工业锅炉设计中节能减排问题初探

工业锅炉设计中节能减排问题初探

刘丽娟

（上海市机电设计研究院有限公司上海市静安区200040）

摘要：工业锅炉所用的燃料以煤炭为主，而煤炭燃烧产生的SO2、NO等气体，会导致空气质量下降，对人们的健康构成威胁。同时，这些气体排放还会带走一部分热量，导致工业锅炉的燃烧效率不高。为了积极相应国家“绿色低碳、节能减排”的号召，必须要对工业锅炉进行优化设计，在减少化石燃料燃烧污染的基础上，提高燃烧利用率，帮助企业节省生产成本。

关键词：工业锅炉；节能减排；存在问题；优化设计

引言

根据数据统计显示，我国工业锅炉每年消耗的原煤约占年产量的30%，排放的二氧化硫、二氧化碳等气体高达7亿吨。近年来，一方面是包括煤炭在内的传统化石燃料出现严重短缺问题，另一方面则是国家大力倡导绿色发展理念。受这两方面的影响，必须要对现行的工业锅炉进行节能改造和优化设计，以更好的满足各个行业的生产需求。文章首先指出了现阶段工业锅炉使用过程中存在的一些问题，随后分别从提高燃烧率、排烟无害化处理等方面，就工业锅炉节能减排的设计思路进行了分析。

一、当前工业锅炉在节能减排方面存在的问题

1、锅炉热效率低

在影响工业锅炉使用效率和污染排放的多种因素中，锅炉本身的热效率是一个重要因素。如果锅炉长期处于低效率的运行状态，会导致煤炭的燃烧不充分。而煤炭在不充分燃烧时会产生大量的二氧化碳、二氧化硫等气体，同时伴随有大量的烟灰。除了会造成空气污染外，这些烟灰附着在锅炉内壁上，久而久之还会降低锅炉的热效率，严重情况下还会引起锅炉爆炸等事故。导致锅炉热效率降低的因素有多种，常见的有使用劣质煤炭，或是锅炉容量较小，因为氧气供应不足造成煤炭无法充分燃烧等。

2、排烟温度高

煤炭燃烧时产生排烟的温度一般在300-400℃之间，如果这些排烟直接排放到大气中，不仅造成了空气污染，而且也造成了热量损失。根据工业锅炉的排放标准，排烟温度应控制在240℃以下，对于煤炭燃烧中直接产生的高温度排烟，应当收集后重新进行利用，待排烟温度降到标准温度以下，且经过无害化处理后方可排放。但是目前来看，许多工业企业为了控制成本，没有采取有效的排烟温控措施，造成了环境污染和热量流失。燃用某矿区烟煤锅炉的热效率实测数据，从实测结果看，所测锅炉的平均热效率为57%，而2t/h锅炉的平均热效率仅达到41%，远低于锅炉的设计热效率。

3、自控程度低

利用监测器、传感器等自动化设备，可以全天候实现工业锅炉运行情况的动态监测，方便技术人员及时采取调控措施，保证工业锅炉的高效率运行。近年来，随着信息技术在工业锅炉中应用的不断成熟，使用电子化、智能化设备成为辅助调整锅炉运行工况的重要手段。但是由于这些自动化控制设备的市场售价较高，一些工业企业出于成本考虑，没有及时引进，还是沿用以往的人工式控制，也会导致工业锅炉运行效率不高，浪费问题比较严重。

4、能源浪费严重

煤炭燃烧不充分、排烟温度过高等，都是能源浪费的表现形式。煤炭作为不可再生资源，近年来许多地区尤其是东南沿海各省份均出现了煤炭供不应求情况。根据国家质检总局2017年的统计数据显示，全国投入使用的大中型工业锅炉数量在60万台左右，这些工业锅炉在正常使用的情况下，每小时消耗的煤炭约在200万吨，产生的各类烟尘颗粒、气体污染物约40万吨。如果煤炭能够得到充分燃烧，理想状态下可以将排放物控制在10-15万吨以下。但是由于环保意识不强，或是不愿意投入资金进行治理等，能源浪费问题也没有得到很好的解决。

二、工业锅炉节能减排的优化设计

1、确保燃料充分燃烧

在设计过程中炉膛容积应保证燃料的充分燃烧和被炉气所充满，有利于向料坯的传热。它随燃料种类、燃烧方式、燃烧器的布置及热负荷的不同而有所差异。通过试验数据分析，同样质量的煤炭，充分燃烧条件下产生的热量是不充分燃烧条件下的3-5倍，而燃烧过程中产生的烟尘颗粒和CO2、SO2等气体，仅为不充分燃烧时的10%-30%。由此可见，在工业锅炉节能减排的设计中，让煤炭燃料进行充分燃烧是提高效率和减少排放的关键。目前工业锅炉使用中，用来促进燃料燃烧效率的方式有多种，其中简便易行、成本低廉的有以下几种：其一是增加煤炭与氧气（空气）的接触面积，例如将大块煤炭研磨成粉，采用鼓风机吹粉的方式，基本上可以实现煤炭90%以上的燃烧率。其二是增加锅炉内空气流动速度，或是适当增加氧气含量，也可以达到提高燃烧效率的目的。

