节能降耗技术在电厂锅炉运行中的应用

山东电力工程咨询院有限公司 邓 楠

1 引言

作为电厂化学能转换的主要载体，锅炉的节能降耗对于节约能源具有十分重要的意义，广大企业和公司应加大对电厂锅炉设备和技术的研究，并站在战略高度上提高对节能降耗的认识，进而快速实现电厂锅炉的节能降耗目标。

2 电厂锅炉运行中节能降耗的意义

煤炭是电厂发电的主要燃料来源。根据相关电力数据，我国超7成的总发电量由燃煤火力发电厂供应。然而，煤炭在发电厂的燃烧会导致火焰温度降低、排气损失增加、热效率降低和二氧化碳排放增加，这些都是煤炭高效利用的不利因素[1]。2021年，我国提出“碳达峰碳中和”，在解决全球气候问题方面提出了具体的目标和措施。节约能源，减少能耗是当前电厂必须高度重视的问题。节能降耗技术在电厂锅炉中的成功应用，能够提高燃料的利用率，与传统技术相比，可以在消耗同等体积原料的情况下释放更多的热能，减少燃料投入和锅炉运行成本。改良后的锅炉构造更加精简，结构更加紧凑，随着锅炉体积的减小也相应减少了占地面积，一定程度上避免了对外界环境的影响；小体积的锅炉结构更加便于运输和安装，提高了可操作性。为了尽可能保障燃料的充分使用，对锅炉内部的改造升级是必不可少的，改造后的炉墙热换效果更好，减少了炉体受热不均的现象，提高了锅炉的使用寿命。锅炉内部构件的升级以及与燃料的充分接触，可以保障锅炉充分吸热，烟囱所排放的烟气温度低，使用起来节能高效，相比改造前减少了废气的排放量，缓解了环境压力。电厂锅炉展示如图1所示。

图1 电厂锅炉展示

3 现阶段电厂锅炉节能降耗所暴露的问题

3.1 锅炉内的水质问题

锅炉给水的质量对锅炉的能源消耗情况会产生一定的影响，但是大部分发电厂往往忽略了这一点，在水供给方面并没有按照生产规范采用水质达标的水，而且在锅炉使用过程中也没有安装任何水净化装置。在锅炉长期运行期间，锅炉水自然就会随着锅水的不断蒸发浓缩，而出现锅水电导率超标的现象，这意味着水中含盐量较高，在持续高温受热的状态下，容易形成水垢附着在锅炉内壁的受热面上，严重情况下会产生较大的热阻力阻碍锅炉内部传热。相关研究数据表明，锅炉内壁水垢厚度每增加2mm，同比消耗的能源就多出5%。另外，不经过净化的水长时间使用还容易腐蚀锅炉，对省煤器水冷壁、给水管道、汽轮机等结构造成损害[2]。

3.2 燃料的不充分燃烧

在燃料能源方面，影响锅炉能耗的问题主要是燃料燃烧不充分，这就会导致燃料的过度消耗，并且不充分燃烧还会向空气中排放大量的一氧化碳、碳氢化合物等有害气体，影响大气质量。锅炉燃料燃烧不充分的表现通常为锅炉运行过程中产生黄色火焰，内焰模糊甚至是出现黑烟。原因主要为：锅炉进风口设计不科学，导致进风量不足，无法带动足够的燃料燃烧；供氧不足，氧气作为燃烧的必要条件之一，缺少氧气的供应，像煤炭等燃料就无法充分燃烧；炉火温度也是重要影响因素之一，这可能与燃料本身质量有关，当燃料遇水潮湿或是长期搁置结构遭到破坏时就会出现燃烧不充分的现象。干扰燃料燃烧程度的因素还有很多，如催化剂的使用、锅炉排烟不充足等，因此想要充分提升燃料燃烧作功，必须多方协调，相互促进[3]。

3.3 电厂锅炉在运转过程中导致的热损失

通常来说，电厂锅炉组在运转过程中会有一部分能量在传递过程中被消耗，而且锅炉越大，热损失越小，一般为0.8%～3%。锅炉在运转过程中炉墙与锅炉本体的温度总是高于外界环境，与外界环境的温差就会直接导致热量从锅炉本体传递到外界空气和环境，造成散热损失。锅炉要想保证正常运转，必须顺畅其流程，因此在末级热交换器主导的排烟步骤中，也会造成热损失现象。灰渣物理热损失也是一种常见的锅炉热损失。想要完全避免此类情况较为困难，但可以通过技术改造和严格的质量监管予以控制，尽可能地减少热损失[4]。

3.4 操作人员专业技术能力不足

近年来，政府和企业越来越重视节能降耗问题，很多企业在生产方式上寻求转型，也有部分企业改变了其原材料需求，寻找更为清洁绿色的材料代替。电厂传统的发电模式通常是依赖煤、天然气等不可再生能源来实现的，虽然达到了不错的发电效果，但是由于二氧化碳等物质的过度排放，对周围环境造成了严重影响。部分电厂已经意识到节能降耗在未来社会工业发展的重要性，积极引进先进的硬件设备，电厂锅炉的高效运转既离不开先进设备的硬件支撑，也离不开专业技术人员的科学操作。专业人员的技术保障仅仅依靠设备自身是很难达成预期的。新引进厂的设备一般都需要专业人员的调试，对周围环境参数设置、燃料投入比例等的控制都会影响降耗效率。一方面，锅炉工人运行锅炉时新理念、新方法掌握不熟练。另一方面，对于锅炉设备运转过程中的数据监测、功率监管等数据的采集也十分重要，因此不容忽视，应积极收集到对节能降耗过程的关键数据，提高电厂的发电效率。

