摘 要: 为提高工业锅炉热效率，解决锅炉节能运行存在的问题，以广东省 30 台工业锅炉为研究对象，对其进行现场能效测试和节能分析。能效测试数据分析显示，43. 33% 的锅炉排烟温度超标，63. 33% 的锅炉过量空气系数超标，36. 67% 的锅炉排烟 CO 含量超标，66. 67% 的锅炉负荷率较低，53. 33% 的锅炉热效率低于规程值。节能分析显示: 造成烟气温度过高主要是由于缺少烟气余热回收装置、配风比失调; 过量空气系数过大主要是由于配风比失调、燃料堆积; 热效率较低主要原因是排烟热损失、固体/气体未完全燃烧热损失较高或负荷率较低。结合发现的节能问题及其产生的主要原因，提出合理配风比、增加余热回收、制定节能制度和加强节能监管等建议。
关 键 词: 工业锅炉; 节能; 热效率; 问题; 建议
引 言
近年来，随着我国经济的快速发展，工业锅炉扮演着越来越重要的角色，但因工业锅炉具有高使用、高能耗和高污染等特点，其烟气、灰渣、废水等污染物的排放带来环境污染、能源浪费等一系列问题[1 - 3]。随着环保压力加大、节能力度加深以及使用安全加强，工业锅炉节能减排的深入研究势在必行[4 - 6]。许多专家学者注意到日益凸显的工业锅炉节能问题，并对其开展相关研究。浙江省特检院赵四海对浙江省在用工业锅炉信息进行统计，分析能耗产生的主要原因，并从监管、政策和使用三方面给出建议[7]。上海工业锅炉研究所王善武通过对国内外工业锅炉节能现状进行对比，指出我国节能运行方面的不足，分别从政策、管理和技术等方面提出改进措施[8]。华南理工大学赵军明通过对广州市部分企业工业锅炉热工测试数据进行分析，指出其节能存在的问题，并提出解决方案[9]。从以上研究可以看出，我国学者已经从节能政策、标准、管理和技术、监管等多方面开展工业锅炉节能研究，并取得一定成效[10]。为了进一步提高工业锅炉的能源利用效率，减少环境污染，本文选取广东省内 30 台新安装工业锅炉，通过能效测试和节能分析，找出锅炉运行过程存在的节能问题，并为企业提出合理化建议。
1 工业锅炉节能研究对象与方法
1. 1 研究对象
选取广东省内 30 台新安装锅炉( 办理使用登记证后一年内的锅炉) ，此 30 台锅炉来自于 30 家使用单位，24 个制造单位，27 种型号，详细情况见表 1。为了使测试的新安装锅炉尽可能具有代表性，按照锅炉燃烧不同燃料的比例，本次测试选择燃天然气锅炉 12 台，燃生物质颗粒锅炉 10 台，燃轻油锅炉 6 台，燃煤锅炉 1 台，燃生物质气锅炉 1 台。其中，蒸汽锅炉 27 台，有机热载体锅炉 3 台，蒸汽锅炉额定蒸发量范围为 0. 20 ～ 20 t /h，有机热载体锅炉额定功率范围为 600 ～ 1 800 MW。
1. 2 能效测试方法
1. 2. 1 测试方法[11 - 12]
( 1) 对手烧锅炉、下饲式锅炉、电加热锅炉采用正平衡法进行测试;
( 2) 对于额定蒸发量≥20 t /h( 14 MW) 的锅炉，采用反平衡法进行测试;
( 3) 其余锅炉均应同时采用正反平衡法;
4) 测试时间规定: 液体和气体燃料锅炉测试不少于 2 h; 火室燃烧、火床燃烧、沸腾燃烧固体燃料锅炉测试不少于 4 h; 手烧炉、下饲炉排等锅炉测试不少于 5 h。
( 5) 测试次数: 锅炉正常运行情况下相同工况测试两次。
1. 2. 2 测试内容[13]
( 1) 按照正平衡法进行能效测试时，其测试内容包括: 发热量及固体、液体燃料元素分析; 蒸汽锅炉输出蒸汽量，热水锅炉、有机热载体炉的截止循环流量; 自用蒸汽量; 蒸汽取样量; 锅水取样量及排污量; 蒸汽锅炉给水温度及给水压力，热水锅炉及有机热载体炉进出口介质温度; 蒸汽锅炉的蒸汽压力，热水锅炉及有机热载体炉的进出口介质压力; 饱和蒸汽湿度，过热蒸汽温度及品质; 燃料消耗量及电加热锅炉耗电量; 实验开始到结束时间。
