影響燃煤鍋爐的應用效果。而部分化工企業考慮到設備購置的成本，在進行鍋爐設備采購時，并未考慮到鍋爐的制造質量問題，致使鍋爐使用過程中造成大量的資源浪費。

2.2 鍋爐運作效率問題

也存在一定的問題。相關研究資料中指出，部分鍋爐在燃燒過程中的熱能效率僅有60%，這與鍋爐設計時的預期效率存在較大的差異，這也意味著鍋爐燃燒過程中會存在燃料燃燒不充分的現象，不僅會帶來環境污染的問題，還會造成資源浪費的現象，同時增加化工企業的生產成本。

2.3 鍋爐輔機配置不佳

鍋爐輔機配置不佳的問題也可能會影響鍋爐的燃燒率，從而影響熱能的產生。同時機械運轉的過程中所產生的噪聲也會消耗部分資源。

3 化工燃燒鍋爐節能改造的有效措施

3.1 爐膛結構改造

爐拱結構是影響爐膛結構性能的重要因素，鍋爐燃燒的過程中爐膛的結構形態會對煤炭燃燒率造成直接影響。合理的爐拱設計可使爐膛內部氣流得到均勻混合，起到促進顏料燃燒的重要作用。爐拱結構主要可以分為兩個部分，即前拱和后拱，前拱與后拱之間的距離以及爐膛的開敞度均會影響煤炭燃燒[1]。因此，在鍋爐改造時，應結合鍋爐的燃燒率需求，對爐拱形態和位置做出優化。

3.2 風倉、風室結構改造

（1）風倉結構的主要作用為對風量進行有效分配，從而增強煤炭的燃燒率，起到改善鍋爐熱效率的重要作用。因此，在進行鍋爐改造時，也應將風倉結構改造作為重點的改造內容。尤其需要做好對傳統封倉間結構的合理優化，通過提升風倉結構的密封性以及各風倉之間的配合度來進行風量調節，實現對鍋爐內部的均勻供風，從而增強鍋爐的熱效應；（2）燃煤鍋爐的煤炭能否充分燃燒與配風質量存在密切的聯系，只有確保空氣的充足供應才能提升燃煤效率，從而實現對能源的高效利用。因此，在進行鍋爐改造時，也應做到對風室結構的合理調整，使其能夠滿足鍋爐燃燒的配風需求。

3.2.1 合理控制爐排長度方向的配風質量

鍋爐生產的過程中，需要通過爐排將原煤運輸到鍋爐內部，在此過程中，原煤需要經歷三個燃燒階段：（1）第一階段主要進行預熱干燥；（2）第二階段原煤才被燃燒；（3）第三階段原煤充分燃燒后產出灰渣。由于三個階段燃燒特點的不同，對于空氣量和空氣質量的需求也存在一定的差異。就第一階段來說，進行原煤預熱干燥時基本無需空氣，而在進入第二階段后，原煤燃燒則需要提供部分空氣，使原煤得以充分燃燒，釋放出熱量提供生產動力。最后一階段的空氣需求量較大，主要是由于空氣可以提升原煤燃燒效率，最后產出灰渣，整個燃燒過程結束后，也需部分空氣用于送風保證爐排的快速冷卻。根據上述風量需求，需要在爐排下設置行分倉供風系統，確保各個階段均能得到適宜的風量供應。同時在各個分倉部位設置功能調節系統，控制出風量。

3.2.2 合理控制爐排寬度方向的配風質量

爐排寬度方向的配風要求與長度方向的配風要求存在較大的差異，爐排寬度方向需要進行均勻配風，保障燃煤的充分燃燒。（1）在進行改造時，可以對風室結構進行有效調整，可將原有的風室結構轉變成雙面進風結構或者等壓風式結構，確保寬度方向配風的均勻性。實踐證明，寬度方向配風均勻可以有效降低煙氣熱損現象；（2）原煤燃燒效率還與爐排上放置的原煤厚度以及煙氣含氧量存在一定的聯系，要求相關生產人員能夠根據以往的生產經驗，結合爐排上的原煤厚度合理配風，從根本上提升燃煤燃燒率。

