高海拔环境对层燃燃煤工业锅炉能效的影响

胡增彬 云南省特种设备安全检测工程技术研究中心云南省特种设备安全检测研究院

高海拔环境对层燃燃煤工业锅炉能效的影响

胡增彬 云南省特种设备安全检测工程技术研究中心云南省特种设备安全检测研究院

从工业锅炉能量反平衡计算角度出发，分析高海拔环境因素对层燃燃煤工业锅炉各项能量损失的影响，进而分析各因素对锅炉能效的影响。针对层燃燃煤工业锅炉能效的制约因素，提出相应的提高锅炉能效的措施，实现工业锅炉节能。

高海拔 层燃燃煤工业锅炉 能效

锅炉基本上都是以标准大气压为基准进行设计和生产，未考虑高海拔地区低气压环境因素的对锅炉运行的影响。云南省地处云贵高原，平均海拔1900m，气压低，空气密度低及空气含氧量低，这种特定的环境因素会对锅炉运行及其能效产生不良的影响。文献[1～4]指出空气压力和密度的降低将影响锅炉炉膛燃烧和传热，导致燃煤工业锅炉热效率降低。文献[5、6]分析高海拔低气压对燃煤工业锅炉排烟热损失和不完全燃烧热损失的影响。但是，还未有文章系统地分析高海拔环境因素对燃煤工业锅炉能效的影响。

热效率是工业锅炉的主要能效指标，本文从锅炉能量反平衡计算角度出发，着眼于各项主要热损失，系统分析高海拔、低气压，低空气密度、低空气含氧量对层燃燃煤工业锅炉能效的影响，并提出相应的提高热效率的措施。

1 高海拔环境特点

大气压力与海拔高度的关系[3]：

式中：z——海拔高度，m；

P——当地大气压力，kPa。

从式(1)可得：随着海拔高度升高，大气压力降低。海拔高度每升高1000m，大气压力大约降低12%。云南省平均海拔约1900m，则当地大气压力约为80.5 kPa。

空气密度与大气压力的关系：

式中：ρ——空气密度，kg/m3；

ρ0——标况下的空气密度，1.293 kg/m3；

t——温度，℃。

从式（2）可得：随着压力降低，空气密度降低。海拔高度每升高1000m，平均温度降低5℃，空气密度约降低10%。云南省平均气温为15℃，则其空气密度约为0.822kg/m3。

综上所述，随着海拔高度升高，相对大气压力降低，空气密度减小，相应的空气中氧分压即氧含量降低。云南省平均海拔约1900m，当地大气压力约为80.5kPa，空气密度约为0.822kg/m3，空气中氧气含量约为17%。

2 高海拔环境因素对层燃锅炉能效的影响

2.1 燃煤工业锅炉能效评价

锅炉热效率和燃料消耗量是锅炉能效评价的两个指标。基于锅炉热量输入、热量输出和各项热损失的热平衡计算，明确锅炉热效率、燃料消耗量、燃料的有效利用率、各项热损失以及这些热损失的流向。

影响工业锅炉热效率的因素包括：排烟热损失、气体不完全燃烧热损失、固体不完全燃烧热损失、散热损失及其他热损失。其中，排烟热损失、固体不完全燃烧热损失和锅炉散热损失约占总热损失的80%～90%。排烟热损失和不完全燃烧热损失是影响工业锅炉热效率的主要因素。排烟热损失的大小主要与排烟温度、烟气量及空气过剩系数有关。对于小型锅炉，排烟温度每升高12～15℃, 热损失将增大1%，排烟热损失增加0.5%～0.8%[7]。不完全燃烧热损失主要与炉膛空气过剩系数、空气含氧量和燃烧过程有关。

