生活垃圾焚烧锅炉能效测试分析与节能增效措施

戴国栋

（1 福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008）

（2 国家工业锅炉质量监督检验中心(福建)，福建 福州 350008）

1 引言

生活垃圾资源化利用技术包括堆肥、焚烧、热解、等离子气化等。目前发展最快的是焚烧发电处理法，它具有日处理量大，处理速度快，工艺简单，减量化高、灭菌效果好等优势，能够将垃圾中的化学能转化为电能，使之成为城镇化进程中备受关注的可再生能源，并得到各级政府的重视。对生活垃圾焚烧锅炉的能效考核以及如何节能增效，更加环保地处理垃圾，成为政府部门关心的节能减排重要工作之一。

为更加节能、环保且经济地运行生活垃圾焚烧发电锅炉，为其提供节能减排技术指导，根据TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》第三十八条的要求，每两年应对在用锅炉进行运行工况下的定期能效测试。受福建省内多家使用单位的委托，笔者对分布在各地市的24台生活垃圾焚烧发电锅炉进行了热效率测试，所测生活垃圾焚烧发电锅炉均为往复炉排蒸汽锅炉。现对能效测试结果进行分析，以便发掘出被测锅炉的节能降耗潜力，找出切实有效的节能增效措施，指导使用单位进一步提升锅炉运行热效率，从而实现节能增效、环保运行的目的。

2 测试依据与测试项目

根据TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》的要求，对于在用生活垃圾焚烧发电锅炉采用反平衡法进行正常运行工况下的热效率测试。其测试依据是TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》和GB 10184-2015《电站锅炉性能试验规程》。测试项目的主要内容是：以额定负荷的75%以上某一个稳定的负荷（根据GB/T 10184-2015《电站锅炉性能试验规程》4.6.2表3的规定，锅炉蒸发量＜480t/h时，负荷的最大允许波动范围不超过±5%）为测试负荷，以上述负荷下的锅炉实际运行工况作为测试工况。通过采集入炉燃料、灰渣、漏煤以及飞灰样品，测试并记录锅炉运行时的有关指标（主要包括：锅炉蒸发量、蒸汽压力和温度；环境温度、气压和相对湿度；以及最后一级受热面出口一米范围内测点处的烟气成分及排烟温度等），从而定量分析锅炉各项热损失，考核被测试锅炉的运行热效率。

3 测试结果分析

3.1 被测锅炉的流程简述

福建地区在用生活垃圾焚烧发电锅炉的炉型结构除个别为循环流化床结构外，大部分为往复炉排结构。入炉生活垃圾由前部料斗落入往复炉排，经燃烧、放热、减量化后落入出渣机排出，入炉空气经空气预热器加热后进入炉膛，垃圾燃烧后的炽热烟气经炉膛、第二烟道（一般布置有旗式对流管）、第三烟道（一般布置有对流蒸发器和三级对流过热器）、尾部烟道（一般布置有省煤器和空气预热器）换热后，通过烟气净化系统净化后，排出锅炉系统外。

3.2 测试数据分析

对24台生活垃圾焚烧锅炉能效测试结果进行汇总分析，其实测热效率、排烟温度以及过量空气系数等主要测试结果如表1所示。

从表1中可以看出，被测的24台生活垃圾焚烧发电锅炉均存在实测热效率低于设计热效率，排烟温度偏高、过量空气系数大于标准规范要求等问题。其中，排烟温度均不符合TSG G0002-2010（排烟温度应≤170℃）的要求，仅有2台的过量空气系数符合TSG G0002-2010（过量空气系数应≤1.4）的要求。

表1 能效测试结果汇总

3.2.1 燃料特性对比分析

笔者对从测试现场采样回来的炉渣、飞灰以及入炉燃料分别进行实验室化验，实验室化验的指标有：炉渣可燃物含量、飞灰可燃物含量以及入炉燃料的收到基碳、收到基氢、收到基硫、收到基氮、收到基氧、收到基灰分、收到基水分、干燥无灰基挥发分、收到基低位发热量等11个指标（详见表2、表3）。从表2、表3中可以看出，一般锅炉设计单位基本上对设计燃料的特性指标只关注收到基碳、收到基氢、收到基灰分、收到基水分以及收到基低位发热量等5个指标。对入炉燃料的这5个指标与设计燃料的相应指标进行比较，发现24组实测数据中有较明显差异的指标是发热量、灰分和水分（差异较大的均在表2中标上灰色底色）。