3.3 合理選用除塵設備

現階段較為常見的除塵設備包括重力沉降式、沖擊式、離心式和旋風式除塵設備等。而在實際應用中可以發現，上述幾種除塵設備的應用難以實現對鍋爐燃燒灰塵的有效清理，除塵效果無法滿足生態文明建設的基本要求。為此，化工企業需要積極引進先進的除塵設備，如袋式除塵設備，其具備更好的噴吹功能，且使用壽命較長，可對煙塵含量進行有效控制。

3.4 鍋爐給煤裝置改造

當前鍋爐給煤裝置中存在的主要問題為，顆粒大的煤炭和小顆粒的煤炭同時堆放在爐排上方，致使布風口被遮擋，嚴重影響布風的均勻性，這將對煤炭的燃燒率產生一定影響。針對此類問題，可以將給煤裝置設置為分層結構，根據重力因素，形成大小顆粒煤炭分層布置的形式，使爐排上方具備良好的通風性，進而提升煤炭的燃燒率[2]。

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3.5 對鍋爐煙氣余熱進行再利用

3.5.1 煙氣回收再利用

鍋爐燃燒過程中所排出的煙氣量較大，而煙氣的排出也會伴隨發生熱損失問題。為實現鍋爐的環保改造，可通過回收再利用煙氣余熱的方式，增強鍋爐的節能效果。在進行煙氣余熱回收時，還應考慮到風機和余熱利用裝置的耐腐蝕性和耐磨損性問題，以免造成設備裝置損壞的現象，增加不必要的成本投入。

3.5.2 對空氣進行預熱處理

可以采取預熱空氣的方式提升空氣入爐的溫度。實踐證明，通過預熱處理后的空氣，可以促使爐內燃料的進一步燃燒，特別是對于下層煤炭的燃燒具有積極的促進作用，有助于提升煤炭的燃燒率，起到了提升資源利用率的作用。同時，也可改善煙氣排放的質量。當爐內煤炭得以充分燃燒后，所產生的污染源也會相對減少，也能降低熱損，促進鍋爐生產的效率。研究顯示，預熱器中的溫度每提升1.5℃，煙氣的溫度就可降低1℃左右。可見，進行空氣預熱可有效控制鍋爐排煙的熱損失現象。

3.6 合理改造水處理設備

鍋爐用水質量會對鍋爐的產熱能力產生一定影響。（1）當鍋爐用水質量不佳時，經過一段時間后，鍋爐表面產生會水垢此時便會影響鍋爐的熱傳導能力。研究顯示，水垢的導熱系數偏低，僅能達到鋼材導熱系數的1/40。因此，鍋爐受熱面結垢后必定會導致煙氣溫度增加，原煤消耗量也會隨之增加；（2）受到水垢影響，水循環系統中的管道運行質量也會受到威脅，尤其是水循環系統中的管道結垢嚴重時，可能導致管道溫度過高，從而引發爆管問題。相關資料顯示，鍋爐結構的厚度增加1mm時,其燃料消耗量也會增加3%左右。因此，應對燃煤鍋爐的給水系統進行有效改造，在其中添加離子交換水設備，實現對給水質量的有效控制，也應定期清理設備，做到對給水質量的有效監督，通過改善給水品質來提升鍋爐燃燒率。

3.7 改造控制系統

為更好的控制燃燒鍋爐系統的運行，提升鍋爐的環保性能，可對控制系統進行改造。在其中運用自動化技術和智能化技術，借助智能化技術對鍋爐系統運行中的風量和煤量等進行調節，保證鍋爐燃燒的最佳狀態。結合外部環境對鍋爐內部的溫度進行調節，以次來增強煤炭的燃燒率，從而達到最佳的節能效果。自動化控制系統流程如圖1所示：

