李春賢 張 坤 曾 添 李 彧

(廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 南寧 530200)

低水分蔗渣所帶來的運(yùn)行效益頗多,而降低蔗渣水分受到壓榨工藝的制約[1]。如何控制蔗渣入爐水分,是保證鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要點(diǎn)之一[2],若能為鍋爐提供低水分燃料并保障爐膛溫度則是蔗渣爐節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。

目前廣西壯族自治區(qū)內(nèi),有些糖業(yè)公司已在干燥蔗渣方面取得了一定效果,干燥設(shè)備后期運(yùn)行雖然表現(xiàn)不太理想,但這些改進(jìn)工作為后續(xù)的改進(jìn)工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。在這些改進(jìn)系統(tǒng)中,筆者注意到一個(gè)現(xiàn)象：蔗渣在被熱介質(zhì)烘干帶走水分的過程中會發(fā)生體積膨脹且表面粗糙度增加。濕蔗渣在被導(dǎo)入有限空間內(nèi)初期是順利的,可隨著水分蒸發(fā)會發(fā)生體積膨脹和摩擦系數(shù)增大。這可能是蔗渣干燥系統(tǒng)發(fā)生堵塞的原因。一旦發(fā)生堵塞,則很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù),影響生產(chǎn)。如果反復(fù)出現(xiàn)堵塞,那最后只能棄用該系統(tǒng)。

1 蔗渣燃料的各項(xiàng)分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.1 蔗渣燃料的工業(yè)分析

圖1是根據(jù)2018～2020年廣西壯族自治區(qū)內(nèi)幾家最具代表性的糖業(yè)集團(tuán)公司的蔗渣燃料工業(yè)分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（樣本數(shù)量為114個(gè)）統(tǒng)計(jì)得到。從圖1統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看：蔗渣收到基水分Mar平均值是48.68%,空干基水分平均值是Mad=2.11%,收到基灰分Aar平均值是2.10%,干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf平均值是86.31%。

圖1 蔗渣燃料工業(yè)分析

低灰分是這類蔗渣燃料的特點(diǎn),筆者認(rèn)為正是由于該特點(diǎn)（低灰分）使得燃燒該類蔗渣燃料鍋爐的熱效率普遍較高。因?yàn)榘碐B/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》（以下簡稱GB/T 10184—2015）[3]或GB/T 10180—2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》（以下簡稱GB/T 10180—2017）[4]計(jì)算后的燃料總灰量、機(jī)械不完全燃燒 損失、灰渣物理熱損失都比較小。

1.2 蔗渣鍋爐的各項(xiàng)熱損失統(tǒng)計(jì)

圖2是上述糖業(yè)公司蔗渣爐各項(xiàng)熱損失的統(tǒng)計(jì)。從圖2可以看出,該類型蔗渣爐的熱損失項(xiàng)中物理灰渣熱損失q6、固體未完全燃燒熱損失q4是較少的。這是由蔗渣燃料本身低灰分（Aar的平均值是2.10%）特性所導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果。

圖2 蔗渣鍋爐的各項(xiàng)損失

《電廠鍋爐原理及設(shè)備》[5]中關(guān)于q6的論述為：灰渣物理熱損失的大小主要與燃料中灰含量的多少、爐渣中純灰量占燃料總灰量的份額以及爐渣溫度高低有關(guān)。簡言之,q6的大小主要取決于排渣量和排渣溫度,而排渣溫度又與排渣方式有關(guān),液態(tài)排渣溫度高于固態(tài)排渣的,而固態(tài)排渣只有當(dāng)灰分很高時(shí),即Aar≥Qar,net/419（%）時(shí)才考慮。

結(jié)合廣西壯族自治區(qū)內(nèi)糖廠鍋爐情況來看,蔗渣爐基本都是采用固態(tài)排渣,且蔗渣的收到基灰分基本都是2.10%左右,再把化驗(yàn)燃料低位熱值數(shù)據(jù)（在下文會提到：7 996.05 kJ/kg）套入上述不等式中得：Aar（2.10%）≤Qar,net/419=19.08%,上述不等式不成立。

所以,蔗渣爐的低灰分特點(diǎn)使得在快速評估該鍋爐熱效率時(shí)可以忽略q6損失,這是符合實(shí)際大量測算結(jié)果的。

值得一提的是,鍋爐能效測試常用的煙氣分析儀對煙氣中烷烴類等可燃?xì)怏w成分測定是有限的,在有燃燒異常的情況時(shí)很難對烷烴類成分進(jìn)行有效測量。這是今后工作中要多加關(guān)注的方面。

