特种设备中锅炉的节能实现及安全性分析

论特种设备中锅炉的节能

郑朋刚　王富岐

陕西省锅炉压力容器检验所

1　前　言

我国人口众多，能源相对不足，煤炭作为消费的主要能源形式，可开采总量为1 145亿吨，人均85吨，只达到世界平均水平的61％（世界煤炭可开采储量前十位国家见表1）。由于我国正处在工业化和城镇化加快发展阶段，每年煤炭消耗20多亿吨，占世界消耗量的38％，并且近几年每年以10％的速度递增，我国已成为世界最大的煤炭消费国。特别是高投入、高消耗、高污染的粗放型经济增长方式，加剧了能源消耗，使能源供需矛盾日趋严重，面临严重的煤炭资源枯竭（2006年世界煤炭消费量前十位的国家见表2），照此下去我国煤炭只能用48年，并且过度的使用煤炭资源造成的二氧化碳温室气体使全球变暖，地球不堪负重。为此，我国1997年12月签定了“京都议定书”向世界承诺，在“十一五”期间，中国主要污染物排放量将减少10％，到2010年SO₂排放量由2005年的2 549万吨减少到2295万吨，化学需氧量（COD）由1 414万吨减少到1 273万吨，全国设市的城市污水处理率不低于70％，工业固体废物综合利用率达60％以上。我国从此步入了拯救地球村的行动，走向科学发展之路。

2　锅炉节能的意义和前景

2.1　高能耗的危害

2007年我国特种设备耗煤15亿吨，占全国煤炭消耗量的60％。而锅炉是特种设备中耗煤最大的设备，每年消耗15亿吨煤产生CO₂30亿吨，SO₂1.284亿吨，飞灰2.87亿吨。

2.1.1　大量CO₂产生的温室效应

所谓温室效应是指太阳的能量以短波的形式辐射到地球上，但地表对外放出热量是以长波辐射到大气中去，大气中的二氧化碳、氯氟烃、甲烷、低空臭氧和氮氧化物气体，阻止其向外太空辐射，这就使地表和低层大气温度升高，俗称全球变暖。全球变暖带来的后果，一是地球上的病虫害和传染病增多，如南北极融化后冻在冰川中的病菌复活；二是海平面上升，近30年来海平面上升90mm，海表温度上升0.9℃（见2008年10月29日国务院新闻办公室白皮书——“中国应对气候变化的政策与行动”）。科学家预测到本世纪末全球温度上升2～4℃，南北极冰川将大幅度融化，导致海平面上升60～70cm，一些岛屿国家和沿海城市将被淹没，其中包括平均海拔高度只有2.4m的马尔代夫和几个著名的国际大城市，如纽约、上海、东京、悉尼等。

表1　世界煤炭可开采储量前十位国家

表2　2006年煤炭消费量世界排名前十位国家

2.1.2　大量SO₂和飞灰污染环境

煤燃烧产生的大量SO₂气体，不仅影响人的健康，同时会形成酸雨，造成气候反常，影响植物生长。煤燃烧后产生的大量飞灰，不仅影响人身的健康，还影响农作物产品的质量。

2.2　锅炉节能前景

美国万元生产总值能耗为0.33吨标准煤，日本是0.14吨标准煤，而中国是1.22吨标准煤。中国的能源使用效率仅为美国的26％，日本的11.5％。我国火电机组标准煤耗366 g/kWh，较国际先进水平高60g，日本是299g，韩国300g，意大利303g。我国能效如果和日本一样，一年就可节约原煤2.5亿吨，相当于27个黄陵矿区产能（黄陵矿区年产900万吨），是陕西省2007年产能的1.45倍（陕西产能1.72亿吨/年）。由此看来，锅炉节能潜力很大，前景很好。

3　特种设备节能管理

3.1　立法

我国节能工作过去由经委管理，现在由发改委管理，但都是宏观管理，收效甚微。最近国务院把特种设备节能工作交由质检部门管理，使这项工作进入微观管理阶段。在全国特种设备节能工作没有立法之前，我省要开展此项工作，必须立法，至少也必须出台行政规章，明确管理部门及其职能和违规惩处。管理部门职能应该是：①根据国家能源政策制定全省特种设备节能规划和标准；②推广节能产品和节能新技术；③对特种设备节能实行监管，必要时对高耗能设备发出监察指令书，停止运行；④对特种设备使用能效进行奖惩。

