節能降耗技術在電廠鍋爐運行中的應用

山東電力工程咨詢院有限公司 鄧 楠

1 引言

作為電廠化學能轉換的主要載體，鍋爐的節能降耗對于節約能源具有十分重要的意義，廣大企業和公司應加大對電廠鍋爐設備和技術的研究，并站在戰略高度上提高對節能降耗的認識，進而快速實現電廠鍋爐的節能降耗目標。

2 電廠鍋爐運行中節能降耗的意義

煤炭是電廠發電的主要燃料來源。根據相關電力數據，我國超7成的總發電量由燃煤火力發電廠供應。然而，煤炭在發電廠的燃燒會導致火焰溫度降低、排氣損失增加、熱效率降低和二氧化碳排放增加，這些都是煤炭高效利用的不利因素[1]。2021年，我國提出“碳達峰碳中和”，在解決全球氣候問題方面提出了具體的目標和措施。節約能源，減少能耗是當前電廠必須高度重視的問題。節能降耗技術在電廠鍋爐中的成功應用，能夠提高燃料的利用率，與傳統技術相比，可以在消耗同等體積原料的情況下釋放更多的熱能，減少燃料投入和鍋爐運行成本。改良后的鍋爐構造更加精簡，結構更加緊湊，隨著鍋爐體積的減小也相應減少了占地面積，一定程度上避免了對外界環境的影響；小體積的鍋爐結構更加便于運輸和安裝，提高了可操作性。為了盡可能保障燃料的充分使用，對鍋爐內部的改造升級是必不可少的，改造后的爐墻熱換效果更好，減少了爐體受熱不均的現象，提高了鍋爐的使用壽命。鍋爐內部構件的升級以及與燃料的充分接觸，可以保障鍋爐充分吸熱，煙囪所排放的煙氣溫度低，使用起來節能高效，相比改造前減少了廢氣的排放量，緩解了環境壓力。電廠鍋爐展示如圖1所示。

圖1 電廠鍋爐展示

3 現階段電廠鍋爐節能降耗所暴露的問題

3.1 鍋爐內的水質問題

鍋爐給水的質量對鍋爐的能源消耗情況會產生一定的影響，但是大部分發電廠往往忽略了這一點，在水供給方面并沒有按照生產規范采用水質達標的水，而且在鍋爐使用過程中也沒有安裝任何水凈化裝置。在鍋爐長期運行期間，鍋爐水自然就會隨著鍋水的不斷蒸發濃縮，而出現鍋水電導率超標的現象，這意味著水中含鹽量較高，在持續高溫受熱的狀態下，容易形成水垢附著在鍋爐內壁的受熱面上，嚴重情況下會產生較大的熱阻力阻礙鍋爐內部傳熱。相關研究數據表明，鍋爐內壁水垢厚度每增加2mm，同比消耗的能源就多出5%。另外，不經過凈化的水長時間使用還容易腐蝕鍋爐，對省煤器水冷壁、給水管道、汽輪機等結構造成損害[2]。

3.2 燃料的不充分燃燒

在燃料能源方面，影響鍋爐能耗的問題主要是燃料燃燒不充分，這就會導致燃料的過度消耗，并且不充分燃燒還會向空氣中排放大量的一氧化碳、碳氫化合物等有害氣體，影響大氣質量。鍋爐燃料燃燒不充分的表現通常為鍋爐運行過程中產生黃色火焰，內焰模糊甚至是出現黑煙。原因主要為：鍋爐進風口設計不科學，導致進風量不足，無法帶動足夠的燃料燃燒；供氧不足，氧氣作為燃燒的必要條件之一，缺少氧氣的供應，像煤炭等燃料就無法充分燃燒；爐火溫度也是重要影響因素之一，這可能與燃料本身質量有關，當燃料遇水潮濕或是長期擱置結構遭到破壞時就會出現燃燒不充分的現象。干擾燃料燃燒程度的因素還有很多，如催化劑的使用、鍋爐排煙不充足等，因此想要充分提升燃料燃燒作功，必須多方協調，相互促進[3]。

3.3 電廠鍋爐在運轉過程中導致的熱損失

通常來說，電廠鍋爐組在運轉過程中會有一部分能量在傳遞過程中被消耗，而且鍋爐越大，熱損失越小，一般為0.8%～3%。鍋爐在運轉過程中爐墻與鍋爐本體的溫度總是高于外界環境，與外界環境的溫差就會直接導致熱量從鍋爐本體傳遞到外界空氣和環境，造成散熱損失。鍋爐要想保證正常運轉，必須順暢其流程，因此在末級熱交換器主導的排煙步驟中，也會造成熱損失現象。灰渣物理熱損失也是一種常見的鍋爐熱損失。想要完全避免此類情況較為困難，但可以通過技術改造和嚴格的質量監管予以控制，盡可能地減少熱損失[4]。

3.4 操作人員專業技術能力不足

近年來，政府和企業越來越重視節能降耗問題，很多企業在生產方式上尋求轉型，也有部分企業改變了其原材料需求，尋找更為清潔綠色的材料代替。電廠傳統的發電模式通常是依賴煤、天然氣等不可再生能源來實現的，雖然達到了不錯的發電效果，但是由于二氧化碳等物質的過度排放，對周圍環境造成了嚴重影響。部分電廠已經意識到節能降耗在未來社會工業發展的重要性，積極引進先進的硬件設備，電廠鍋爐的高效運轉既離不開先進設備的硬件支撐，也離不開專業技術人員的科學操作。專業人員的技術保障僅僅依靠設備自身是很難達成預期的。新引進廠的設備一般都需要專業人員的調試，對周圍環境參數設置、燃料投入比例等的控制都會影響降耗效率。一方面，鍋爐工人運行鍋爐時新理念、新方法掌握不熟練。另一方面，對于鍋爐設備運轉過程中的數據監測、功率監管等數據的采集也十分重要，因此不容忽視，應積極收集到對節能降耗過程的關鍵數據，提高電廠的發電效率。