表2 设计燃料（设计值）与试验燃料（实测值）的燃料特性对比表

3.2.1.1 发热量的差别

对比24台锅炉实际运行入炉燃料与设计燃料的收到基低位发热量，发现实际入炉燃料的收到基低位发热量大多低于设计燃料的收到基低位发热量。相差值最大的达1128kJ/kg，相差值最少为370kJ/kg。当锅炉运行燃料比设计燃料的低位发热量低很多时，将导致锅炉炉膛温度降低，单位时间内入炉燃料产生的烟气量增大，炉膛内辐射传热强度减少，为了提高锅炉供热量，运行人员只好被动调整参数，使烟气流速加快，烟气在炉内停留时间变短，热交换时间不足，从而使锅炉排烟温度升高，排烟热损失增加。

3.2.1.2 灰分的差别

从燃料化验数据可以看出，实际入炉燃料的灰分普遍比设计燃料的灰分含量高，其中含量相差最高达到10.3%。实际入炉燃料的灰分含量越大，燃料的发热量越低，易导致燃料着火困难和着火延迟，炉膛燃烧温度显著降低，燃料的燃尽度变差，造成飞灰可燃物增高；灰分含量增大，燃烧过程中碳粒被灰层包裹，碳粒表面燃烧速率降低，火焰的传播速度减小，易造成燃烧不良；另外飞灰浓度越高，也将使锅炉受热面特别是尾部的省煤器、空预器等受热面磨损加剧。经验表明，燃料的灰分含量每增加1%，其理论燃烧温度平均降低约5℃[1]，从而使燃料燃烧不良，甚至熄火。经过对入炉燃料——生活垃圾的物理组成分析，发现造成入炉垃圾灰分超出设计值的主要原因是：未严格分类收集的生活垃圾组分较复杂，生活垃圾中混入了较多的灰土类、砖瓦陶瓷类、玻璃类、金属类、以及其他混合类的垃圾。分析结果也与城市道路清扫车扫入大量尘土，小区生活垃圾分类收集尚未规范，装修建筑垃圾混入生活垃圾的社会现状相符。

3.2.1.3 水分的差别

从燃料化验数据可以看出，实际入炉燃料的水分实测值比设计燃料的水分设计值普遍低很多，其中含量相差最大的达到23.46%。24组数据中仅有两组实测数据显示入炉垃圾的含水率高出设计值要求。可见绝大部分垃圾焚烧发电运营单位都能够认识到垃圾含水率偏高对锅炉热效率的不利影响，实际入炉燃料的水分含量越大，单位体积的入炉燃料发热量越低，将导致炉膛温度降低，燃料着火困难和着火延迟，燃料的燃尽速度降低，锅炉蒸发量将降低。因此运营单位基本都能对入炉垃圾预先进行翻动、静置、堆酵以及去除垃圾渗沥水等前处理，以尽可能地让垃圾脱水，提高单位体积入炉垃圾的低位发热量。对于测试的21、22号锅炉出现实测水分高于设计值，经了解是因为测试时恰逢当地多日大雨，垃圾未能经过足够时间的静置堆酵和脱水引起的，造成这两台锅炉的实测热效率也大幅低于设计值。

