荊曉磊

（中國石化天津分公司，天津300000）

熱電工程#8、#9、#10CFB鍋爐是某企業(yè)100萬噸/年乙烯及配套項目主要的配套裝置之一，主要包括3臺465 t/h循環(huán)流化床鍋爐（CFB）。其鍋爐效率約為90%，其中絕大部分的熱損失為排煙熱損失與物理未完全燃燒熱損失。每年燃燒石油焦及煤折算后約為200萬噸，提升1%鍋爐效率即可節(jié)約2萬噸煤。并且隨著碳達峰限期的臨近，可供燃燒的煤趨于恒定，為滿足外界需求，增產創(chuàng)利，必須提升鍋爐效率。

1 基于正反平衡法提高CFB鍋爐熱效率的措施[1]

鍋爐熱效率是反映鍋爐運行經濟性的重要指標，實際負荷在額定值的75%～100%之間熱效率最高。以該廠CFB鍋爐為例，其運行負荷多為350～440 t/h，屬于高效區(qū)間，因此具備較高的鍋爐效率。鍋爐熱效率的計算方法有正平衡法和反平衡法兩種。正平衡法為對比鍋爐所產生的熱量與燃料所具備的熱量，見公式（1）。

其中，B為鍋爐蒸發(fā)量，t/h，可由盤前表計得出；h1為蒸汽焓值，kJ/kg，根據(jù)焓熵圖得出；h2為給水焓值，kJ/kg，根據(jù)焓熵圖得出；F為燃料放出的全部熱量，kJ，根據(jù)投料量與低位發(fā)熱量乘積求出。

反平衡法通過分析鍋爐在生產過程中的各種熱損失推算出鍋爐熱效率，見公式（2）。

其中，q2為排煙熱損失率；q3為氣體未完全燃燒熱損失率；q4為固體未完全燃燒熱損失率；q5為散熱損失率；q6灰渣物理熱損失率。

通過分析影響鍋爐正反平衡的因素并加強改造，減少熱損失，從而提高鍋爐效率。

1.1 控制排污量

在鍋爐其他條件不變的情況下，爐水pH值與蒸發(fā)量有直接關系，因此鍋爐運行中對爐水品質要求嚴格。降負荷時，蒸汽量逐步減少，爐水中的鈣、鎂離子減少，pH降低，堿度下降；并且只有保證在堿性溶液中，才能生成流動性較強的、容易排出的水渣。如爐水呈酸性，還會造成設備的腐蝕。以該廠CFB鍋爐為例，通過加入氨水至除氧器中控制給水的pH在9.2～9.6；通過加入磷酸三鈉至汽包維持爐水pH在9.0～9.7。由于加藥會產生水渣以及大量處于上部的離子物質，因此需要一定的排污率來控制爐水品質在合格區(qū)間并排出水渣，達到汽包的良好穩(wěn)定運行。

鍋爐排污率過高造成汽包內大量飽和水流失，導致熱量與水資源的浪費，同時污染環(huán)境。從正平衡公式（1）可以看出，鍋爐蒸發(fā)量B必然降低，因此鍋爐效率會受到影響。保證良好的排污率是提升鍋爐效率的方法，其中爐水中的硅離子以及電導率可以較直觀反映爐水中各種離子的數(shù)量，通過控制硅離子的數(shù)值來改變排污率，使硅離子含量在經濟性的數(shù)值范圍之內，相應降低連排量。同時對排污水進行利用，以該廠為例設置有連排擴容器，排污水進入連排擴容器后產生二次蒸汽，經過汽水分離后進入除氧器進而演變?yōu)殄仩t給水，減少熱損失，提高鍋爐效率。

1.2 加強鍋爐密封[2]