2.2 低气压对层燃锅炉排烟热损失的影响

1）炉膛空气过剩系数对锅炉排烟热损失的影响固体燃料燃烧空气需要量：

从式（3）可以得出，随着大气压力降低，空气密度减小，空气中氧含量降低，燃烧理论空气需要量降低。为达到与标准大气压相同条件下的稳定燃烧，单位质量的燃料燃烧所需的空气量增大，即需要增大炉膛空气过剩系数。炉膛空气过剩系数增大，导致形成的烟气量增大，烟气流速高，使排烟温度升高，排烟热损失随之增加。

2）炉膛传热对锅炉排烟热损失的影响

锅炉炉膛内的传热主要为火焰辐射传热，煤等固体燃料的火焰黑度主要由火焰中的主要辐射成分三原子气体、灰粒和焦炭颗粒的辐射能力所决定[8]。

将与烟气压力无关的参数均视为常数，则辐射减弱系数k与烟气压力p的关系可表示为：

炉膛内气体火焰黑度为：

式中：P——炉膛内烟气压力；

S——有效辐射层厚度；

C1、C2——常数。

从式（5）可以看出，大气压力降低，炉膛内气体的火焰黑度下降，导致炉膛辐射传热降低，炉膛出口烟温升高，增大排烟热损失。

2.3 低气压对层燃锅炉不完全燃烧热损失的影响

式中：C——燃料浓度；

t——反应时间；

P——大气压力。

反应速率与压力的n次方成正比，随着大气压力降低，空气密度减小，燃料燃烧速率降低，将导致焦炭燃尽不完全，固体不完全燃烧热损失随之增加。

2）燃烧时间对不完全燃烧热损失的影响

空气中氧含量降低，炉膛内空气及烟气体积增大，燃料在炉内停留时间缩短，导致燃料不能充分燃烧，固体不完全燃烧热损失随之增加；另外，烟气中未燃烧气体体积增加，气体未完全燃烧热损失增大。

焦炭燃尽时间：

1）燃烧速率对不完全燃烧热损失的影响

反应速率与压力的关系：

式中：ρc——焦炭表明密度，kg/m3；

τD——焦炭扩散燃烧的燃尽时间，s；

τk——焦炭动力燃烧的燃尽时间，s；

KD——扩散燃烧的燃烧常数；

Kk——动力燃烧的燃烧常数；

Cf——环境氧气含量，mol/m3；

D——气体在灰层中的分子扩散系数，m2/s。

从式（7）、式（8）可看出，焦炭燃尽时间与氧浓度成反比。气压降低，空气中氧浓度降低，焦炭燃尽时间延长。导致焦炭燃尽不完全，增加固体不完全燃烧热损失。

3）大气压力降低，炉膛传热减弱，使炉膛燃烧温度升高，当燃烧温度升高100℃，CO2的离解率增加40%～50%，使烟气中CO2含量减少，CO含量增加，从而使气体不完全燃烧热损失增大[7]。

3 实现锅炉节能的措施

最大限度地减少锅炉的各项热损失是提高锅炉热效率、降低燃料消耗量、提高能效的根本途径。强化燃烧和传热是降低锅炉排烟热损失和不完全燃烧热损失的宗旨。

1）在锅炉设计时，针对高海拔低气压环境，应适当增大炉膛容积，主要增大炉膛高度。由于低气压带来的燃烧速率减慢、燃料在炉膛内的滞留时间缩短、焦炭燃尽时间延长对不完全燃烧热损失的影响，应适当增加炉膛容积，以保证燃料燃烧速度和燃料在炉膛内的滞留时间，降低不完全燃烧热损失。已有研究[1]指出，海拔超过400m的燃煤锅炉的炉膛有效容积放大比例为（p/100)-1适宜。对褐煤锅炉，放大比可降低为（0.9～0.95)（p/100)-1。

2）在锅炉设计时，针对高海拔低气压环境，应适当增大锅炉尾部烟道的截面积。由于低气压导致炉膛传热减弱、排烟温度升高、烟气流速增大，为保证排烟温度不致升高过多、降低烟速、防止飞灰对对流受热面的磨损，锅炉烟道的断面积也应相应的放大，以（p/100)-1的比例增大适宜。