3.2.2 热效率分析

采用反平衡法测试时，锅炉热效率计算公式是：η=100-（q2+q3+q4+q5+q6）

式中：η——反平衡锅炉热效率；q2——排烟热损失；q3——气体未完全燃烧热损失；q4——固体未完全燃烧热损失；q5——散热损失；q6——灰渣物理热损失q6。

被测24台锅炉能效测试数据及分析结果见表1～表3。从表1可以看出，被测锅炉试验工况下的实际热效率值均低于设计值。对表3各项指标的数据分析可知，气体未完全燃烧热损失q3（最大值0.994%）、散热损失q5（最大值1.50%）以及灰渣物理热损失q6（最大值2.44%）所占的比例较小，而排烟热损失q2（最大值21.57%，最小值11.92%）和固体未完全燃烧热损失q4（最大值14.16%，最小值5.61%）所占比例较大。造成q2和q4两种热损失较高的主要因素包括燃料种类和燃料特性、燃烧设备及炉膛型式、燃烧方式、锅炉负荷、燃料及空气流的混合等，现对锅炉的q2和q4进行有针对性的分析。

3.2.2.1 排烟热损失q2

从表3可知，锅炉排烟热损失q2最大值21.57%，最小值11.92%，可见该部分热损失相当大。锅炉排烟热损失q2主要取决于排烟温度和排烟容积。据研究表明，排烟温度每升高12℃～15℃，q2约増加1%[2]。由表1可知24台锅炉的平均排烟温度为213.95℃，大大超过TSG G0002-2010（排烟温度≤170℃）的要求。当锅炉排烟温度高于200℃时，锅炉可能存在炉内热交换不良、烟道二次燃烧等问题，此时需检查锅炉燃烧状况，锅炉受热面是否积灰或结焦等，受热面积灰或结焦将严重影响受热面的传热效果，导致锅炉排烟温度升高。另外，由表1可知被测锅炉的过量空气系数都较大，过多的冷空气进入炉膛会造成烟气排放量增大，也造成排烟热损失加大。

3.2.2.2 固体未完全燃烧热损失q4

从表3可知，24台锅炉的固体未完全燃烧热损失q4的最大值是14.16%，最小值是5.61%，仅次于排烟热损失q2，这部分的热损失也很大。锅炉固体未完全燃烧损失q4主要由飞灰含碳量和灰渣含碳量决定。影响此项损失的因素较为复杂，它与燃烧方式、燃料种类、燃烧状况有关，燃料本身成分如水分、挥发分、含碳量等都会影响燃料的燃烧完全程度，此外燃料燃烧过程也是重要影响因素，比如炉排速度、风料配比、进料速度、炉膛温度等。

4 节能增效措施

经过对福建省内24台垃圾焚烧发电锅炉的定期能效测试，对所测的锅炉热效率、排烟温度以及过量空气系数进行分析、探讨，从节能降耗的角度出发，并根据测试现场获悉的实际情况，提出如下节能增效，提升锅炉热效率的措施，供锅炉使用单位参考。

4.1 降低排烟温度

锅炉排烟热损失q2取决于排烟量和排烟温度，维持合理的过量空气系数，是控制排烟量的依据。比如6、9、16和20号锅，排烟温度大幅超过170℃，造成排烟热损失较大，锅炉热效率降低。对排烟温度有影响的还有给水温度和省煤器、过热器的结垢、积灰程度。从锅炉设计计算角度出发，排烟温度越低越好，但考虑到锅炉尾部受热面的制造成本和低温腐蚀问题，排烟温度一般取值140℃～180℃之间，锅炉运行一段时间后，从对流管到省煤器、空气预热器等都会有不同程度的积灰，排烟温度会有所升高。经验表明，排烟温度每升高12℃～15℃，锅炉热效率就降低一个百分点。

降低排烟温度的主要途径一是加强对流管束、省煤器和空气预热器的清灰，运行中的清灰一般采用蒸汽吹扫或振打等方式，根据仪表显示的温度判断积灰程度进行吹扫；二是降低锅炉的给水温度。

表3 化验结果及能效测试数据汇总

4.2 合理调整锅炉过量空气系数

正确的燃料与空气混合比是建立优化燃烧的首要条件。烟气含氧量可实时反映过量空气系数大小，常用锆氧仪监控过量空气系数，指导司炉工合理调整鼓引风配比，将过量空气系数控制在合理范围内。比如1、6、13和15号锅炉，其空气过量系数过大(远大于限定值1.4)，会影响省煤器和空气预热器等尾部受热面的热吸收，排烟热损失也大。在保证燃料充分燃烧的前提下，维持合理的过量空气系数还可以减少燃烧过程中的排烟量，有利于提高燃料燃烧效率，降低排烟热损失。在实际运行中，还应密切注意出渣口、落灰口、炉门以及锅炉烟道是否破损、漏风，保持较低的锅炉漏风系数，以维持炉膛燃烧稳定。