圖1 自動化控制系統流程圖

3.8 蒸汽余熱的再利用

3.9 強化鍋爐操作人員的專業素質

進行鍋爐節能改造時，除了從鍋爐自身的硬件設施方面入手進行改造外，還可以從軟件方面著手，從根源上提升鍋爐運行效率。其中的軟件指的是參與生產的人員，即鍋爐管理人員和操作人員。在原有的鍋爐管理工作中，并未對操作人員的技術能力提出一定的要求，致使由于操作不規范引發了多種安全問題，同時也可能形成能源浪費。相關研究顯示，在鍋爐型號、原煤質量和用汽相同的條件下，操作人員的技術水平不同，鍋爐運行效率也會存在差異。有學者研究，操作人員的技術能力會對鍋爐運行效率產生1/10 的影響。為此，在進行鍋爐改造時，也應加強對操作人員技術能力的重視，積極開展操作人員專業能力和技術能力的培訓工作，通過強化操作人員的技術水平來提升鍋爐生產的整體效率。

4 化工燃煤鍋爐節能改造前后的對比

4.1 爐內燃燒狀況對比

鍋爐改造前，由于爐膛結構不合理，出現滿堂燃燒無法集中火力的現象。爐內火焰顏色也呈現為暗紅色，出現此種現象的原因是，爐內空氣量不足，部分大顆粒的原煤不能得到充分燃燒，致使排除大量濃煙，這不僅影響空氣環境，還會產生能源浪費的問題。而在對爐膛結構以及風室結構進行改造后，空氣得以預熱，并且能夠根據鍋爐的燃燒需求，適時送風，有效增強了鍋爐的燃燒率，爐內原煤得以充分燃燒，產生的煙氣中污染物也有所減少。

4.2 改造前后的原煤消耗量對比

在對鍋爐生產的相關記錄進行調查后顯示，鍋爐未經改造時，每年的原煤消耗量為14310t，而經過改造后平均每年的原煤消耗量為11400t。數據上的明顯對比可以看出，經過改造后鍋爐的原煤消耗熱量得以控制，改造后可節約原煤20%。具體數據對比如表1所示：

表1 燃煤鍋爐改造前后耗煤量對比

4.3 鍋爐產熱效率對比

為了達成提升鍋爐產熱效率的作用，在進行鍋爐改造時，增設了空氣預熱器用于對空氣進行前期預熱。通過增加空氣溫度來控制鍋爐的排煙溫度。實踐證明，鍋爐排煙溫度會隨著空氣溫度的提升而降低，當空氣溫度加熱至95℃時，排煙溫度可由原本的215℃降低至153℃。可見，空氣預熱有效減少鍋爐煙氣余熱損失。此外，改造后的鍋爐產出的爐渣含碳量也會隨之減少。采取能效測試方法對鍋爐改造前后的能效進行測試后可知，改造后的鍋爐產熱效率比改造前的產熱效率高，其產熱效率提升了10%左右。

5 結語

燃煤鍋爐作為化工生產中的重要組成設備，其自身的運行效率和熱能轉化率會對實際生產效率產生直接影響。同時，鍋爐設備的運行質量關系到化工生產對環境的影響。因此，需要從多個層面入手，對燃煤鍋爐進行技術改造，從根本上降低化工生產對環境的威脅，具體建議如下：

（1）進行爐膛結構改造，調整前后拱之間的距離，對爐拱形態進行優化；

（2）調整風倉、風室結構，做好風倉密封處理，實現均勻供風；

（3）選用袋式除塵設備，控制煙塵含量；

（4）將給煤裝置設置成分層結構，提升原煤縫隙率，增強燃燒率；

（5）利用空氣預熱裝置，提升空氣入爐溫度，降低煙氣余熱損失；

（6）改造控制系統，采用自動化技術進行燃燒控制。