( 2) 按照反平衡法进行能效测试时，其测试内容包括: 燃料元素分析，发热量; 排烟温度，燃烧室排出的炉渣温度、溢流灰和冷灰温度; 烟气成分; 炉渣、漏燃料、飞灰重量及可燃物含量; 入炉冷空气温度及锅炉表面温度; 实验开始到结束时间。
测试仪器如表 2 所示。
2 工业锅炉节能结果分析
2. 1 排烟温度
锅炉排烟温度是反映锅炉使用节能的重要指标，锅炉排烟温度太高会导致锅炉排烟热损失较大，进而影响锅炉热效率[14]。通过检查锅炉排烟温度是否达到节能规定，可及时进行相应调节，降低锅炉能耗，提高锅炉热效率。30 台新安装锅炉排烟温度对比如图 1 所示。排烟温度每一个数据均为测试两次工况的平均值。
30 台测试锅炉排烟温度最高为 309. 4 ℃，最低为 54. 4 ℃。根据 TSG G0002 - 2010《锅炉节能技术监督管理规程》第八条锅炉排烟温度规定[13]，在这 30 台锅炉中，有 13 台锅炉的排烟温度超过规程限定值，即 43. 33% 锅炉排烟温度超过限定值，说明锅炉排烟温度过高是锅炉使用中普遍存在的问题。分析 6 台燃油锅炉，只有第 5 台锅炉排烟温度超过限定值 170 ℃，燃油锅炉排烟热损失较小。但对比 6 台燃油锅炉排烟温度，最高温度与最低温度相差 127. 3 ℃，说明降低燃油锅炉排烟温度仍有一定提升空间，节能审查发现锅炉 2、3 均无节能器是造成排烟温度较高的原因。分析 12 台燃天然气锅炉，其中第 9、11、14 3 台锅炉排烟温度超过限定值，75% 锅炉排烟温度在限定值范围以内，锅炉排烟热损失较小。但第 11 台燃天然气锅炉排烟温度为 309. 4 ℃，超过规程限定值 139. 4 ℃，可知燃天然气锅炉如果操作不当，排烟热损失仍然较大。分析 10 台燃生物质颗粒锅炉，其中第 19、20、21、22、23、25 6 台锅炉排烟温度超过限定值，燃生物质颗粒锅炉排烟热损失较大，燃生物质颗粒锅炉最高排烟温度与最低排烟温度之差为 144. 4 ℃，按照排烟温度每降低 15 ℃，热效率提高 1% 来估算，通过控制排烟温度，可有效提高锅炉热效率约 10%[14]。燃生物质气锅炉排烟温度在限定值之内，燃煤锅炉排烟温度超过限定值。
由以上分析可知，各种燃料锅炉均存在排烟温度过高的问题，导致锅炉排烟温度过高的主要原因有: 锅炉未安装余热回收装置或节能器效果较差; 锅炉燃料品质较差，燃烧不充分; 锅炉积灰、结垢未处理; 锅炉操作人员调节风量不当[15 - 16]。
2. 2 过量空气系数
过量空气系数也是反映锅炉使用节能的重要指标，过量空气系数是燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量之比值。过量空气系数太大说明燃烧时实际鼓风量较大，这将增加排烟量、降低炉膛温度和影响锅炉传热，并导致排烟热损失增加。过量空气系数较小易导致燃料不能完全燃烧，固体不完全燃烧热损失增加[1，17]。30 台新安装锅炉过量空气系数对比如图 2 所示。过量空气系数每一个数据均为测试两次工况的平均值。
