胡增彬 云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)工程技術(shù)研究中心云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院

高海拔環(huán)境對(duì)層燃燃煤工業(yè)鍋爐能效的影響

胡增彬 云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)工程技術(shù)研究中心云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院

從工業(yè)鍋爐能量反平衡計(jì)算角度出發(fā)，分析高海拔環(huán)境因素對(duì)層燃燃煤工業(yè)鍋爐各項(xiàng)能量損失的影響，進(jìn)而分析各因素對(duì)鍋爐能效的影響。針對(duì)層燃燃煤工業(yè)鍋爐能效的制約因素，提出相應(yīng)的提高鍋爐能效的措施，實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐節(jié)能。

高海拔 層燃燃煤工業(yè)鍋爐 能效

鍋爐基本上都是以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，未考慮高海拔地區(qū)低氣壓環(huán)境因素的對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響。云南省地處云貴高原，平均海拔1900m，氣壓低，空氣密度低及空氣含氧量低，這種特定的環(huán)境因素會(huì)對(duì)鍋爐運(yùn)行及其能效產(chǎn)生不良的影響。文獻(xiàn)[1～4]指出空氣壓力和密度的降低將影響鍋爐爐膛燃燒和傳熱，導(dǎo)致燃煤工業(yè)鍋爐熱效率降低。文獻(xiàn)[5、6]分析高海拔低氣壓對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐排煙熱損失和不完全燃燒熱損失的影響。但是，還未有文章系統(tǒng)地分析高海拔環(huán)境因素對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐能效的影響。

熱效率是工業(yè)鍋爐的主要能效指標(biāo)，本文從鍋爐能量反平衡計(jì)算角度出發(fā)，著眼于各項(xiàng)主要熱損失，系統(tǒng)分析高海拔、低氣壓，低空氣密度、低空氣含氧量對(duì)層燃燃煤工業(yè)鍋爐能效的影響，并提出相應(yīng)的提高熱效率的措施。

1 高海拔環(huán)境特點(diǎn)

大氣壓力與海拔高度的關(guān)系[3]：

式中：z——海拔高度，m；

P——當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ琸Pa。

從式(1)可得：隨著海拔高度升高，大氣壓力降低。海拔高度每升高1000m，大氣壓力大約降低12%。云南省平均海拔約1900m，則當(dāng)?shù)卮髿鈮毫s為80.5 kPa。

空氣密度與大氣壓力的關(guān)系：

式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

ρ0——標(biāo)況下的空氣密度，1.293 kg/m3；

t——溫度，℃。

從式（2）可得：隨著壓力降低，空氣密度降低。海拔高度每升高1000m，平均溫度降低5℃，空氣密度約降低10%。云南省平均氣溫為15℃，則其空氣密度約為0.822kg/m3。

綜上所述，隨著海拔高度升高，相對(duì)大氣壓力降低，空氣密度減小，相應(yīng)的空氣中氧分壓即氧含量降低。云南省平均海拔約1900m，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫s為80.5kPa，空氣密度約為0.822kg/m3，空氣中氧氣含量約為17%。

2 高海拔環(huán)境因素對(duì)層燃鍋爐能效的影響

2.1 燃煤工業(yè)鍋爐能效評(píng)價(jià)

鍋爐熱效率和燃料消耗量是鍋爐能效評(píng)價(jià)的兩個(gè)指標(biāo)?；阱仩t熱量輸入、熱量輸出和各項(xiàng)熱損失的熱平衡計(jì)算，明確鍋爐熱效率、燃料消耗量、燃料的有效利用率、各項(xiàng)熱損失以及這些熱損失的流向。

影響工業(yè)鍋爐熱效率的因素包括：排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失、散熱損失及其他熱損失。其中，排煙熱損失、固體不完全燃燒熱損失和鍋爐散熱損失約占總熱損失的80%～90%。排煙熱損失和不完全燃燒熱損失是影響工業(yè)鍋爐熱效率的主要因素。排煙熱損失的大小主要與排煙溫度、煙氣量及空氣過(guò)剩系數(shù)有關(guān)。對(duì)于小型鍋爐，排煙溫度每升高12～15℃, 熱損失將增大1%，排煙熱損失增加0.5%～0.8%[7]。不完全燃燒熱損失主要與爐膛空氣過(guò)剩系數(shù)、空氣含氧量和燃燒過(guò)程有關(guān)。

