链条炉低负荷运行热效率的研究

摘 要：分析在低负荷运行条件下链条炉排燃煤工业锅炉热损失的影响因素，提出了提高热效率的途径。采用功能型辐射式炉拱、合理调节一次风量、合理配备二次风、改善炉膛及烟道密封，从而提高锅炉的热效率。

关键词：低负荷 链条炉排 热效率

中图分类号：Tk229.6文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）06（a）-0022-02

JI Dongsheng ZHANG Xu

（Tianjin Special Equipment Inspection Institute，Tianjin 300192）

Abstract：This paper focuses on factors that affect the thermal efficiency of the industrial chain-grate boiler in the low load operating conditions.Different methods are proposed to increase thermal efficiency，including implying functional radiation furnace，adjusting the primary air flow appropriately，equipping the second air flow reasonable and improving the sealing of furnace arch and flue.

Key words：low load chain-grate boiler thermal efficiency

由于某些用户购买锅炉时的盲目性，或对未来可能的热量需求的考虑，我国工业锅炉运行中普遍存在低负荷运行，这不仅不利于保证蒸汽品质，还往往导致炉膛温度降低，对燃料的燃烬不利，导致机械未完全燃烧损失的增加，造成锅炉热效率低下，不利于节约能源。此外，低负荷运行时送、引风机挡板均要关小，造成节流损失，消耗能源。给水泵也存在负荷不足的现象，这样就增加了损失，由于辅机损失增大，从而使锅炉机组净效率下降。但正鉴于此，链条炉的节能潜力相当可观的。[1-3]

我国目前尚没有针对低负荷运行条件下改善链条炉排燃煤工业锅炉热效率的研究。因此，在对燃煤工业锅炉普遍存在的低负荷运行状况进行综合分析研究的基础上进行节能方法优化体系研究，整合现有技术，提出技术上可行、经济上合理的整体节能对策，有助于提高我市工业锅炉热效率，从而降低能耗需求，实现节能减排。

1 低负荷运行热损失分析

低负荷运行致使一些锅炉运行参数难以控制在合理范围内，如炉膛温度、给风量、漏风系数等。容易造成漏风量增大，火床和炉膛温度偏低，燃烧速度明显减慢，燃煤量减少，炉内温度降低，使燃烧工况变坏，煤中的固定碳燃烧变得更加困难，炉渣含碳量增加，这样就使得不完全燃烧热损失增大，运行效率下降。

1.1 过高的过量空气系数

低负荷运行条件下，排烟温度往往已经偏低，理论上不是造成排烟热损失q2以及锅炉热效率降低的主要原因，为了保证锅炉尾部受热面安全运行，也不宜一味降低锅炉排烟温度。相对于额定负荷运行，低负荷运行往往会造成较高的过量空气系数，这就是为什么低负荷运行锅炉排烟温度较低的同时，q2热损失仍然占据很高比例的原因。

一般来说锅炉在最高额定负荷下为最佳工况，效率也最高。这时空气量最大，压力最高，穿透性和扰动最好，因此燃烧也最好，浪费的空气较少。低负荷运行时由于燃烧需要的空气量减少，空气入炉的速度不足，为了达到相同的炉膛深度或扰动程度，只能人为加大给风量，增大过量空气系数。这就指出了锅炉低负荷运行时，往往造成过量空气系数显著增大的原因。

一般来说，空气系数每增加0.15%，排烟热损失增加1%。

表1是我们进行测试的两台同一生产厂家，使用状况相同，结构型式完全一样的低负荷运行链条炉的现场测试试验。试验结果表明，2#炉的排烟温度虽然高于1#炉，但由于其排烟处过量空气系数较低，其q2损失仍然低于1#炉。如果将《锅炉节能技术监督管理规程》中规定的排烟温度和过量空气系数上限带入到1#炉热效率计算软件中，其在相同排烟温度下，q2损失一项就比1#炉减少了20%。可见，过量空气系数对q2的显著影响。[4-6]

