锅炉制造过程定型产品能效影响因素分析

李勇 赵彦杰 齐晓冰 吕琼

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450016）

0 引言

作为国民经济中常见的动力设备，工业锅炉被广泛应用于化工、食品等生产生活领域中。目前，我国工业锅炉以煤（大型发电用）和石油天然气（生产生活用）为主要能量来源，其在燃烧过程中会排放大量的CO2、NOx、SOx以及粉尘等污染物，从而造成严重的大气污染。为了实现节能增效和打赢大气污染治理攻坚战，国家对包括工业锅炉在内的多种高能耗特种设备实行安全监察与节能监管相结合的管理机制。近年来，国家相继出台了一系列的法律法规和安全技术规范，针对设计、制造、安装、改造和维修、使用管理、检验检测和能效测试、监督管理等环节做出具体的强制性规定，推进对燃煤散烧的综合治理，推动燃气锅炉替代燃煤锅炉的进程，各项工作均取得较大成效［1-3］。

通过对工业锅炉煤改气工作的推进，目前普遍使用的是燃气工业锅炉。燃气工业锅炉具有污染物排放量少、热效率和自动化程度高的优点，但也存在排烟温度、过量空气系数及可燃物含量超标的缺点，在长期运行过程中会浪费大量的能源。在使用过程中，燃气锅炉内部会因受热变化、外部保温及环境改变等造成排烟温度升高、可燃物含量超标增多等，从而导致锅炉的热效率降低。有研究表明，当排烟温度在165～205 ℃时，过量空气系数每降低0.1，排烟热损失可降低0.48%～0.61%［4-5］。

本研究通过对73 台燃气工业锅炉进行定型产品能效测试，根据测试数据，对可能影响燃气工业锅炉热效率的因素进行分析，从而找出影响燃气工业锅炉能效的因素，在提高燃气锅炉热效率的同时，促进节能减排工作的推进。

1 测点布置及测试仪器

测试人员可根据试验大纲的要求来布设测点、配齐测试仪表，并对仪表进行测试前的核查，在测试现场对被测锅炉及其系统进行检查，测试前要对锅炉及系统进行检查，这是为了确保被测锅炉及系统能够正常运行。本研究测试点的布置图见图1，图中的1至12为本研究所选取的测试点。

图1 测点布置图

2 测试内容与计算方法

2.1 测试内容

锅炉的热效率是指同一时间内锅炉有效利用热量与输入热量的百分比。根据热平衡原理，锅炉热效率可通过正反平衡法求得。

2.1.1 正平衡法。该方法是通过直接测量输入热量和输出热量来确定效率。其测量项目有入炉燃料采样的工业分析、元素成分分析以及发热量、蒸汽锅炉输出蒸汽量（热水锅炉、有机热载体锅炉的介质循环流量）、自用蒸汽量，蒸汽取样量，锅水取样量、排污量（连续排污量，要计入锅水取样量）、蒸汽锅炉的给水温度和给水压力、热水锅炉、有机热载体锅炉的进出口介质温度、过热蒸汽温度、蒸汽锅炉的蒸汽压力（热水锅炉、有机热载体锅炉的进、出口介质压力）、饱和蒸汽湿度或过热蒸汽品质、燃料消耗量和电加热锅炉耗电量以及试验开始到结束的时间。

2.1.2 反平衡法。该方法是通过测量各种燃烧产物热损失和锅炉散热损失来确定效率。按反平衡法进行能效测试时，测试的项目包括入炉燃料采样的工业和元素成分分析以及发热量、排烟温度、排烟处烟气成分、炉渣和漏煤的重量、炉渣和漏煤以及飞灰可燃物含量、入炉冷空气温度、试验开始到结束的时间。

测试前要根据被测试设备的具体状况来制定测试大纲，包括测试任务、目的与要求、测试项目、测点布置（见图1）与所需仪表、人员组织与分工、工作程序、注意事项等［6］。测试内容详见表1。

表1 测试内容

燃气工业锅炉的能效测试包括排烟温度tpy、排烟处过量空气系数αpy、排烟处CO的含量、入炉冷空气温度tlk、排烟处RO2含量、炉体外表面温度以及测试开始和结束的时间［7-8］。

燃气工业锅炉能效测试采用正反平衡法，每次测试的正反平衡效率差要小于或等于1%，测量项目要符合《工业锅炉热工性能试验规程》［9］、《锅炉节能环保技术规程》［10］中的有关要求，排烟温度、排烟处过量空气系数、排烟处CO 含量按测量到的数据取算术平均值作为计算数值。

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2.2 计算方法

按《工业锅炉热工性能试验规程》中的相关规定进行，采用正平衡法测试单一工质饱和蒸汽锅炉输入热量，计算公式见式（1）。

式中：Qin为输入热量，kJ/kg或kJ/m³；Qnet.v.ar为收到基低位发热值，kJ/kg；Qex为加热燃料或外来热量，kJ/kg 或kJ/m³；Qf为燃料物理热，kJ/kg或kJ/m³；Qpu为自用蒸汽代入热量，kJ/kg或kJ/m³。

饱和蒸汽锅炉热效率的计算公式见式（2）。

式中：η1为正平衡效率，%；Dfw为给水流量，kg/h；γ为汽化潜热，kJ/kg；ω为饱和蒸汽湿度，%；GHum为测定蒸汽湿度时锅水取样量，kg/h；B为燃料消耗量，kg/h或m³/h。

采用反平衡法来测量单一工质饱和蒸汽锅炉热效率，计算公式见式（3）。

式中：η2为反平衡热效率，%；q2为排烟热损失，%；q3为气体不完全燃烧热损失，%；q4为固体不完全燃烧热损失，%；q5为散热损失，%；q6为灰渣物理热损失，%；q7为石灰石脱硫热损失，%。