2.2 低氣壓對(duì)層燃鍋爐排煙熱損失的影響

1）爐膛空氣過(guò)剩系數(shù)對(duì)鍋爐排煙熱損失的影響固體燃料燃燒空氣需要量：

從式（3）可以得出，隨著大氣壓力降低，空氣密度減小，空氣中氧含量降低，燃燒理論空氣需要量降低。為達(dá)到與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相同條件下的穩(wěn)定燃燒，單位質(zhì)量的燃料燃燒所需的空氣量增大，即需要增大爐膛空氣過(guò)剩系數(shù)。爐膛空氣過(guò)剩系數(shù)增大，導(dǎo)致形成的煙氣量增大，煙氣流速高，使排煙溫度升高，排煙熱損失隨之增加。

2）爐膛傳熱對(duì)鍋爐排煙熱損失的影響

鍋爐爐膛內(nèi)的傳熱主要為火焰輻射傳熱，煤等固體燃料的火焰黑度主要由火焰中的主要輻射成分三原子氣體、灰粒和焦炭顆粒的輻射能力所決定[8]。

將與煙氣壓力無(wú)關(guān)的參數(shù)均視為常數(shù)，則輻射減弱系數(shù)k與煙氣壓力p的關(guān)系可表示為：

爐膛內(nèi)氣體火焰黑度為：

式中：P——爐膛內(nèi)煙氣壓力；

S——有效輻射層厚度；

C1、C2——常數(shù)。

從式（5）可以看出，大氣壓力降低，爐膛內(nèi)氣體的火焰黑度下降，導(dǎo)致?tīng)t膛輻射傳熱降低，爐膛出口煙溫升高，增大排煙熱損失。

2.3 低氣壓對(duì)層燃鍋爐不完全燃燒熱損失的影響

式中：C——燃料濃度；

t——反應(yīng)時(shí)間；

P——大氣壓力。

反應(yīng)速率與壓力的n次方成正比，隨著大氣壓力降低，空氣密度減小，燃料燃燒速率降低，將導(dǎo)致焦炭燃盡不完全，固體不完全燃燒熱損失隨之增加。

2）燃燒時(shí)間對(duì)不完全燃燒熱損失的影響

空氣中氧含量降低，爐膛內(nèi)空氣及煙氣體積增大，燃料在爐內(nèi)停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致燃料不能充分燃燒，固體不完全燃燒熱損失隨之增加；另外，煙氣中未燃燒氣體體積增加，氣體未完全燃燒熱損失增大。

焦炭燃盡時(shí)間：

1）燃燒速率對(duì)不完全燃燒熱損失的影響

反應(yīng)速率與壓力的關(guān)系：

式中：ρc——焦炭表明密度，kg/m3；

τD——焦炭擴(kuò)散燃燒的燃盡時(shí)間，s；

τk——焦炭動(dòng)力燃燒的燃盡時(shí)間，s；

KD——擴(kuò)散燃燒的燃燒常數(shù)；

Kk——?jiǎng)恿θ紵娜紵?shù)；

Cf——環(huán)境氧氣含量，mol/m3；

D——?dú)怏w在灰層中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

從式（7）、式（8）可看出，焦炭燃盡時(shí)間與氧濃度成反比。氣壓降低，空氣中氧濃度降低，焦炭燃盡時(shí)間延長(zhǎng)。導(dǎo)致焦炭燃盡不完全，增加固體不完全燃燒熱損失。

3）大氣壓力降低，爐膛傳熱減弱，使?fàn)t膛燃燒溫度升高，當(dāng)燃燒溫度升高100℃，CO2的離解率增加40%～50%，使煙氣中CO2含量減少，CO含量增加，從而使氣體不完全燃燒熱損失增大[7]。

3 實(shí)現(xiàn)鍋爐節(jié)能的措施

最大限度地減少鍋爐的各項(xiàng)熱損失是提高鍋爐熱效率、降低燃料消耗量、提高能效的根本途徑。強(qiáng)化燃燒和傳熱是降低鍋爐排煙熱損失和不完全燃燒熱損失的宗旨。