30 台测试锅炉过量空气系数最高为 2. 65，最低为 1. 00。根据 TSG G0002 - 2010《锅炉节能技术监督管理 规 程》第九条关于锅炉过量空气系数规定[13]，在这 30 台锅炉中有 19 台锅炉过量空气系数超过规程限定值，即 63. 33% 锅炉过量空气系数超过规程限定值。分析 6 台燃油锅炉可知，其过量空气系数在 1. 17 ～ 1. 47 之间，均高于限定值1. 15，燃油锅炉的风量调节应引起注意，通过调节鼓风量，燃油锅炉热效率可进一步提升。12 台燃天然气锅炉中，仅第 8、10、12、18 4 台锅炉超过限定值1. 15，可知燃天然气锅炉配风比和燃烧情况较好。分析 10 台燃生物质颗粒锅炉，80% 燃生物质颗粒锅炉过量空气系数超过限定值 1. 65，审查发现，大部分燃生物质颗粒锅炉出现炉排漏风，生物质颗粒堆积是过量空气系数过大主要原因。燃生物质气锅炉过量空气系数为 1. 18 在规程限定值以内，燃煤锅炉过量空气系数超过规程值 1. 15，可知燃煤锅炉应注意调节过量空气系数。
由以上分析可知，各种锅炉均存在过量空气系数过大的问题，导致锅炉过量空气系数过大的主要原因有: 燃烧机风门、油压或气压失调; 鼓风机风量配比失调或引风机风量过调; 燃料来源和成分存在问题; 生物质颗粒堆积，炉排漏风; 使用人员操作不当或未给予足够的重视等[18 - 19]。
2. 3 排烟 CO 含量
排烟 CO 含量过高说明燃料燃烧不充分，易造成气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失增加。30 台新安装锅炉排烟 CO 含量对比分析如图 3 所示。排烟 CO 含量每一个数据均为测试两次工况的平均值。
由图 3 可知，30 台测试锅炉排烟 CO 含量最高为 36 450 mg /m3 ，最 低 为 0 mg /m3 。根 据 TSG G0003 - 2010《工业锅炉能效测试评价规则》[11]，正压锅炉经济运行排烟 CO 含量一般不大于 500 mg / m3 。在 30 台锅炉中，10 台锅炉排烟 CO 含量过大。分析 6 台燃油锅炉，其排烟 CO 含量均在规程限定值以内，证明燃油锅炉燃烧比较充分，燃烧效率较高。分析 12 台燃天然气锅炉，8 台 CO 含量在限定值以内，燃烧情况较充分，但第 13、14 台锅炉排烟 CO 含量为 33 450 和 36 450 mg /m3 ，因此若操作不当，燃天然气锅炉仍会出现燃料燃烧不充分、资源浪费和超标排放等问题。分析 10 台燃生物质颗粒锅炉，6 台的锅炉 CO 含量超过规程限定值，证明燃烧情况较差。分析燃生物质气和燃煤 CO 含量，其测量值均在规程限定值以内，与实际通风量较大，氧气充足燃烧充分互证。造成排烟 CO 含量较高的主要原因有: 燃料堆积，生物质颗粒和空气接触不良; 配风量调节不当，送风量较低; 燃料质量较差，燃料潮湿或带有阻燃成分等[20 - 21]。
2. 4 负荷率
锅炉负荷率是指锅炉的实际出力与额定出力的比值，锅炉负荷率过低会导致漏风量增大，炉膛温度变低，燃烧速度变慢，燃烧工况不稳定，散热损失和固体未完全燃烧热损失增加等[1，22]。理论上能效测试要求锅炉均调至额定负荷测试，但限于实际情况， 30 台新安装锅炉负荷率如图 4 所示。锅炉负荷率为测试工况两次测试的均值。
30 台测试锅炉负荷率最高为 108. 3% ，最低为 35. 44% 。30 台锅炉中，20 台锅炉无法达到额定负荷，锅炉低负荷运行是锅炉使用常见的问题。分析 6 台燃油锅炉，5 台未达到额定负荷。12 台燃天然气锅炉，5 台未达到额定负荷。10 台燃生物质颗粒锅炉，8 台未达到额定负荷。燃煤、燃生物质气锅炉 2 台均为达到额定负荷。10 台能达额定负荷锅炉中，8 台额定蒸发量小于等于1 t /h，说明使用单位倾向于购买比生产需要负荷大的锅炉。分析未达到额定负荷主要原因有: 锅炉配置较大; 使用单位负荷使用量不稳定; 锅炉配置燃烧器热功率过小，不足够产生足够热负荷[23]。
2. 5 热效率
锅炉热效率是指锅炉输出的热量与输入的热量的比值，可以直观反映锅炉是否节能。30 台新安装锅炉热效率测试情况如图 5 所示。热效率为正反平衡的平均值。
