＊钟钊奇 陈洪杰

（1.广西特种设备检验研究院贵港分院 广西 537100 2.桂林航天工业学院能源与建筑环境学院 广西 541004）

引言

在中国，现役工业锅炉约有60万台，其中80%的是燃煤锅炉[1]。工业锅炉每年耗煤量高达7亿吨，占比总煤炭消耗量的30%[2]，产生巨大的碳排放量。根据官方数据统计，工业锅炉能源使用效率只有65%，每年导致煤炭浪费6千万吨[3]。随着“碳中和碳达峰”目标的提出，国家对工业锅炉的能效要求必然越来越高，能耗企业要想长远发展，从现在开始就必须致力于锅炉节能。基于笔者长期的工业锅炉能效测试工作，对广西贵港现役800多台工业锅炉典型问题进行了归纳，对解决问题的对策进行了分析，以为工业锅炉从业者提供参考。

1.工业锅炉能效测试存在的典型问题

(1)锅炉热效率低

当前工业锅炉能效测试中发现的主要问题为运行热效率低，相关因素主要包括以下几点：

①锅炉运行负荷不匹配。一种情况是锅炉超负荷运行，如在工业规模不断增大或供热需求不断增加的趋势下，锅炉必须超负荷运行才能达到工业生产及人们生活的需求，而这样的超负荷运行尽管能暂时解决需求问题，却会导致整体经济成本大幅度增加，同时影响锅炉的使用寿命。另一情况为低负荷运转，通常情况下很多工业锅炉运行的高效率区落在80%～100%负荷范围内，但实际监测中发现很多锅炉运行负荷长期无法达到60%（往往都是企业在选取锅炉时认为应当预留较多的容量以满足后续发展）。

②空气系数指标不合格。在工业锅炉经济运行的相关指标中，空气系数极其重要，会对锅炉热效率产生直接影响。空气系数过大会导致烟气带走大量的热量，空气系数过小会导致燃料不能充分燃烧。当然在锅炉出厂设计中，厂家往往对锅炉空气系数提出了科学的参考值，目前调研中发现现役锅炉空气系数不当的主要因素包括炉排配风室密闭性不足、鼓引风机组织不合理、司炉工风量调节不合理等等。

③燃料燃烧不充分。除了上述的空气系数不足原因外，导致燃料燃烧不充分的因素还有锅炉结构设计与燃料的选择不合理、颗粒度不均匀、燃烧装置不匹配等；另外，炉渣含碳量规定不满足要求也会影响效率，比如一些企业设定链条锅炉灰渣残余的热值在1100～1200kcal范围，而有严格管理的企业通常将该值定在900kcal。

④排烟温度高。为避免锅炉尾部受热面腐蚀，过分提高排烟温度，导致燃烧转换热能无法得到充分应用，导致热损失大、能耗高[4]。

⑤煤种选用不当。工业常用烟煤包括焦烟、瘦烟、贫煤、肥煤、气煤、长焰煤、弱粘结煤、不粘结煤等。而企业使用燃料是以煤的热值和价格的比值为指标进行选用，而忽略了锅炉效率与燃料种类的关系。实际上，即便是根据热值与价格分析得到的燃煤性价比很高，若所选燃煤不适于现有锅炉，也往往是得不偿失。

⑥供汽和用汽压力不匹配。工业用蒸汽锅炉往往有其额定压力，但企业在生产过程中所涉及的不同工艺会需要不同的供汽压力。目前常用的做法是保证锅炉额定供汽压力满足最高压力供汽需要，其他部分工艺用汽则利用减压阀将蒸汽减压后满足。减压阀是典型的热力学不可逆设备，减压阀的使用必然导致锅炉的供热能效降低。

(2)水质不达标

工业锅炉水质对锅炉的效率有重要影响，水质不满足要求最直接的后果是导致锅炉受热面结垢，根据传热系数计算式可直观发现，少量的污垢热阻会使得总传热系数降低50%。2018年我国颁布了新的工业锅炉水质标准（GB/T 1576-2018）[5]，标准中对锅炉给水的浊度、硬度、pH值、电导率、溶氧量、油、铁含量、全碱度、酚酞碱度、溶解固形物、磷酸根、亚硫酸根等含量都有明确要求。然而当前调研中发现，大部分企业对此不甚关注，对水质要求的认识仅仅停留在为应付特种设备检验部门检查，而还没有建立自主的节能提效意识。

(3)工业锅炉运维智力支持匮乏

随着社会进步，当代年轻人择业时更偏向高科技行业，导致很多中小企业反映难以招到受过良好工程教育的锅炉运行维护人员。调研发现，特别是在落后地区，中小企业负责锅炉运行维护的工作人员很多都没有经过系统性培训，不能全面掌握专业知识，只是通过简单培训获得上岗资格，缺乏节能环保意识和应用先进节能技术的能力，这会导致工业锅炉的运行能效得不到持续提升[6]。