化學(xué)不完全燃燒熱損失q3是由于煙氣中存在可燃?xì)怏w造成的。因此煙氣中的可燃?xì)怏w含量越多,q3越大。影響煙氣中的可燃?xì)怏w含量的主要原因有爐內(nèi)過量空氣系數(shù)、燃料揮發(fā)分含量、爐膛溫度等。結(jié)合筆者多年來對廣西壯族自治區(qū)內(nèi)糖廠鍋爐能效測試工作的觀察以及對蔗渣燃料特性的理解：入爐前蔗渣水分都比較高,且揮發(fā)分含量也高,短時(shí)間內(nèi)大量投入爐膛內(nèi),會導(dǎo)致爐膛溫降低,產(chǎn)生大量的CO和烷烴類可燃?xì)怏w。這些可燃?xì)怏w若未能與熱空氣混合燃燒就被抽離出爐膛,則導(dǎo)致q3相應(yīng)增加。大多數(shù)蔗渣爐的設(shè)計(jì)、制造、安裝都是參照煤粉爐,爐膛結(jié)構(gòu)及二三次風(fēng)布置并不一定與蔗渣燃料特性相匹配,爐膛內(nèi)會存在燃燒死滯區(qū),這些都會導(dǎo)致q3增大。因此蔗渣爐或者是其他高水分、高揮發(fā)分燃料生物質(zhì)鍋爐,應(yīng)把q3作為重點(diǎn)考查項(xiàng)目。

1.3 蔗渣燃料低位收到基發(fā)熱量

圖3是上述糖業(yè)公司的蔗渣燃料氧彈測熱儀發(fā)熱量測定統(tǒng)計(jì)。結(jié)合圖1、圖3可以得出：蔗渣平均水分在48.68%左右時(shí),它對應(yīng)的Qar,net平均值約為7 996.05 kJ/kg。顯然,高水分會使得燃料的Qar,net減少,排煙量增大,進(jìn)而導(dǎo)致q2項(xiàng)增加。

圖3 蔗渣燃料收到基低位發(fā)熱量Qar,net

1.4 蔗渣燃料的物理顯熱討論

對于依靠外來熱源加熱燃料及開式系統(tǒng)使燃料干燥時(shí),應(yīng)計(jì)算燃料的物理顯熱,并根據(jù)燃料的爐前狀態(tài)取用tr和燃料水分。若未經(jīng)預(yù)熱,則只有當(dāng)Mar≥Qar,net/630（%）時(shí)才須計(jì)算。以上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,套入該不等式得：Mar（48.68%）≥Qar,net/630=12.69%,不等式成立。因此對于蔗渣爐來說,把剛從壓榨工段送過來的高水分蔗渣直接投入爐膛燃燒,則蔗渣水分滿足該不等式,所以在計(jì)算鍋爐輸入熱量時(shí)應(yīng)考慮燃料的物理顯熱。

為此需要解決一個(gè)問題：要干燥到什么程度才可忽略蔗渣燃料物理顯熱呢？

以蔗渣的低位發(fā)熱量Qar,net=7 996.05 kJ/kg,Mad=2.11%作為討論對象,將其代入不同基低位發(fā)熱量之間的換算式子（代入百分?jǐn)?shù)整數(shù)計(jì)算,下同）：Qar,net=(Qad,net+ 25Mad)(100-Mar)/(100- Mad)-25Mar。得到燃料空干基水分Mad=2.11%時(shí),空干基低位熱值Qad,net=17 520.37 kJ/kg。

再假設(shè)：蔗渣Qad,net不變,而Mar是遞減變化的。套入上式,則可以算出在不同收到基水分條件下燃料相對應(yīng)的低位發(fā)熱值,見表1。

表1 不同收到基水分所對應(yīng)的低位發(fā)熱量

將上述數(shù)據(jù)制成圖4即可發(fā)現(xiàn)2條線存在1個(gè)“交點(diǎn)”,即忽略蔗渣燃料物理顯熱的臨界點(diǎn)。經(jīng)插值法計(jì)算,可得到這樣一個(gè)結(jié)果：蔗渣水分降至21.51% 時(shí),可以忽略其帶入系統(tǒng)的物理顯熱。

圖4 忽略蔗渣燃料物理顯熱的臨界點(diǎn)

倘若非要計(jì)算高水分蔗渣帶入系統(tǒng)的物理顯熱,那么也可以參考GB/T 10184—2015的7.2.2條以及附錄F來展開討論。

物理顯熱按式（1）計(jì)算：

式中：

Qf——燃料物理顯熱,kJ/kg；

tf——進(jìn)入系統(tǒng)邊界的燃料溫度,按實(shí)際測量溫度一般為55～65 ℃,在此取65 ℃；

tre——基準(zhǔn)溫度,按標(biāo)準(zhǔn)取25 ℃；

Cf——固體燃料比熱,生物質(zhì)燃料比熱容計(jì)算復(fù)雜,筆者在此參照GB/T 10184—2015的附錄F方法計(jì)算。

由圖1可知,蔗渣干燥無灰基揮發(fā)分平均值Vdaf=86.31%,而燃料的溫度tc取25 ℃。代入式子得：Cc=0.84+37.68×10-6(13+Vdaf)(130+tc)=1.42 kJ/(kg.K)。

由蔗渣灰（渣）比熱的估算式子得：Crs=0.71+5.02×10-4trs=0.72 kJ/(kg.K) ,其中trs灰（渣）溫度取25 ℃。

已知收到基灰分Aar=2.10% ,收到基水分Mar=48.68%,求得干燥基灰分：Ad=100Aar/(100-Mar)=4.09%。

將上述數(shù)據(jù)代入燃料的干燥基比熱計(jì)算式子：Cc,d=0.01×［Crs× Ad+ Cc（100-Ad）］=1.39 kJ/(kg.K)。

再將蔗渣干燥基比熱計(jì)算結(jié)果代入式子：Cc,ar=Cc,d(100-Mar)/100 + 4.186 8Mar/100 = 2.75 kJ/(kg.K)。