4 锅炉节能的基本原理

锅炉节能主要是依靠锅炉信息化监控系统来实现的，通过编程给定系统以严格的程序规范，就可以由锅炉加装的各类传感器敏锐地接收检测信号，然后回馈到后台程序，后台计算机通过比对、计算等操作就能够获知电厂锅炉目前的运行状态以及锅炉自身的“健康”状况，从而提供给管理人员合适的建议供参考。基于信息化系统的保障，可以引入相关的新技术支撑，如加装燃油锅炉节能器实现燃料能源进一步节省；采用防垢、除垢技术避免锅炉内壁水垢的形成，提高热量转换效率的同时保障锅炉运行安全[5]。

5 节能降耗技术在电厂锅炉运行中的运用

5.1 过量空气控制技术

燃烧空气被供应到锅炉的燃烧室，以燃烧所供应的燃料。供应的空气中只有氧气参与燃烧过程，其他部分的空气从燃烧中获取显热，这些显热与燃烧产物一起通过烟囱排出，成为烟囱损失。因此，燃烧空气的数量应尽可能低，以尽量减少烟囱损失。由于某些限制，只有理论上的空气不能保证燃料的完全燃烧。为了实现完全燃烧，供应的助燃空气应多于理论上的要求。由于燃料的不完全燃烧，会发现烟气中较高比例的CO 或灰烬中未燃烧的碳。锅炉应以最佳的过剩空气运行，以尽量减少干烟气的损失。为了实现完全燃烧，可选用的具体措施包括：进口风门控制、进口叶片控制、变速控制以及烟气中氧含量的测量系统。其中，变速传动（VSD）是最有效的控制方法，以风机电机提供动力，在给定条件下克服系统阻力。目前，VSD 广泛应用于工业和商业锅炉。VSD 已被用于建筑物的制冷、供暖、通风和空调，以减少能源消耗，较高的转压比减少了燃烧器的启动，减少了燃烧器的磨损，提供了更好的负载控制，减少了耐火材料的磨损，减少了净化空气的要求，并节省了燃料。

5.2 锅炉燃料技术

燃烧效率与燃料中的能量含量通过燃烧反应释放出来并转变成可用的热量直接相关。可以通过测量排气温度、烟气中的氧气或一氧化碳浓度来衡量。因此，较低的燃烧效率也会导致未燃烧的污染物的高排放，如CO 和烟尘。在理想的情况下，需要精确的空气量来与给定数量的燃料完全反应。在真正的燃烧中，空气和燃料的适当混合是无法实现的，必须提供“过量”的空气以完全燃烧燃料。较少的空气供应量将产生不完全燃烧（一氧化碳排放）或底部或飞灰中未燃烧的碳。

因此，燃料中的一部分热量被浪费了。化学计量空气是指含有给定燃料完全燃烧所需氧气量的最小空气量，不同燃料的化学计量空气由于化学式和组成化学元素不相似。燃烧效率主要可以通过测量底部和飞灰中未燃烧的碳和排气中的氧气量来确定。使用设计良好的常规燃烧器，气体和液体燃料可以在15%的过量空气水平下燃烧，为了减少排放，需要25%的高过量空气水平。相关研究表明用百叶窗集中器和改良的二次风对燃煤锅炉进行改造，可将飞灰中的碳含量从9.55%大大降低到2.43%。燃料不停燃烧效率并不一致。气体和液体燃料比固体燃料燃烧效率更高。

5.3 从烟气中回收热量技术

由于燃烧产物和水或蒸汽之间的传热面积的限制以及烟气的冷凝，锅炉排气温度在150～250℃。因此，大量的热能通过锅炉废气或烟道气体损失。大约10%～20%的输入能量可能通过高温烟气损失。因此，回收部分烟气总热量可以提高锅炉效率。这些热量可用于预热燃烧空气，锅炉内的锅炉给水，或作为吸收式制冷机等其他用途的驱动热源。以省煤器为例，从烟道气中回收热量的常见方法是使用热交换器(通常称为省煤器)对给水和燃烧空气进行预热，回收的热量取决于烟气和需要加热的液体的温度。但是，与烟气热回收有关的主要问题是由于酸凝结而造成的腐蚀。燃料中的硫在燃烧过程中与氧气结合，形成二氧化硫，与蒸汽结合后在烟气中形成硫酸。蒸汽是由燃料中的氢气和水分氧化形成的，当烟道气体冷却到其酸露点以下时，就会发生酸凝结。为了防止酸凝结，可以将烟气温度降低到远高于酸露点温度的某一温度。

6 结语

本文重点研究了锅炉在目前社会环境下节能降耗的重要意义，并从产生热量损失的原因以及锅炉运转系统的节能机会入手，探讨了相关的节能降耗的措施。尽管随着锅炉设备的更新换代，新锅炉各部分的能量损失虽然在可容忍的范围内，但随着锅炉运行周期的增加，能量损失应该增加，因此，锅炉的能量流需要在特定的时间间隔进行审计，以采取不同的补救措施或使用技术来尽量减少能量损耗。