2.工业锅炉提效对策

(1)正确选用锅炉并明确标识高效工况

企业工程师在选用锅炉时应当严格依据热负荷选用锅炉，而不是过分地强调余量。若后续随着企业发展出现锅炉供热能力不足，不应让锅炉超负荷运行，而应当采用增多锅炉的办法满足生产要求。在运行的过程中，锅炉的控制组态系统中应当明确标识锅炉的高效工作区域，以便让运维人员在运行过程中尽量控制锅炉在高效率负荷下运行。

(2)合理控制燃烧空气量

对于燃煤锅炉，空气系数有明确的推荐值。但在实际运行过程中，空气的流量很难得到准确测量。实际上，采用固定空气系数的方法也并不可取，原因是每一批次的燃煤成分都可能发生改变。然而，空气系数低导致的最直接后果是尾气中的CO含量增加，可以通过在锅炉排烟处安装CO传感器测量排烟中CO的含量，通过PID算法，控制CO的含量在0.002%～0.004%质量浓度之间[7]，从而在实现燃料充分燃烧的同时又不至于空气量过多。

(3)促进燃料充分燃烧

材料的不充分燃烧通常要求控制在8%～12%范围。含屑量多，有助于减少飞灰积存量，促进充分燃烧和通风；水分含量高，着火更慢，炉膛中的温度就难以保持，容易降低热效率。其次，选择煤种后要利用煤斗筛选颗粒，确保煤块颗粒度，促进燃烧的稳定性，提高燃烧的效率。再者要解决配风问题，保证空气充分合理，提高锅炉使用安全度，提高经济性价值。还应根据炉膛空气气流的规律，对气流进行合理组织。比如链条炉炉排气体成分差异非常大，要加强对中间层空气的补充，进行二次配风，确保空气充分结合，最大程度进行燃烧，提高效率。最后，是燃烧的调节与控制，主要通过改变煤层厚度来实现，对送风量和炉排速度进行控制，结合燃烧的持续度与持续时间，合理组织调度[8]。对于飞灰损失，考虑采用飞灰再循环的方式，也就是通过鼓风机将锅炉飞灰连通烟气再送气炉膛，进行循环燃烧，这样也可以增加炉膛内的气体流量，促进燃料的进一步分散燃烧。

(4)降低工业锅炉排烟温度

从工业锅炉排烟热损引发的机理来看，其对应的节能潜力主要包括以下几点：

①减少受热面灰渣。针对水冷壁、过热器高温受热面结渣的情况和低温尾部受热面积灰的问题，要做好定期吹灰工作，配合热蒸汽、压缩空气、惰性气体技术进行操作，预防由于受热面灰渣堆积导致松散性变为紧密性积灰。此外还可以使用清灰剂，发挥除灰除渣以及防腐的功效，在锅炉燃烧时投入一定比例锅炉清灰剂，使其在炉膛高温情况下汽化分解，不但能发生微爆反应将结渣加以分解，还能避免烟垢生成。要注意灰渣受锅炉负荷运行和启动次数的影响，减少启动次数，确保其在正常负荷运行内，预防炉内燃烧不足产生灰渣的问题，提高运行的热效率。

②采用脱硫及余热回收耦合式工艺。不同燃烧物质与排烟处的温度会影响排烟口金属的性能，如排烟处温度较低时，锅炉尾部受热面会存在酸腐蚀的情况，要提高锅炉效率要求降低排烟温度，但要保证尾部受热面又需提高排烟温度。实际过程中，在锅炉尾部受热面材料确定后，排烟温度的确定受到排烟中的水蒸气含量、硫含量等制约，而实际上排烟温度与水蒸气含量、硫含量的关系已经存在明确的函数关系，因此可以通过在锅炉尾部受热面安装二氧化硫传感器和温湿度传感器，通过采集的数值实时计算可接受的最低排烟温度，从而实现实际过程的排烟温度尽量降低。

(5)避免漏风

锅炉漏风会导致系统状态参数偏离实际值[9]，因此需尽可能地防止漏风。避免漏风的关键是发现漏风，可以采用烟饼辅助检测或者采用热成像检测。烟饼辅助检测比较直观，也就是在有可能会漏风的地方放少量烟饼，然后观察烟的流向，则可判断是否漏风。若采用热成像检测，则依据热成像对锅炉系统可能漏风处逐步扫描，在温度处漏风与旁边的温度会有明显的区别。在条件允许的情况下，建议用手持热成像方式，这样更方便运维人员日常巡检，及时发现漏风问题并补漏。

(6)实现压力匹配

在企业的生产流程中，锅炉产汽和各工段用汽压力不匹配是正常存在的，但不应采用减压阀直接对供汽压力进行损耗降压，可以利用压力匹配器。压力匹配器的使用可在实现高压蒸气降压的同时，将回收的机械能用于为一股低压蒸气升压，从而实现了对阀蒸汽的回收，获得更多可用汽量，达到了提高能效的目的。压力匹配器具体的结构原理如图1所示[10]。

图1 压力匹配器结构原理图

(7)提高锅炉给水品质

一方面工作人员要定期对受热面积进行清理，提高传热能力，另一方面还要对水垢进行清理，提高安全性。此外，还需考虑到给水氯根高对锅炉节能影响的问题，降低给水氯根含量，改造水处理系统，增加除盐的设备环节，尽可能从源头上解决问题。实际生产过程，可以考虑采用在线锅炉给水检测装置，在线锅炉给水检测装置可实时测出各项指标参数并报警，方便运行人员及时整改水质问题。