通過反平衡公式（2）可知，排煙熱損失q2是影響鍋爐效率的重要參數(shù)。當鍋爐密封性較差，漏風系數(shù)較高時，排煙熱損失提高。這是由于鍋爐處于微負壓狀態(tài)，當密封較差時空氣會吸入爐膛內，造成空氣系數(shù)上升以及煙氣量增大，提高引風機的出力，并且如果爐膛漏風明顯，大量冷風進入爐膛中會對床溫造成影響，影響鍋爐運行狀況，進而降低鍋爐效率。根據(jù)有關實驗研究，漏風系數(shù)每上升0.1，排煙熱損失將會增加0.2%～0.4%，因此及時提高密封性具有重要意義。該廠CFB鍋爐會在啟爐前進行爐膛嚴密性測試，其步驟為：

（1）關閉所有人孔、觀察孔，打開所有待測通道。

（2）啟動一次風機，保證爐膛壓力500～1 000 Pa，在一次風機入口逐漸加入干燥滑石粉，運行20分鐘后停止。

（3）觀察爐膛及煙道各處有白灰的地方均為泄漏點，應仔細檢查原因并進行密封。

1.3 保證爐膛清潔

保證爐膛的清潔對提高傳熱有重要意義。鍋爐受熱面以及水循環(huán)系統(tǒng)受積灰、結焦、水溝影響明顯，這是由于雜質會降低鍋爐傳熱效果。以結焦為例，焦塊導熱系數(shù)約為0.3 W/（m·k），而碳鋼導熱系數(shù)高達46.5 W/（m·k），差距顯而易見。需要控制爐水和給水的加藥并與連排定排相呼應，分別保證爐水品質合格并實現(xiàn)無垢運行，從而提升水循環(huán)的傳熱系數(shù)；為減少積灰與結焦的影響，需要進行定期吹灰工作，以該廠CFB鍋爐為例，要求每天至少固定進行4次吹灰，采用的是中壓蒸汽，設置有長伸縮吹灰器、半伸縮吹灰器、固定式吹灰器以及依靠工廠風的聲波吹灰器，吹灰器可以對爐膛的受熱面進行清掃，吹掉處于煙道內裝置上附著的灰塵，提高傳熱系數(shù)，保證蒸汽溫度，提高蒸汽焓，并且由于表面灰渣的清除減少了灰渣熔化的可能性，降低了鍋爐受熱面結焦的風險。傳熱系數(shù)提高，排煙溫度也會降低，經測試發(fā)現(xiàn)3臺CFB鍋爐在進行吹灰后，6 h內的排煙溫度平均降低3 ℃，提高了鍋爐的熱效率。

1.4 設置煙氣余熱回收裝置

煙氣焓是很大的一部分熱量，煙氣在經過過熱器、省煤器、空預器進行換熱后的出口溫度在140～170 ℃之間，直接進行除塵脫硫排放會造成較高的熱損失，這也是排煙熱損失q2是鍋爐主要熱損失的原因，因此需要對這部分熱量進行利用。設置相變換熱器可有效降低排煙溫度，圖1所示為該廠9號爐相變系統(tǒng)原理，其布置在空預器后煙道處，類似于一個小型汽包，以水為循環(huán)介質，水在相變換熱器內被加熱成為蒸汽，蒸汽一部分與汽機側除鹽水進行換熱，提高進入除氧器的溫度；另一方面與未進入空預器的冷一次風、冷二次風進行熱交換，蒸汽放熱后液化為水，水繼續(xù)在煙道內加熱生成蒸汽，如此往復循環(huán)，達到吸收煙氣溫度，降低排煙溫度的目的。經過設置相變余熱回收系統(tǒng)，排煙溫度范圍降至110～140 ℃，吸熱效果顯著。提高一二次風進入空預器前的溫度，可以有效防止低溫腐蝕的發(fā)生，在提高鍋爐熱效率的同時，提高了空預器使用壽命，一舉兩得。

圖1 相變換熱器原理

1.5 合理配風

CFB鍋爐在運行中有明顯的密相區(qū)與稀相區(qū)，其對燃料燃燒影響顯著。密相區(qū)為大顆粒、高濃度的燃燒區(qū)，是一個儲存熱量的熱庫，燃料揮發(fā)份的析出和部分燃燒發(fā)生在該區(qū)域；爐膛上部為稀相區(qū)，其氣體含量高，固體顆粒小，大多數(shù)燃燒主要發(fā)生在此區(qū)域。因此需要合理操作保證配風良好，達到降低熱損失，提高鍋爐效率的目的。