4.3 优化锅炉燃烧状况

在实际运行锅炉时，应建立最优化的炉内燃烧状况，适当增加炉膛负压，减少外界冷空气进入炉内，这是提高锅炉热效率的方法之一。燃料热能的利用主要是靠受热面与烟气的有效热交换。因此，增加燃烧后高温气体在炉内的停留时间，以增加热交换时间，亦可有效提高锅炉热效率。其次，锅炉应尽可能维持稳定的负荷，避免高频率的负荷变化。最重要的是合理调整锅炉燃烧，即根据入炉垃圾的变化、燃烧工况的变化，控制垃圾进料量，合理调整一二次风、给料速度、炉排速度、炉膛负压等[3]。

4.4 垃圾入炉前的有效前处理

对入炉垃圾进行机械分选、翻动均混、足够时间的静置堆酵以及去除垃圾渗沥水等前处理，实现垃圾脱水、减重，可有效提高单位体积入炉垃圾的低位发热量，促进垃圾在炉内完全燃烧，提高焚烧垃圾的燃烧效率。被测24台锅炉中，仅有21、22号锅炉出现实测水分高于设计值，其热效率实测值大幅低于设计值。经验表明，对含水率在60%以上的低热值生活垃圾，在焚烧前进行2～3天的堆酵，可沥除12%左右的渗沥水，减重约20%，可使单位体积的入炉垃圾低位发热值增加836kJ/kg。提高入炉垃圾热值，是提高垃圾焚烧效率的一种很有效的方法。

4.5 改善锅水品质，减少排污，充分利用锅炉排污热量

锅炉锅水定期排污次数与水质好坏、蒸汽压力及使用药剂等有关。原因在于锅炉水经蒸发浓缩后，炉水中杂质比例逐渐增加，若不进行及时排污，将会造成受热面水侧发生结垢、腐蚀等问题。但若排污次数过多，常会造成明显的热量损失与效率下降，而有效地解决方法就是改善锅炉水质，充分利用锅炉排污水热量，降低散热损失。

4.6 保持良好的蒸汽管道及锅炉外保温

主要是指必须加强锅炉、管道及阀件等外部保温，定期检查蒸汽管道的保温状况以及是否发生泄漏。经验表明，蒸汽压力0.6MPa的蒸汽管路上若产生1个0.5mm2的小孔，每小时漏蒸汽6kg，一年浪费煤7吨[2]，因此，运行状况良好的蒸汽管路是节约能源的基本要求。

蒸汽管道不保温的话，每平方米每小时将散失热量4200kJ～7560kJ[2]。另外，如发现锅炉或管道表面温度过高，保温效果不良，应及时予以修复。保温材料的厚度可视实际经济效益而选择适当的材质和厚度。

4.7 避免锅炉长时间低负荷运行

通常情况下，锅炉的最佳效率区大约在锅炉负荷为额定蒸发量的85%～100%之间。当锅炉低负荷运行时，炉内很难维持稳定的燃烧，气体未完全燃烧热损失q3和固体未完全燃烧热损失q4将增加，虽然排烟温度降低，排烟热损失q2有所减少，但是总体上锅炉的各项热散失率将加大，造成锅炉热效率降低。因此锅炉最好运行负荷为额定蒸发量的85%～100%。

5 结语

通过对福建地区24台生活垃圾焚烧发电锅炉的采样化验数据和能效测试结果进行统计与分析，发现普遍存在实测热效率低于设计热效率，排烟温度偏高、过量空气系数大于规范要求的问题。文中提出了相应的节能增效措施，对推动福建省更加绿色、环保、节能地焚烧处理生活垃圾具有实践指导意义。