3.2　建立机构充实人员

（1）设立特种设备节能管理部门，定编定员。该机构可与特种设备安全监察机构合署办公。

（2）建立独立的特种设备节能研究测试机构，以研究节能新技术为主。其职能是：①组织社会力量研究开发特种设备节能产品；②研究在用特种设备节能改造新技术；③研究快速能效测试方法；④指导能效测试工作；⑤灰渣残碳分析。特种设备能效测试可交地方去做。

4　锅炉能效测试

锅炉的能效是用热效率反映的。热效率越高，能效越高；反之，热效率越低，能效越低。

4.1　锅炉热效率

锅炉热效率测试有两种方法，一种是正平衡法，另一种是反平衡法。电站锅炉一般用正平衡法测试，工业锅炉一般用反平衡法测试。锅炉能量平衡如图1所示。

4.1.1　正平衡法热效率

正平衡法热效率是指单位时间内锅炉总有效吸热量占进入锅炉煤应该燃烧放出来热量的百分数。即：式中：η_正为锅炉正平衡热效率，％；Q为锅炉总有效吸热量，Kj/h；D_gq为过热蒸汽流量，kg/h；I″_qq为过热蒸汽出口焓，Kj/kg；i_gs为给水焓，kj/kg；D_zq为再热蒸汽流量，kg/h；I″_zq为再热蒸汽出口焓，Kj/kg；I′_zq为再热蒸汽入口焓，Kj/kg；D_bq为饱和蒸汽抽出量，kg/h；I_bq为饱和蒸汽焓，kj/kg；D_PS为排污水流量，kg/h；i_ps为排污水焓，kj/kg；B为锅炉燃料消耗量，kg/h；Q_r为燃料低位热值，kj/kg。

图1　锅炉热平衡示意图

4.1.2　反平衡法热效率

反平衡法热效率是指从100中减去各项热损失所得的差。锅炉的热损失有排烟热损失q₂，化学不完全燃烧热损失q₃，机械不完全燃烧损失q₄，散热损失q₅，灰渣物理热损失q₆五部分。即：(www.xing528.com)

式中：q₂为热烟排损失，％；q₃为化学不完全燃烧损失，％；q₄为机械不完全燃烧热损失，％；q₅为散热损失，％；q₆为炉渣物理热损失，％。

通过反平衡热效率测试，可以看出各项热损失大小，从而找出降低热损失、提高锅炉效能的途径（工业锅炉和电站锅炉各项热损失百分数见表3）。

表3　锅炉各项热损失

4.2　锅炉热效率快速测试方法

一台锅炉热效率测试一般需要一个星期时间，耗时长，工作效率低，成本高，于是我们需要一种低成本的快速测试方法用以指导节能。根据锅炉正平衡热效率计算公式，对于电站锅炉开发一种软件，把公式中的各项参数作为输入量，通过微机计算可及时显示锅炉热效率。对于工业锅炉排烟热损失最大，可以通过测定排烟温度，达到快速确定热效率的目的。

5　锅炉的节能途径

5.1　锅炉设计采用新技术、新材料、新工艺

一个工业产品是否节约能源、环保，主要决定于先天性的设计，设计水平的高低决定于科学技术的发展。组织社会力量对锅炉产品的相关技术进行科研攻关，设计时采用新技术、新材料、新工艺，使其在节能、环保方面迈进一大步。

5.2　推行集中供热，发展热电联产

采用集中供热和热电联产节约能源的原因有两点：一是大锅炉热效率比小锅炉高20多个百分点；二是锅炉经常在经济负荷下运行。热电联产，不但发电投资少，而且无论供热或发电锅炉始终在经济负荷下运行。

5.3　对操作人员进行培训，提高运行水平

锅炉热损失的大小除了设备本身因素外，还与操作者的水平有关，如过剩空气的多少，火焰中心的高低，受热面积灰多少等。所以，有必要加强对操作人员进行培训，努力提高运行水平。

5.4　设置冷凝水回收装置

工业锅炉回收冷凝水，可以降低煤耗，减少软化水和水处理费用。一般采用密闭系统来回收接近工作压力下的饱和水的冷凝水，这就有效地利用了蒸汽的热量，使锅炉燃料消耗量大大降低，此方法节能效果可达25％以上。