1.2 炉膛内煤较低的燃烧效率

此外，炉膛漏风造成的排烟损失大于烟道漏风引起的排烟损失；烟道漏风位置越靠近排烟处，排烟温度降低的程度越大，由此引起的排烟损失相对越小，反之亦然。这是因为漏风位置越靠近排烟处，漏风对受热面的换热效果的影响就越小，，而直接降低烟气温度的作用就越大，从而使排烟温度降低程度越大。在漏风量相同的前提条件下，漏风从锅炉烟道带走的热量就越小，因此，排烟损失的增加值就越小。总之，炉膛出口过量空气系数的增大以及沿烟气行程各烟道的漏风，都会增大排烟处的过量空气系数，即增大排烟量，因而也增大排烟热损失，漏风不仅增加了排烟容积，而且炉膛的漏风还会使炉膛温度降低，对燃烧不利，此外炉膛温度的降低使得炉膛辐射换热降低，使得排烟温度升高，增加排烟损失。

从表2可以看出，低负荷条件下燃烧效率要落后额定负荷约2个百分点。这主要是炉膛温度较低，不利于煤的燃烬。传热效率1#炉落后2#炉约7%，这主要是由于2#炉排烟温度高增加了传热的温压，1#炉过量空气系数大，排烟温度相对较低；其次还有可能是两者水侧导热系数不同造成的换热系数差异。此外，通过与表2对比可以发现，1#炉传热系数的降低与锅炉过量空气系数过高，造成排烟、化学不完全燃烧q3、固体不完全燃烧热损失q4增大有关。其次，低负荷下锅炉压力降低使汽水混合物的饱和温度降低，导致燃料消耗量的减少，过量空气系数增大，最终使炉膛温度降低，炉膛温度降低对燃料的燃烬不利。炉膛温度降低，辐射换热系数下降，造成锅炉整体传热系数的降低，也造成锅炉热效率降低。

因此，低负荷下较高的过量空气系数和炉膛水冷度，影响了炉内煤的点燃和燃烧，并最终影响了煤的燃烧效率。造成炉内工质温度较低，这不利于煤的点燃和稳定燃烧。

2 提高热效率途径

2.1 改善煤燃烧效率途径

炉内燃烧工况主要受炉拱、风量调节、煤层状况、炉膛温度、二次风及炉膛空气过量系数等因素影响。工业锅炉炉拱对于组织燃料燃烧，提高燃烧效率至关重要。其作用方法主要有两个方面：一是强化炉内传热，包括固体辐射、对流和保温三个方面，二是能够加强炉膛内气流的混合，作用方式有导流、分隔、阻挡和组织喷射、旋转及对冲等特殊流动形式。炉拱作用的侧重点依据种类及特性的不同而有所差异。当燃用低挥发分燃料时以促进煤层着火为主，燃用高挥发分时以加强炉内气流混合为主。但我国工业锅炉使用的煤种往往经常变化，加上链条炉排“单面着火”这一不利的燃烧特点，在运行中，炉拱对煤层无法及时点燃并使其稳定的着火，所以直接影响下一步煤的充分燃尽。

改善炉内燃烧状况，提高炉内燃烧效率，降低不完全燃烧热损失q3、q4，可以从燃料充分燃力炉拱配合蒸气二次风助燃的建议。采用高蓄热能力辐射炉拱主要是低负荷炉膛温度无法大幅度提高条件下，改善煤的点燃和稳定燃烧来提高燃烧效率，采用蒸汽二次风主要是在减少过量空气系数条件下，提高炉内流场湍流度，增加燃料与空气混合度，进而增加烟气行程，延长炉内停留时间。炉膛内前、后炉拱的作用不尽相同。前拱偏重于引燃新煤，后拱测重于强化主燃区和烤渣燃尽。提高炉拱温度能够加强对煤的点燃作用，提高燃烧区煤层温度，进一步改善煤的燃烧。因此，提高炉内燃烧效率就要从合理送风、控制炉膛过量空气系数、维持炉膛高温三方面入手。[7-8]

针对低负荷条件下炉膛温度和过量空气系数过高的特点，提出采用高蓄热能力炉拱配合蒸气二次风助燃的建议。采用高蓄热能力辐射炉拱主要是低负荷炉膛温度无法大幅度提高条件下，改善煤的点燃和稳定燃烧来提高燃烧效率，采用蒸汽二次风主要是在减少过量空气系数条件下，提高炉内流场湍流度，增加燃料与空气混合度，进而增加烟气行程，延长炉内停留时间。炉膛内前、后炉拱的作用不尽相同。前拱偏重于引燃新煤，后拱测重于强化主燃区和烤渣燃尽。提高炉拱温度能够加强对煤的点燃作用，提高燃烧区煤层温度，进一步改善煤的燃烧

