文/余德祖 闵 德

锅炉给水节能装置研究

文/余德祖 闵 德

节能对高能耗锅炉尤为重要。本文主要对一种新的锅炉给水侧节能装置效果验证实验的建立，该装置的理论依据，实验室建立，实验过程和装置节能效果进行了阐述。希望该装置的开发能为提升我国锅炉节能水平出份力。

节能装置 实验室对比试验 水的汽化热测定

我国是个产煤大国，也是煤炭消费大国。2012年产原煤37亿t，占世界煤炭产量的一半，其中，21%用于工业锅炉。工业锅炉是耗能的重点设备，也是节能减排的重点对象。

全国现有各类工业锅炉约60万台，消耗原煤约7.77亿t/Y（由于煤炉所占比例较大，油、汽炉暂未列入）。煤锅炉平均运行效率约65%，若锅炉节能率提高3%，则可减少用原煤3 586.2万t/Y，可减少二氧化硫排放30.84万t/Y，减少氮氧化物30.72万t/Y。

通常，工业锅炉的节能技术基本上采用的是烟气侧的节能技术。它建立在热力学第一定理的基础上，能定量或在理论上给出该节能装置的节能效率，且还能够通过相应的热工测试来验证该节能装置的节能效果是否与原设计相一致。锅炉给水节能微观处理关键技术研究所研发的节能装置（以下简称“节能装置”）是一种全新的、唯一的在水侧具有节能效果的装置。该装置已获实用新型专利和发明专利。

目前，已有相关权威机构试验证明：该装置在同样条件下，水在汽化过程中可减少能源消耗量，提高了锅炉的运行效率，节能率达到3%以上。节能装置所产生的节能作用发生在锅筒内水—汽转换的过程中，已有实际效果的显现。

一、课题研究的理论依据

锅炉的给水与自然界的大部分水一样，其分子排列都是处于无序状态。由于水分子之间具有相互间的引力（即范德华力），水的正常沸腾汽化需要提供能量来克服这部分引力，使其从原本混乱无序状态变为顺序状态，并且拉长了水分子之间的距离，形成了蒸汽的结构形态。

从水到蒸汽，其工艺顺序表现为：原本混乱无序的原水分子（吸取外部能量）→按顺序排列的分子 →（在饱和状态进一步吸取外部能量后）被拉长距离的分子（水蒸气）。

锅炉给水流经本技术的“锅炉节能系统”与内部的“单体处理器单元”接触，受释放自由电子的作用而携带电子，水中携带的自由电子在电荷的作用下形成周围6～8个水分子与之结合的水合电子，水合电子的形成，部分破坏了原有水分子之间形成的氢键和分子间的引力，从而降低了液态水分子之间的结合力。经处理后的原水输送给锅炉，在锅炉中燃料燃烧的能量仅需进一步拉长水分子的间距即可完成汽化过程。

本研究的节能装置核心部件“单体处理器单元”具有特异性能的稀土合金，能完成上述过程。

二、实验目标及建立

1. 实验目标

“单体处理器单元”在前期实验室研究中证实经处理后的水具有水合电子。在高精度差热分析仪数据整理后，亦发现经处理过的水在汽化过程中所需的外部能量减少了7%。

本课题的目标是通过试验室建立模拟试验台（排除在用锅炉试验中影响运行效率的不可控因素），同时，模拟锅炉实际运行状态，以获取本节能装置精确的、可靠的节能率，以便了解安装了该装置后对锅炉系统的影响。如，该装置加入系统后对系统阻力的影响等等。

2. 实验研究主要步骤

作为一种有特殊功能的节能装置，我们通过试验来揭示并证实这个现象的客观存在，并让它为社会服务，为全国的节能减排出一份力。

① 建立试验室

在试验室中布置两台容量相同的电加热锅炉，进行节能率变化的试验研究，完成揭示节能现象的数据库，进而系统地分析、筛选相关数据，探索改进方法，不断完善装置的性能，为该产品定型明确路径。

设计制作汽化潜热检测装置。通过对不同压力下，使用该节能装置后水的汽化潜热变化范围进行测量，定量地给出精确可靠的节能率。

② 工业性试验

和用户结合，在各种不同燃料、不同水质和不同容量的锅炉上装上该装置，进行同期能耗对比，逐台检验本装置的节能效果。通过大量在用锅炉的统计数据对比，可以清晰地反映节能效果的真实性，为后续品质等工作打下基础。