2、采用高烟囱排放

烟囱是最常用的一种排烟装置，炉内烟气通过烟道，依靠烟囱排入大气。排烟方式分为自然排烟与机械排烟两类，烟囱必须有独立的基础，不能与烟道基础相连。烟囱底部应设计人孔以备烧烤烟囱、扒灰和修理内衬之用。在烟囱设计的过程中根据烟囱的高度计算所得的排放浓度与允许排放浓度作的比较，确定采用的烟囱高度并按烟囱系列尺寸选用烟囱直径和高度。通过设计虽然不降低排放物的绝对数量，但可降低有害物质的着地浓度，烟囱越高着地浓度越低。烟气中的SO2被大气稀释这是一种局部解决的方法，所以落到地面时浓度已很稀无害于动植物的生存。但它并不能从根本上消除SO2对大气的总污染，这种方式仅仅起到缓和污染的作用。因此，加高烟囱只能作为一种减轻污染的手段，并不能彻底消除工业锅炉使用中的污染问题。

3、燃料的优选和改质

煤炭质量也是影响工业锅炉效率和排放的重要因素，如果长期大量使用劣质煤炭，不仅会由于煤炭燃烧效率低而产生大量的黑烟，严重情况下导致局部酸雨，而且还会缩短工业锅炉的使用寿命。因此，在工业锅炉的节能设计中，也应当着重考虑煤炭质量带来的重要影响。例如，煤炭燃烧是产生的污染物主要以二氧化硫、氮氧化物为主，其中二氧化硫与水结合会形成酸雨，空气中氮氧化物达到一定浓度后则会引发光化学烟雾。通过选择低硫煤炭，或是对普通煤炭进行脱硫处理，可以使煤炭燃烧过程中排放的二氧化硫大幅度减少。另外，对于含硫烟气可以进行回收处理，待达到排放标准后再排放到空气中，以避免区域性的酸雨问题。除了硫化物外，对于工业锅炉燃烧生成的氮氧化物，目前还没有直接有效的处理方法，主要还是通过高烟囱稀释达到缓解污染的目的，这也是现阶段工业锅炉节能减排设计需要重点解决的问题之一。

4、排烟的无害化治理

在燃料燃烧的过程中会发生一系列的物理和化学变化并有可能形成大小不一的细微碳粒，这些以气体漂浮的灰分以颗粒状存在，是烟气中灰尘的主要来源。为了减轻烟囱排出烟气中有害物质对环境的污染，应该改进燃烧技术创造良好的燃烧条件，保证燃料的完全燃烧。当烟气的含尘量高于排放标准的规定时可考虑在烟道中设置除尘装置，各种除尘装置都有其效果最佳的工况条件，不符合这些条件时除尘效率将大为降低。当采用强制排烟时除尘装置要安装在排烟机之前，这样可以减少或避免烟气中粉尘对排烟机的磨损而且含尘烟气处在负压条件下不会产生粉尘飞出的问题。为使输送含尘气流至除尘器的管道内不产生积灰，要求水平管段内的流速在10-12m/s以上。

5、优化燃烧操作

工业锅炉操作方法也会对煤炭燃烧产生一定的影响，其中影响较大的因素主要有三类：（1）空气燃烧比。在同样的燃烧条件下，通过增加工业锅炉内空气流通速度，让煤炭燃烧过程中产生的烟尘尽快的通过空气排放到锅炉外部，这样就能够始终保持炉膛内空气的浓度处于低水平状态，氧气含量可以支持煤炭更加充分燃烧，空气燃烧比相应增加。（2）燃烧温度。煤炭燃烧温度越高，则煤炭的燃烧效率相应提升。尤其是在添加一定助燃剂的情况下，较高的燃烧温度还可以加快煤炭表面的燃烧反应速率，释放出更多的热量。（3）燃烧时间。煤炭燃烧时间过长或过短，都会影响工业锅炉的使用效率。燃烧时间过长，煤炭后期不能继续释放热量；燃烧时间过短，则煤炭燃烧不充分，造成资源浪费。因此，需要通过优化工业锅炉的燃烧操作，达到节能减排的目的。

结语

工业锅炉在使用过程中，由于操作不当或是煤炭质量较差，在煤炭燃烧过程中会产生较多的污染物，不仅造成了环境污染，而且不利于能源资源的集约利用。通过对工业锅炉整体结构和操作方法进行优化设计，以更低的能源消耗，获取更大的燃烧能量，满足工业需求。同时，经过优化设计后工业过滤的节能效果也十分明显，对于缓解当前日趋紧张的能源问题也起到了积极作用。

参考文献

[1]梁科,杨东升,畅燕,等.工业锅炉运行中的节能减排技术应用[C]//陕西省机械工程学会第十次代表大会暨学术年会.2014.

[2]陈镇南,汤巍,黎桂.工业锅炉高能耗问题分析及节能减排对策研究[J].节能,2017,36(4):66-69.

[3]毛鸿禧.工业锅炉应向集约能源转化,更好地实现节能减排[C]//中国石油和化工勘察设计协会热工专委会、全国化工热工设计技术中心站年会.2012.

[4]严祯荣,罗晓明,时贵玉,等.燃煤粉工业锅炉的发展前景及节能减排技术创新[J].节能技术,2015,28(1):65-69.