(8)完善锅炉运行管理机制及进行运维技术改革

从目前情况来说，短时间很难能使得大量高素质的工程师进入到锅炉运行维护行业，但是企业也应该从管理机制及运维技术上改革，从而激发过程工业不断进行能效提升的活力。在运行管理机制完善上，首先，企业应该做好节能效益核算，把节能效益部分用于运维人员奖励，激发运维人员发掘问题、解决问题的积极性；其次，应当定时选派锅炉运维人员到大型先进燃煤电站交流、到高校进行学习、参加行业有重要影响力的论坛，保证骨干运维工程师的培养；最后，还应不时请大型先进燃煤电站的运维工程师、研究及设计机构专家到现场进行诊断，不断优化锅炉系统。在运行技术改革上，有条件的企业可以采用数字孪生技术，提高锅炉整体的数字化建设，方便专业的团队远程协助本地运维人员，共同对锅炉进行运行及技术提升；条件不成熟企业可采用网上问诊的方式，由本地运维人员对接行业专家，不断对锅炉运行中出现的问题进行整改，逐步提高锅炉效率。

3.案例分析

广西贵港市目前有800多台工业锅炉，绝大部分工业锅炉存在的能效问题均可由上述进行概括，以下对几个典型的案例进行分析。

案例1：对桂平市某餐具消毒用蒸汽锅炉进行分析，该台锅炉为组装水管蒸汽锅炉，额定出力为10000kg/h，额定压力1.25MPa。改造前发现存在炉膛漏风现象严重，散热损失为高达8.48%。经过对漏风位置进行密封后，再次对锅炉进行能效检测，检测过程锅炉的平均出力为5021kg/h，锅炉平均排烟温度为169.20℃，排烟处平均过量空气系数为1.65；测得排烟热损失为9.54%，化学未完全燃烧热损失为1%，固体未完全燃烧热损失为0.59%，散热损失为3.39%，灰渣物理热损失为0.11%，锅炉测试平均热效率为85.37%。散热损失的降低使得锅炉效率直接提高了5.09%。

案例2：对贵港市某饲料生产用蒸汽锅炉进行分析，该台锅炉为组装水管蒸汽锅炉，额定出力为15000kg/h，额定压力1.25MPa。改造前发现排烟温度超过了200℃，排烟热损失超过了20%；同时燃料粉碎不均匀，固体未完全燃烧热损失达到了2.35%。通过对烟气成分进行测量后，建议其调整锅炉运行时的鼓、引风量到合适配比，加强锅炉受热面积灰清理，将炉排上燃料层厚度调整至适宜的厚度。改造后再次对锅炉进行能效检测，检测过程锅炉的平均出力为9843kg/h，锅炉平均排烟温度为164.45℃，排烟处平均过量空气系数为1.65；测得排烟热损失为9.36%，化学未完全燃烧热损失为0.5%，固体未完全燃烧热损失为0.18%，散热损失为2.29%，灰渣物理热损失为0.048%，锅炉测试平均热效率为87.62%。散热损失和固体未完全燃烧热损失的降低使得锅炉效率直接了提高了15%。

案例3：对桂平市某食品生产用蒸汽锅炉进行分析，该台锅炉为组装水管链条炉排锅炉，额定出力为10000kg/h，额定压力1.6MPa。改造前排烟处平均过量空气系数为4.6，排烟热损失达到了21%；同时锅炉给水浊度不达标。通过对烟气成分进行测量后，建议其调整锅炉运行时的鼓、引风量到合适配比，加强锅炉给水进行处理。经过改造后，再次对锅炉进行能效检测，检测过程锅炉的平均出力为3230kg/h，锅炉平均排烟温度为144.13℃，排烟处平均过量空气系数为3.85；测得排烟热损失为15.13%，化学未完全燃烧热损失为1%，固体未完全燃烧热损失为0.53%，散热损失为2.9%，灰渣物理热损失为0.0074%，锅炉测试平均热效率为80.37%。受到其现有风机流量的制约，其空气系数依旧过大，有待进一步改造，但初次整改还是带来了6%的锅炉效率提升。

可见，对典型问题的合理解决，可使得工业锅炉得到显著的效率提升。

4.结论

综上所述，我国工业锅炉在节能改造上还有很大的提升空间。目前工业锅炉在能效测试中存在的典型问题包括锅炉热效率低、水质不达标、锅炉运维智力支持匮乏等。在工程实践中，可通过合理选用锅炉并标识高效区、合理控制燃烧过程空气量、降低工业锅炉排烟温度、促进燃料充分燃烧、降低工业锅炉排烟温度、避免漏风、实现压力匹配、提高锅炉给水品质、完善锅炉运行管理机制及进行技术改革等多方面提高锅炉能效。工业锅炉能效测试工作案例数据也表明，通过对这些典型问题进行整改，甚至可以达到15%以上的效率提升，产生显著的经济性。