4 鍋爐節能的基本原理

鍋爐節能主要是依靠鍋爐信息化監控系統來實現的，通過編程給定系統以嚴格的程序規范，就可以由鍋爐加裝的各類傳感器敏銳地接收檢測信號，然后回饋到后臺程序，后臺計算機通過比對、計算等操作就能夠獲知電廠鍋爐目前的運行狀態以及鍋爐自身的“健康”狀況，從而提供給管理人員合適的建議供參考。基于信息化系統的保障，可以引入相關的新技術支撐，如加裝燃油鍋爐節能器實現燃料能源進一步節省；采用防垢、除垢技術避免鍋爐內壁水垢的形成，提高熱量轉換效率的同時保障鍋爐運行安全[5]。

5 節能降耗技術在電廠鍋爐運行中的運用

5.1 過量空氣控制技術

燃燒空氣被供應到鍋爐的燃燒室，以燃燒所供應的燃料。供應的空氣中只有氧氣參與燃燒過程，其他部分的空氣從燃燒中獲取顯熱，這些顯熱與燃燒產物一起通過煙囪排出，成為煙囪損失。因此，燃燒空氣的數量應盡可能低，以盡量減少煙囪損失。由于某些限制，只有理論上的空氣不能保證燃料的完全燃燒。為了實現完全燃燒，供應的助燃空氣應多于理論上的要求。由于燃料的不完全燃燒，會發現煙氣中較高比例的CO 或灰燼中未燃燒的碳。鍋爐應以最佳的過剩空氣運行，以盡量減少干煙氣的損失。為了實現完全燃燒，可選用的具體措施包括：進口風門控制、進口葉片控制、變速控制以及煙氣中氧含量的測量系統。其中，變速傳動（VSD）是最有效的控制方法，以風機電機提供動力，在給定條件下克服系統阻力。目前，VSD 廣泛應用于工業和商業鍋爐。VSD 已被用于建筑物的制冷、供暖、通風和空調，以減少能源消耗，較高的轉壓比減少了燃燒器的啟動，減少了燃燒器的磨損，提供了更好的負載控制，減少了耐火材料的磨損，減少了凈化空氣的要求，并節省了燃料。

5.2 鍋爐燃料技術

燃燒效率與燃料中的能量含量通過燃燒反應釋放出來并轉變成可用的熱量直接相關。可以通過測量排氣溫度、煙氣中的氧氣或一氧化碳濃度來衡量。因此，較低的燃燒效率也會導致未燃燒的污染物的高排放，如CO 和煙塵。在理想的情況下，需要精確的空氣量來與給定數量的燃料完全反應。在真正的燃燒中，空氣和燃料的適當混合是無法實現的，必須提供“過量”的空氣以完全燃燒燃料。較少的空氣供應量將產生不完全燃燒（一氧化碳排放）或底部或飛灰中未燃燒的碳。

因此，燃料中的一部分熱量被浪費了。化學計量空氣是指含有給定燃料完全燃燒所需氧氣量的最小空氣量，不同燃料的化學計量空氣由于化學式和組成化學元素不相似。燃燒效率主要可以通過測量底部和飛灰中未燃燒的碳和排氣中的氧氣量來確定。使用設計良好的常規燃燒器，氣體和液體燃料可以在15%的過量空氣水平下燃燒，為了減少排放，需要25%的高過量空氣水平。相關研究表明用百葉窗集中器和改良的二次風對燃煤鍋爐進行改造，可將飛灰中的碳含量從9.55%大大降低到2.43%。燃料不停燃燒效率并不一致。氣體和液體燃料比固體燃料燃燒效率更高。

5.3 從煙氣中回收熱量技術

由于燃燒產物和水或蒸汽之間的傳熱面積的限制以及煙氣的冷凝，鍋爐排氣溫度在150～250℃。因此，大量的熱能通過鍋爐廢氣或煙道氣體損失。大約10%～20%的輸入能量可能通過高溫煙氣損失。因此，回收部分煙氣總熱量可以提高鍋爐效率。這些熱量可用于預熱燃燒空氣，鍋爐內的鍋爐給水，或作為吸收式制冷機等其他用途的驅動熱源。以省煤器為例，從煙道氣中回收熱量的常見方法是使用熱交換器(通常稱為省煤器)對給水和燃燒空氣進行預熱，回收的熱量取決于煙氣和需要加熱的液體的溫度。但是，與煙氣熱回收有關的主要問題是由于酸凝結而造成的腐蝕。燃料中的硫在燃燒過程中與氧氣結合，形成二氧化硫，與蒸汽結合后在煙氣中形成硫酸。蒸汽是由燃料中的氫氣和水分氧化形成的，當煙道氣體冷卻到其酸露點以下時，就會發生酸凝結。為了防止酸凝結，可以將煙氣溫度降低到遠高于酸露點溫度的某一溫度。

6 結語

本文重點研究了鍋爐在目前社會環境下節能降耗的重要意義，并從產生熱量損失的原因以及鍋爐運轉系統的節能機會入手，探討了相關的節能降耗的措施。盡管隨著鍋爐設備的更新換代，新鍋爐各部分的能量損失雖然在可容忍的范圍內，但隨著鍋爐運行周期的增加，能量損失應該增加，因此，鍋爐的能量流需要在特定的時間間隔進行審計，以采取不同的補救措施或使用技術來盡量減少能量損耗。