燃料在燃燒過程中需要空氣中的氧氣進行助燃。由于燃料的不同以及負荷的變化，實際生產中的空氣量要高于理論需求的空氣量，其比值為空氣系數(shù)，通過進行配風操作可以改變空氣系數(shù)。當空氣系數(shù)增加時，會使爐膛內的氧氣含量增加，使燃燒更加充分，氣體不完全燃燒熱損失q3相對降低，固體不完全燃燒熱損失q4也隨之減少，但會使煙氣流速加快，排煙熱損失q2提高顯著，并且隨著氧含量增加，鍋爐排放物如氮氧化物、二氧化硫也會增加，進而增加了尿素與石灰石的消耗；當空氣系數(shù)進一步提高，會嚴重影響爐膛床溫，對鍋爐的平穩(wěn)運行與出力造成影響。當空氣系數(shù)減少時，會使排煙熱損失降低，但不完全燃燒熱損失顯著提高，當氧含量低于一定數(shù)值時會造成床溫超限，損傷設備，還會使一部分無法燃燒充分的燃料在尾部煙道二次燃燒，對鍋爐尾部煙道受熱面造成傷害，因此需要進行合理配風，保證各項損失之和較低。

1.6 配備高效冷渣器

CFB鍋爐在運行過程中排出的高溫床料溫度在800 ℃左右，直接進行排放不僅會使灰渣顯熱損失q6提高，還會影響環(huán)境，因此需要配備高效冷渣器對熱量進行回收。以該廠CFB鍋爐為例，每臺爐子配備甲乙側兩個冷渣器，其結構為采用風力流化輸送的風冷水冷一體化冷渣器，在內部設有冷卻水盤管吸熱，底部為定向風帽，使進入的床料在內部充分放熱，在運行中冷渣器所排出的底渣溫度通常在100 ℃以下，大幅度降低了灰渣顯熱損失，提升鍋爐效率。在運行過程中冷渣器可采用連續(xù)與間斷性運行方式，目的在于保證床壓，維持鍋爐穩(wěn)定運行。

1.7 燃料潔凈與保溫完善[3]

鍋爐所采用的燃料會直接影響鍋爐熱效率，燃料與鍋爐設計不匹配會造成燃燒惡化、流化不良、床溫較低；燃料中含有大顆粒雜質也會使冷渣器堵塞，影響鍋爐正常排渣，使鍋爐出力產生影響；燃料中的粒徑尺寸較大會導致燃燒不充分，物理不完全燃燒熱損失q4增加，大粒徑也會造成流化風阻力增加，導致配風難以實現(xiàn)均勻化，因此選用適宜燃料尤為重要。

鍋爐爐膛及管線直接暴露在環(huán)境中會造成散熱損失q5大幅度增加，并且隨著鍋爐容量的增加，散熱損失呈降低趨勢，為此需要合適的保溫耐熱材料，使表面散熱量在合理范圍內。根據(jù)公式（3）可計算所需保溫層厚度：

其中δ為保溫層厚度，m；k為保溫材料的導熱系數(shù)，W/（m·K）；tf為爐墻外壁溫度，k；t0為環(huán)境溫度，k；Q為散熱量，w；a為保溫層與外界環(huán)境之間的綜合換熱系數(shù)，計算公式見式（4）：

式中：v為環(huán)境中的風速，m/s，由公式（3）可以看出，選用導熱系數(shù)較小，厚度較大的保溫材料可以有效降低表面散熱量，進而提升鍋爐效率。

2 其它節(jié)能降耗措施[4]