2.2 控制过量空气系数的途径

空气系数值a对于锅炉效率意义重大。其值过大造成热效率急剧下降，但其值过小又会造成不完全燃烧损失的上升，污染排放升高，对经济运行和环境保护都是不利的。有研究分析表明，a对主要影响锅炉效率的q2与q4两项之和呈现出随着过量空气系数增大，两项热损失之和先减小再增大的特点。一般来说，热效率最佳值为a=1.5左右，并且随着锅炉负荷的降低，最佳过量空气系数有增大趋势，如最佳a的经验公式为ak=a’+（0.7+D/Ded）。

实际上，低负荷运行锅炉的过量空气系数要远远超过上述值。过高的过量空气系数主要来自于锅炉风机本身的高风量以及锅炉炉膛和烟道的漏风。目前，中小型工业锅炉炉膛和各处烟道漏风现象很普遍，这不仅使炉膛炉膛温度降低，对燃烧不利，同时排烟量增加，排烟热损失增大，使引风机的负荷增加。因此，—旦发现炉膛和烟道漏风，必须尽快堵漏，从而控制排烟处的过量空气系数，以降低排烟热损失。

锅炉风机的参数是以满足锅炉满负荷运行条件下所需风量进行配置的，对于低负荷运行时，该风量是偏大的。以所测试的三台4t/h锅炉为例，过量空气系数分别达到了3.89、5.62和3.61。目前，大部分锅炉所采用的风机不具备变频调速功能，风量的调节只能通过司炉工经验，人为改变进风挡板的位置来调节，如测试热水锅炉时的挡板打开度为1/2～2/3之间。

挡板调节风量实际上是通过人为增加阻力的方式，并以浪费电能和金钱为代价来满足工艺和工况对气体流量调节的要求。这种落后的调节方式，不仅浪费了宝贵的能源，而且调节精度差。变频器技术可以很好的解决鼓引风机低负荷运行，造成电机实际效率低下的问题。采用变频器对风机进行控制，属于减少空气动力的节电方法，它和一般常用的调节风门控制风量的方法比较， 具有高控制精度和明显的节电效果。

与锅炉控制系统相结合，风机变频器的使用还有利于综合控制炉膛压力，防止正压或负压过大运行，合理调节锅炉通风状况。炉膛正压通风过大，实际上就要增加给煤量和厚度，加大鼓风，超负荷燃烧，使得燃煤还未燃尽就排出炉外，造成q4损失增大。同时锅炉炉墙、炉门、看火孔、拨火孔、检修孔和排渣口等处密封条件有限，从该处漏火，因此，这类散热损失q5约占50%左右。反之，炉膛通风负压过大，其一是引风机电耗大大增加，其二是漏风增加，炉膛过量空气系数增大，炉膛火焰平均温度降低，燃料着火时间推迟，热效率降低，燃料的固体

未完全燃烧热损失q增加，一般应为5%～15%左右，排烟热损失一般为8%～20%左右也随着大大增加，因此锅炉热经济性降低，不利于节能。

3 结语

（1）采用功能型辐射式炉拱。通过提高炉拱温度，提高对煤层的辐射强度来改善煤层的点燃以及稳定燃烧，同时增加了煤种的适应性。

（2）合理配备蒸汽二次风。通过一、二次风的合理配合，减少入炉空气量的同时，提高炉内湍流度；借助蒸汽与未燃尽碳颗粒的还原反应，减少未燃尽损失；蒸汽与二氧化碳相混合，提高烟气辐射黑度，有利于煤的点燃和提高传热系数。

（3）合理调节一次风量。风机变频器能够提高风量调节的准确度，改善挡板调节的滞后性和模糊性，同时降低了风机电耗。

（4）改善炉膛及烟道密封，及时封堵漏风点。改善炉膛及烟道漏风有利于控制过量空气系数，降低q2损失。[9-10]

参考文献

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