3）在锅炉运行中，为控制炉膛过量空气系数，应合理送风和调节风量。炉膛最佳过量空气系数为最经济炉膛过量空气系数，此值使排烟热损失、气体不完全燃烧热损失、和固体不完全燃烧热损失三者之和最小，通过燃烧调整试验确定。

4）在锅炉运行中，应维持炉膛高温。层燃炉在正常燃烧工况下高达900～1300℃，炉膛出口烟温也高达800℃左右。炉膛内保持高温可以有效提高燃烧化学反应速度和提高辐射换热强度，降低不完全燃烧热损失。可增设空气预热器，将冷风预热后送入炉膛，以提高入炉热量，提高炉内温度的同时降低排烟温度。

5）在锅炉运行中，降低排烟温度。设法回收烟气余热，降低排烟温度，减少排烟热损失，节约燃料，提高热效率。

4 结束语

1）随着大气压力降低，炉膛内气体的火焰黑度下降，导致炉膛辐射传热降低，炉膛出口烟温升高；空气密度减小，空气中氧含量降低，炉膛空气过剩系数增大，排烟温度升高；排烟热损失随排烟温度升高增大。

2）随着大气压力降低，空气密度减小，燃料燃烧速率降低，导致焦炭燃尽时间延长，焦炭燃尽不完全；空气中氧含量降低，炉膛内空气及烟气体积增大，燃料在炉内停留时间缩短，导致燃料不能充分燃烧；焦炭和燃料的不完全燃烧使固体不完全燃烧热损失增大。

3）随着大气压力降低，空气中氧含量降低，烟气中未燃烧气体体积增加；炉膛传热减弱，使炉膛燃烧温度升高，使烟气中CO2含量减少，CO含量增加；从而使气体不完全燃烧热损失增大。

4）针对高海拔低气压环境，为最大限度地减少层燃燃煤工业锅炉的排烟热损失和不完全燃烧热损失，建议采取如下措施：(1）在锅炉设计时，应适当增大炉膛容积，主要增大炉膛高度，强化燃烧，减少不完全燃烧热损失；应适当增大锅炉尾部烟道的截面积，保证排烟温度不致升高过多，减少排烟热损失。(2）在锅炉运行中，应合理送风和调节风量，控制炉膛过量空气系数，减少排烟热损失；应维持炉膛高温，降低不完全燃烧热损失；设法回收烟气余热，降低排烟温度，减少排烟热损失。

1 杨昆民,赵明,吴江.高海拔地区电站锅炉燃用高水分褐煤机理的研究.云南电力技术,2001,29(2)：1－4

2 袁颖,姚伟,相大关等.高海拔对煤粉燃烧炉膛的影响.热力发电,2000,2(4)：16~20

3 张洪岩,刘瑞峰. 高海拔地区对锅炉设计的影响.锅炉制造,2011,5(3)：28~30

4 范文斌,王宁,蒋群.高原地区小型燃煤锅炉设计.工业锅炉,2008,1：29~31

5 刘荣礼.高海拔地区锅炉经济运行方式的优化调整.青海电力,2007,26(4)：51~53

6 胡中铎.层燃锅炉在高原地区设计问题探讨.应用能源技术,2001,1：36~38

7 陈士龙.如何提高燃煤锅炉热效率. 科技论坛

8 林宗虎,徐通模.实用锅炉手册.化学工业出版社,第二版：2009

From industrial boiler energy anti-balance perspective, analyze that high altitude environmental factors influence on layer combustion coal-fired industrial boiler of various energy losses, and then analyzed the boiler efficiency caused by various factors. Against layer combustion coal-fired industrial boiler energy efficiency constraints, put forward the corresponding solutions to achieve the purpose of energy saving.

High altitude Layer combustion coal-fired industrial boiler Energy efficiency

2013－07－30）