2.1 設置蒸汽蓄熱器

在實際生產當中，鍋爐的主汽壓力與外界需求息息相關。以該廠CFB鍋爐為例，3臺CFB鍋爐所產生的蒸汽一部分去往汽輪機進行膨脹做功；一部分作為煉化所需供氣前往中沙石化。當外界所需負荷變動時，主汽壓力波動明顯，甚至有時會不在11.5～12.3 MPa的要求范圍之內，對安全運行造成影響；當壓力變化時僅增長鍋爐負荷，要經過燃燒、蒸發(fā)、過熱階段，行程較長，還會出現(xiàn)追著壓力走不斷增加和減少給料量的現(xiàn)象。當主汽壓力和主汽溫度同時過低時會造汽輪機末級蒸汽液化，汽輪機帶水造成損傷的事故；而主汽壓力過高時中沙石化會自動將過熱蒸汽對空排放，也是對能源的浪費，因此蒸汽蓄熱器十分必要，其原理如圖2所示。當主汽壓力過高時，產生的多余蒸汽進入蒸汽蓄熱器，蓄熱器內部為飽和水，類似于一個小汽包，蒸汽進入后與飽和水換熱，提高內部水及蒸汽的焓值，同時增加蓄熱器壓力；當主汽壓力偏低不能滿足外界需求時，由于蓄熱器內部壓力較高，會產生過熱蒸汽進入到供氣管線當中，對壓力進行補償，從而達到削峰填谷的作用。

圖2 蒸汽蓄熱器原理

2.2 降低設備耗能

對鍋爐生產中所需要的耗能設備進行嚴格管控和節(jié)能改造是降低設備耗能的重要措施。以風機為例，應合理配風，保證較低的氧量，降低風機電流從而降低風機能耗，同時應避免設備不匹配的現(xiàn)象，使風機出力滿足鍋爐生產所需，又不至于“大牛拉小車”；以給水系統(tǒng)為例，較高的給水壓力可以保證汽包水位的穩(wěn)定性，防止發(fā)生事故時水位供給不足的現(xiàn)象，但較高的給水壓力會造成給水泵耗能大幅增加，在保證安全運行的前提下適當降低給水壓力，是降低給水泵單耗的重要措施；最后要保證各設備開關的合理性，避免無效能耗。

2.3 供需對應

保證鍋爐所產生的蒸汽量與外界相對應，并且盡可能降低主汽管線到用汽設備的距離，這樣可以降低因路徑摩擦而造成的沿程損失和因為管路彎曲或者閥門過多造成的局部損失。以該廠3臺CFB鍋爐為例，其中8號爐正對8號機，而9、10號爐距離8號機有一定的距離。當8號爐啟用時，鍋爐輸出的壓力與汽輪機進汽壓力僅有0.2～0.3 MPa的損失；而當8號爐停爐期間，該蒸汽壓力損失高達0.5 MPa，其能力損失絕大部分用于路程做工和散熱。因此將供需結合且減少損失是節(jié)能降耗的方法。

2.4 鍋爐副產物利用

鍋爐運行中會產生除蒸汽外的副產物，對這些副產物加以利用是節(jié)能降耗的又一方法。二氧化硫是鍋爐運行時所產生的有害氣體，應嚴格管控。以該廠CFB鍋爐為例，需要在爐膛內投入大量的石灰石用以減少二氧化硫的生成。經過第一步脫硫的煙氣會進入布袋除塵器進行凈化，然后送入吸收塔與石灰漿反應，在完成第二步脫硫的同時產生有價值的石膏。CFB鍋爐燃燒后剩下的底渣成分包括硫酸鈣、二氧化硅等物質，灰渣是一種較好的具有活性的混合材料，可用于水泥混凝土的制備。

3 結論

該文針對影響CFB鍋爐熱效率的因素進行分析歸納，根據(jù)鍋爐正反平衡公式得出，通過控制鍋爐排污率、加強鍋爐密封、提高鍋爐清潔度、合理配風、完善保溫層、設置高效冷渣器和增加余熱回收系統(tǒng)可以提高鍋爐熱效率，降低熱損失；并且針對某廠CFB鍋爐提出了節(jié)能降耗的可行性措施，包括設置蒸汽蓄熱器避免蒸汽浪費、減少設備用電、保證供需對應以及對鍋爐的副產物加以利用，可大幅降低鍋爐耗能，從而達到低碳、低排放、高爐效的綠色發(fā)展。