1）在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)高海拔低氣壓環(huán)境，應(yīng)適當(dāng)增大爐膛容積，主要增大爐膛高度。由于低氣壓帶來(lái)的燃燒速率減慢、燃料在爐膛內(nèi)的滯留時(shí)間縮短、焦炭燃盡時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)不完全燃燒熱損失的影響，應(yīng)適當(dāng)增加爐膛容積，以保證燃料燃燒速度和燃料在爐膛內(nèi)的滯留時(shí)間，降低不完全燃燒熱損失。已有研究[1]指出，海拔超過(guò)400m的燃煤鍋爐的爐膛有效容積放大比例為（p/100)-1適宜。對(duì)褐煤鍋爐，放大比可降低為（0.9～0.95)（p/100)-1。

2）在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)高海拔低氣壓環(huán)境，應(yīng)適當(dāng)增大鍋爐尾部煙道的截面積。由于低氣壓導(dǎo)致?tīng)t膛傳熱減弱、排煙溫度升高、煙氣流速增大，為保證排煙溫度不致升高過(guò)多、降低煙速、防止飛灰對(duì)對(duì)流受熱面的磨損，鍋爐煙道的斷面積也應(yīng)相應(yīng)的放大，以（p/100)-1的比例增大適宜。

3）在鍋爐運(yùn)行中，為控制爐膛過(guò)量空氣系數(shù)，應(yīng)合理送風(fēng)和調(diào)節(jié)風(fēng)量。爐膛最佳過(guò)量空氣系數(shù)為最經(jīng)濟(jì)爐膛過(guò)量空氣系數(shù)，此值使排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、和固體不完全燃燒熱損失三者之和最小，通過(guò)燃燒調(diào)整試驗(yàn)確定。

4）在鍋爐運(yùn)行中，應(yīng)維持爐膛高溫。層燃爐在正常燃燒工況下高達(dá)900～1300℃，爐膛出口煙溫也高達(dá)800℃左右。爐膛內(nèi)保持高溫可以有效提高燃燒化學(xué)反應(yīng)速度和提高輻射換熱強(qiáng)度，降低不完全燃燒熱損失?？稍鲈O(shè)空氣預(yù)熱器，將冷風(fēng)預(yù)熱后送入爐膛，以提高入爐熱量，提高爐內(nèi)溫度的同時(shí)降低排煙溫度。

5）在鍋爐運(yùn)行中，降低排煙溫度。設(shè)法回收煙氣余熱，降低排煙溫度，減少排煙熱損失，節(jié)約燃料，提高熱效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）隨著大氣壓力降低，爐膛內(nèi)氣體的火焰黑度下降，導(dǎo)致?tīng)t膛輻射傳熱降低，爐膛出口煙溫升高；空氣密度減小，空氣中氧含量降低，爐膛空氣過(guò)剩系數(shù)增大，排煙溫度升高；排煙熱損失隨排煙溫度升高增大。

2）隨著大氣壓力降低，空氣密度減小，燃料燃燒速率降低，導(dǎo)致焦炭燃盡時(shí)間延長(zhǎng)，焦炭燃盡不完全；空氣中氧含量降低，爐膛內(nèi)空氣及煙氣體積增大，燃料在爐內(nèi)停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致燃料不能充分燃燒；焦炭和燃料的不完全燃燒使固體不完全燃燒熱損失增大。

3）隨著大氣壓力降低，空氣中氧含量降低，煙氣中未燃燒氣體體積增加；爐膛傳熱減弱，使?fàn)t膛燃燒溫度升高，使煙氣中CO2含量減少，CO含量增加；從而使氣體不完全燃燒熱損失增大。

4）針對(duì)高海拔低氣壓環(huán)境，為最大限度地減少層燃燃煤工業(yè)鍋爐的排煙熱損失和不完全燃燒熱損失，建議采取如下措施：(1）在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大爐膛容積，主要增大爐膛高度，強(qiáng)化燃燒，減少不完全燃燒熱損失；應(yīng)適當(dāng)增大鍋爐尾部煙道的截面積，保證排煙溫度不致升高過(guò)多，減少排煙熱損失。(2）在鍋爐運(yùn)行中，應(yīng)合理送風(fēng)和調(diào)節(jié)風(fēng)量，控制爐膛過(guò)量空氣系數(shù)，減少排煙熱損失；應(yīng)維持爐膛高溫，降低不完全燃燒熱損失；設(shè)法回收煙氣余熱，降低排煙溫度，減少排煙熱損失。

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8 林宗虎,徐通模.實(shí)用鍋爐手冊(cè).化學(xué)工業(yè)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）