3. 实验研究的过程

① 实验准备

试验台的设计：工业锅炉运行效率的变化，涉及到燃料品种和特性的不一致、司炉操作工技能的不一致、季节变化引起的周边温度不一致、锅炉变工况运行等等因素。若不排除这些因素，5%左右效率的提高很可能会淹没在这些因素变化当中而被忽视。

试验台设计必须考虑这些因素。因此，我们选用了美国某品牌电锅炉、标准水箱、能输出校核系统、恒温试验室等等，进行平行汽化热测定。为此研究设计并制作了水的汽化热测定仪（图1）。

图1 实验台系统图

② 试验方法

对比试验是相对比较法试验，试验在同一台锅炉上进行，具有设备性能同一性、可比性，测量装置的系统误差具有同向性，精度高，平行进行水的汽化热测定。

③ 试验过程

本底空白试验，按GB/T 10180-2003《工业锅炉热工性能试验规程》标准执行。关闭节能器进出水阀门，打开旁路阀门。使锅炉按常规锅炉房运行方式正常运行。

在试验装置进入稳定状态后，开始正式记录试验室温度、气压、湿度、压力能耗等15个数据，每5 s刷新一次。稳定状态的定义见表1。

表1 稳定状态的定义

锅炉给水流量、冷却水重量等经称重、记录，蒸汽湿度用DDS-11A型电导率仪测定并记录。

易尔思系统投运后的试验。开启易尔思系统进出水阀门，关闭旁路阀门，使锅炉系统按常规锅炉房设备+易尔思系统方式运行。易尔思系统投入试验后，每天进行正式试验2～3次，每次正式试验时间2 h。

在上述试验同时用汽化热测定仪（见图2）平行进行“处理前、后给水”水的汽化热测定。

图2 汽化热测定仪

我们设计的汽化热测定仪是采用直接测量法。它直接测量在一定压力下液体汽化时所吸收的实际热量。该方法对测量装置（绝热条件、测量仪表和时间掌控等）的要求较高，其次对数据处理的水准亦有一定要求。该装置已获实用新型专利。在试验期间，由上海市专业能源监测站随机检测二次锅炉效率。

三、实验研究成果

1. 研究结果证实

该水的微观处理技术“单体处理器单元”具有减少水在汽化过程中对外部能量的需求作用。研究证实使用该技术后，锅炉平均热效率提高6.92%，单位蒸发量电耗下降0.048 9 kWh/kg。

2. 随机抽检结果

上海市检测机构随机抽检结果：平均锅炉热效率提高9.04%，单位蒸发量电耗下降0.069 kWh/ kg，节能率8.16%。微观处理技术的装置加入系统后，对原系统的阻力增加小于0.05 Mpa，这个量级的增加对锅炉给水系统的系统阻力可以忽略不计。

上述试验数据均已达到并超过了任务书的技术指标考核要求，在此研究基础上已将成果转化为“ES“系列产品“水汽相变节能装置”。

四、主要问题和设想

实验室筹建初期设想是由二套独立的锅炉系统组成，一套不安装易尔思系统运行，另一套安装易尔思系统运行，分别采集数据进行比对。但是，由于同一厂商、同一型号的锅炉、计量器具等的实际误差均不可能完全一致。同时，相关专家也建议为保证试验精度，应在同一系统上作对比试验更为科学（系统设有旁路，可以根据试验需要投入或切换易尔思系统）。实际试验在同一系统中进行。试验期间，实验室大气压相对稳定，室温恒定，试验环境是稳定的。试验采用电锅炉，稳定性好，最大程度地排除了环境和能源波动对试验的干扰，保证了锅炉运行数据采集的一致性。

本次试验构建的运行系统按照常规工业锅炉锅炉房实际运行状态来配置，试验过程按照GB/T 10180-2003标准执行，数据计算方法按照锅炉正平衡效率计算，数据采集采用电脑自动记录，排除了人为记录误差，数据具有可靠性。

此试验确认了锅炉微观处理节能技术“单体处理器单元”的有效性、可靠性和稳定性，推测了其作用原理。但其确切的机理和理论基础，建议有关部门立项，进行深入和扩大研究。

Energy saving is particularly important for high energy boiler. This paper focuses on the establishment of the experiment which is able to verify the effectiveness of a new energysaving device at boiler water feeding side. The paper describes the theory of the new device, the establishment of the laboratory, the analysis of the experimental process, and conclusions of the device. Through this new device, the paper intends to make contribution to upgrade the development level of domestic energy-saving boiler.

Energy saving devices; Laboratory experiment; The determination of heat of vaporization of water

（作者单位：上海易尔思节能系统有限公司）