5.5　采用真空除氧

现在大多数电厂的除氧器是将水加热到150℃左右后除去水中的氧气，这叫热力除氧。热力除氧需要大量的蒸汽加热，消耗能量相当大。利用真空除氧就可节约能源。所谓真空除氧就是利用真空泵使除氧器内的真空度维持在60mmHg柱（1mmHg＝133Pa），水温达到60℃时即可达到除氧的目的，减少了加热水所用的热量，从而大大降低了能耗，真空除氧可比热力除氧节能50％以上。

5.6　采用蒸汽蓄热器

蒸汽蓄热器是在锅炉用汽负荷减少时，将多余蒸汽自动存入蓄热器中，当外界负荷增加，锅炉蒸汽供不应求时，蓄热器中的蒸汽释放出来，与锅炉产生的蒸汽一并供给用户以起到调峰作用。在10t/h锅炉上设置蓄热器可供最大负荷15t/h。由于设置了蓄热器，使锅炉能够经常处于最佳工况下运行，消除了负荷波动对锅炉燃烧的热效率的影响，可比设置前节能5％～10％。

5.7　小型锅炉增加省煤器

锅炉设置省煤器能够吸收烟道余热，降低排烟温度，提高锅炉热效率，可节能10％左右。但是以前往往在4t/h以上锅炉上才设置省煤器，从节约角度，4t/h以下锅炉也应该设置省煤器，但省煤器的结构形式要改进。此项工作可用行政措施加以推广。

5.8　生物质能源的开发及利用

生物质能源是一种可再生的绿色能源，是绿色植物直接或间接地通过光合作用，把太阳能转化为化学能而储藏在生物体内的能量。生物质能源仅次于煤炭、石油、天然气，位居世界能源消费总量第四位。

生物质能源具有含氮（N）、硫（S）量低，密度低，灰分少，燃烧过程二氧化碳（CO₂）零排放（即生物质能源燃烧时排放的CO₂与生长时需要的CO₂相等，故生物质燃烧对大气的CO₂净排放量近似于零）等特点，称绿色能源。秸秆作为清洁生物质源，平均含硫量为0.38％，而煤的含硫量约达1％。以我国生物质能源每年消耗3亿吨标准煤计算，可以解决我国能源消费量的12％以上，每年可减少CO₂排放量6亿吨，SO₂、氮氧化物、烟尘排量近1 500万吨，环保效益巨大。

2006年我国生物质能源发电装机容量220万kW，仅为总装机容量的0.36％，主要集中在糖厂的热电联产、稻壳发电和城市垃圾发电，还有大量的生物质能源没有利用。发展生物质能源技术，扩大生物质能源利用，是节约矿石能源的必由之路。

6　锅炉几种节能方案探讨

6.1　电站锅炉能耗监控措施

电站锅炉能耗是特种设备能耗大户，只要把电站锅炉能耗降下来，特种设备节能就完成了80％以上。在电站锅炉控制系统安装上快速检测热效率的软件，就可即时显示热效率，逐渐过渡到全省联网集中监控，分别治理，再配合行政处罚手段会收到很好的效果。

6.2　电网调峰节能措施

所谓电网调峰就是当用户用电负荷增加（达到峰值）时，电网就要加大供电量，以满足用户需求，否则电的品质下降（电压和频率降低）。电网供电量增大，发电量就要增加。这种用户用电负荷突然增加，发电量及时跟上的过程就叫调峰。把用以调峰的发电机组叫调峰机组，调峰机组一般在低负荷（70％）运转，热效率低，能耗大。现在电网没有调峰机组，所有机组都带70％负荷。出现这种现象的原因是陕西的装机容量大，用电负荷小，每个电厂都吃不饱，调度为了照顾各个发电厂不得已而为之。但是，这样做的后果使每个机组都不在经济负荷下运转，热效率降低，能耗大。经计算陕西的韩二（1 200MW）、宝二（1 200MW）、户二（600MW）、渭河（600MW）、蒲城（1 320MW）、秦岭（800MW）等电厂每年多耗煤250.536万t（5 720MW×8 760h×50g×10^－3）。解决这个问题的方法不用技术和资金投入，仅用行政手段就可达到很好的节能效果。

参考文献

［1］方利国.节能技术应用与评价.北京：化学工业出版社，2008