3 测试数据

3.1 测试数据汇总

表2 测试数据

3.2 测试数据分析

对表3 中的定型产品能效测试数据进行绘图分析，并抽取不同出力的锅炉数据，对其进行绘图分析，如图2所示。

图2 锅炉出力与平均热效率

由图2 可以看出，随着制造工艺的提升，燃气工业锅炉定型产品的热效率得到显著提高，且随着锅炉出力的提高，锅炉热效率无显著提升或降低，如图3所示。

图3 锅炉出力与排烟温度

对测试结果进行分析，可以发现，排烟损失q2是锅炉热损失的主要部分，排烟温度过高容易导致燃料燃烧产生的热量不能充分利用，不但浪费了燃料，还使锅炉的热效率降低。造成排烟温度过高的因素有结构设计不合理、受热面不足、隔热层破损、烟气短路、受热面外部积灰内部结垢等［11］。

由图3 可以看出，随着锅炉出力的增大，排烟温度整体呈下降趋势。这是因为随着锅炉出力的增大，设计制造时更加注重热效率的影响，会采取适当增大锅炉受热面、增加尾部节能器等措施，在降低排烟温度的同时，提高锅炉效率［12］。

过量空气系数是影响工业锅炉热效率的一个重要因素，过量空气系数过低或过高都会导致燃料燃烧不充分，从而造成燃料未完全燃烧，导致锅炉的热效率降低［13］，如图4所示。

图4 锅炉出力与过量空气系数

由表2 和图4 可以看出，目前燃气工业锅炉的过量空气系数波动较小，一般都在标准允许的范围内，这是因为燃气工业锅炉的结构紧凑、包装相对严密、漏风较少。过量空气系数受燃烧机调试效果的影响，可通过选取匹配合理的燃烧机及对燃烧机进行调试等措施，降低过量空气系数。

在排烟系统中，未完全燃烧的可燃气体（氢气、一氧化碳、甲烷等）会带走一部分热量。按照相关规定中的要求，气体未完全燃烧热损失q3可根据排烟处CO 的含量按经验选取，由表2 可知，燃气工业锅炉气体未完全燃烧热损失数量很小，排烟处的CO含量一般都在100 ppm以下，这与燃气锅炉微正压燃烧及燃烧机性能的提高等有很大关系［14-15］，如图5所示。

图5 出力与气体未完全燃烧热损失

4 燃气工业锅炉能效影响因素及节能措施

4.1 燃气工业锅炉能效的影响因素

对燃气工业锅炉能效产生显著影响的因素有排烟温度、过量空气系数、气体未完全燃烧及散热等，这些因素产生的原因如下。

4.1.1 排烟温度。由于锅炉设计的受热面积不足、受热面布置不当、传热效果不良，导致燃料燃烧后产生的热量不能完全被工质吸收；尾部换热器选型较小，导致换热面积不足、换热效果不佳；炉墙损坏，烟气短路，导致烟气未与受热面充分接触换热。

4.1.2 排烟处过量空气系数。燃烧器选项不当，使送风量过大，导致过量空气系数增大；锅炉的保温密封不严，导致锅炉本体部位漏风；空气预热器等尾部受热面部位存在漏风的情况。

4.1.3 气体未完全燃烧。炉膛容积较小，烟气在炉内的停留时间短，导致可燃气体未燃尽；过量空气系数过小，可燃气体得不到充足的氧气，从而无法完全燃烧；过量空气系数过大会导致炉内温度降低，不利于燃烧反应的进行，同样也会导致气体未完全燃烧的热损失增大。

4.1.4 散热损失。锅炉外表面积大小；锅炉外保温材料及包覆效果。

4.2 提高在用锅炉节能的措施

4.2.1 控制过量空气系数。通过合理调节配风比和炉排风室密封来减少串风、增设变频器或更换风机等，将过量空气系数控制在最佳的范围内。

4.2.2 控制排烟温度。降低排烟温度是锅炉节能的重要途径。对正在使用的锅炉，可增加尾部受热面来降低排烟温度。

4.2.3 做好锅炉给水软化处理工作，避免或减少受热面结垢。由于水垢导热系数低，热阻大，传热会受到影响，从而使煤耗增加。因此，要保证受热面不结水垢。一是要加强水质处理从而保证不结垢，二是当受热面结垢达到一定程度时，要及时进行清除。

4.2.4 提高锅炉运行管理及操作水平。根据资料显示，无须其他技术措施，仅通过改善管理就能提高5%～10%的工作效率。同样型号的锅炉，不同人员进行操作、调节与控制，锅炉的消耗也是不一样的，所以要强化锅炉运行管理及提高相关人员的操作水平。

4.2.5 加强锅炉运行监测。通过对锅炉运行参数和相关指标进行监测，确定各项控制指标，为锅炉安全高效的运行提供依据。有条件的应实现自动控制，便于随时调整燃料量、风量、水位、汽压、汽温、炉膛温度、排烟温度、过量空气系数等，从而实现锅炉的安全、高效运行。

5 结语

从锅炉型式来说，目前我国已形成能适应国情和满足国内市场需求的、较完整的产品规格体系。锅炉本体型式早已成熟，今后工业锅炉行业的发展主要是随着燃料的变化、环保要求的提高及科学技术的发展，而带来燃烧方式和燃烧设备的改进、配套辅机附件的提高，以及检测和自动控制水平的完善提高。技术上将迎来一个精耕细作的过程，要着眼于从有到优、从整体到细节、从单机到系统的全生命周期的优化提升，着眼于对现有经验的理论提升和实证研究。