30 台测试锅炉热效率最高为 94. 82% ，最低仅为 54. 06% ，根据 TSG G0002 - 2010《锅炉节能技术监督管理规程》工业锅炉热效率附件 A 规定[13]，30 台锅炉中 16 台热效率不合格。分析 6 台燃油锅炉，可知其热效率最高为 94. 82% ，最低为 85. 76% ，其中第 1、2、3 3 台锅炉热效率低于规程限定值。其排烟温度和过量空气系数超过规程限定值，负荷率低于限定值，说明锅炉配风量调节不当和负荷率较低是造成锅炉热效率较低的主要原因。对比 12 台天然气锅炉，其热效率在 81. 09% ～ 94. 25% 之间，第 9、11、13、14 4 台锅炉热效率低于规程限定值。第 9、11 2 台锅炉排烟温度分别为 273. 8 和 309. 4 ℃，主要是由于未安装节能装置，导致排烟热损失较大。第 13、14 2 台锅炉排烟 CO 含量分别为 33 450 和 36 450 mg /m3 ，燃烧机配风严重失调是导致锅炉热效率较低的主要原因。对比 10 台生物质颗粒锅炉，其热效率最高为 86. 16% ，最低为 54. 06% ，第 19、 21、22、23、24、25、26、27、29 8 台生物质锅炉热效率低于规程限定值，80% 热效率不合格。造成燃生物质颗粒锅炉热效率较低的主要原因: 生物质颗粒锅炉基本都是按照燃煤锅炉结构设计的，生物质颗粒容易通过炉排间隙掉落导致未完全燃烧; 生物质颗粒在锅炉内容易堆积，不能优化燃烧，造成飞灰可燃物和排烟 CO 含量增加; 原料来源导致的固体未完全燃烧和气体未完全燃烧; 操作不当、节能装置不全导致排烟温度过高和过量空气系数较大，导致排烟热损失较大。燃生物制气锅炉热效率为80. 42% ，其热效率仍有较大提升空间。燃煤锅炉热效率为 86. 73% ，可知燃煤锅炉通过增加节能器，操作合理，节能效果明显[24 - 25]。
将不同燃料锅炉热效率取平均值，燃油锅炉热效率为 89. 86% ，燃天然气锅炉热效率为 88. 42% ，燃生物质颗粒锅炉热效率为 75. 03% ，燃煤锅炉热效 率 为 86. 73% ，燃生物质气锅 炉热效率为 80. 42% 。按热效率从高到底排序依次为: 燃油锅炉热效 率 > 燃天然气锅炉热效率 > 燃 煤 锅 炉 热效率 > 燃生物质气锅炉热效率 > 燃生物质颗粒锅炉热效率，燃油、燃天然气锅炉热效率较高，节能效果最佳，而燃生物质颗粒锅炉热效率最低，节能效果最差。
3 结论及建议
( 1) 测试锅炉中，只有 46. 67% 锅炉热效率测试合格，43. 33% 的锅炉排烟温度超标，63. 33% 的锅炉过量空气系数超标，36. 67% 的锅炉排烟 CO 含量超标，66. 7% 锅炉负荷率较低。影响燃油燃气锅炉热效率的主要原因是锅炉排烟热损失，可通过调节配风量，新增或多增加一个余热回收装置，以及清除锅炉积灰、污垢等方式提高锅炉热效率。影响燃生物质颗粒、燃煤锅炉热效率的主要原因是固体、气体未完全燃烧热损失较大，可通过调节鼓风量，保证燃料品质提高锅炉热效率。
( 2) 大部分锅炉均存在“大马拉小车”问题，低负荷运行不仅造成锅炉散热损失增加，而且易造成热效率偏低，应加强节能监管，提高使用单位节能意识。
( 3) 对于使用单位，应提高锅炉操作人员专业水平，建立相应的节能管理制度和经济运行制度，提高企业员工的技术水平。对于监管单位，应制定详细的检验标准，制造监检部门源头做好把关，定检部门及时准确地进行能效测试，对不达标的企业及时提出整改意见，确保锅炉安全高效运行。——论文作者：张 佳1 ，李雪荧2 ，何育恒1 ，余 芬1
参考文献:
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