顯然該收到基比熱數(shù)值Cc,ar是隨著蔗渣的水分一起變動的。

最后,可以計(jì)算得到蔗渣在入爐前的顯熱值：Qf= Cf(tf-tre)=110.09 kJ/kg。在假定燃料進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)的溫度差Δt=tf-tre=40 ℃不變的條件下,隨著水分的減少,顯熱值Qf是降低的,相對于輸入系統(tǒng)的熱量Qin也較少（約占0.43%～1.35%）。在沒有其他熱源的條件下,由鍋爐的輸入熱量Qr= Qar,net+ Qf,可以粗略地認(rèn)為Qr≈ Qar,net。從圖5中也可以觀察到燃料低位熱Qar,net與輸入系統(tǒng)熱量Qin這兩條直線幾乎是重疊在一起的。

圖5 輸入系統(tǒng)的熱量組成

1.5 蔗渣燃料的元素分析

上述糖業(yè)公司蔗渣燃料元素分析統(tǒng)計(jì)見圖6、表2（其中因?yàn)檎嵩械土蛟睾枯^少,所以在圖6中選擇忽略,只在表2中列出）。

表2 化驗(yàn)燃料的元素分析結(jié)果（取平均值）

圖6 蔗渣燃料元素分析

將上述數(shù)據(jù)代入式子估算發(fā)熱量：Qar,net=339Car+1 030Har-109(Oar-Sar)-25Mar=7 931.82 kJ/kg。

理論計(jì)算值與實(shí)際氧彈測熱儀化驗(yàn)數(shù)據(jù)很接近,兩者誤差為0.80%。

2 蔗渣燃料水分與鍋爐熱效率η的關(guān)系

2.1 蔗渣燃料的元素、工業(yè)分析匯總

經(jīng)過上述討論可知,蔗渣Mar降至21.51% 時(shí)可以忽略燃料物理顯熱,此時(shí)燃料Qar,net插值法計(jì)算結(jié)果為13 552.90 kJ/kg,并把上述化驗(yàn)結(jié)果匯總,見表3。

表3 化驗(yàn)燃料結(jié)果匯總

結(jié)合之前的假設(shè),當(dāng)Mad不變,而Mar變?yōu)?1.51%,對應(yīng)元素、工業(yè)分析計(jì)算結(jié)果,見表4。

表4 假設(shè)燃料的元素分析和工業(yè)分析的計(jì)算結(jié)果

將上述假設(shè)數(shù)據(jù)代入式子估算發(fā)熱量：Qar,net=339Car+1 030Har– 109(Oar– Sar)– 25Mar=13 322.18 kJ/kg,兩者相差約為1.70%。

2.2 鍋爐使用不同收到基水分燃料相應(yīng)的燃料消耗量對比

將上述2種不同Mar的蔗渣帶入GB/T 10184—2015中,再用正平衡熱效率式子反推燃料消耗量。假定同一臺鍋爐燃用2種水分燃料時(shí)有效吸收熱量、設(shè)計(jì)熱效率（η=87.1%）、受熱面結(jié)構(gòu)等沒有變化,測試過程中不吹灰、不定排、安全閥不起跳。有一臺85 t/h蔗渣鍋爐,給水流量為90 t/h,給水壓力為6 MPa（表壓,下同）,給水溫度為100 ℃,過熱蒸汽壓力為3.22 MPa,過熱蒸汽溫度為445 ℃,鍋筒壓力為3.46 MPa,連續(xù)排污率取2%。通過查焓熵表可得到表5中結(jié)果。

表5 查焓熵表數(shù)據(jù) kJ/kg

測試時(shí),鍋水取樣量按照連續(xù)排污量計(jì)算,按照GB/T 10180—2017的10.1.13條a項(xiàng)先計(jì)算出鍋爐有效吸收熱量Q1=257 311 094.1 kJ/h,再根據(jù)正平衡公式η=Q1/BQr反推燃料消耗量B。然后把Mar=21.51%的燃料消耗量折算成Mar=48.68%的燃料消耗量,結(jié)果見表6。

表6 燃料消耗量計(jì)算結(jié)果

這也就從理論上解釋了蔗渣水分Mar由原來的48.68%降到21.51%,鍋爐每小時(shí)的燃料消耗量可以減少約16.11 t/h。若一個(gè)榨季按4個(gè)月時(shí)間統(tǒng)計(jì),這將為糖廠節(jié)省不小的燃料成本。

3 結(jié)束語

本文從蔗渣燃料的工業(yè)分析、元素分析、低位發(fā)熱量測定等數(shù)據(jù)分析角度,向大家介紹了蔗渣類生物質(zhì)燃料的特點(diǎn),從理論上解釋了降低蔗渣水分有利于燃料充分燃燒,有助于糖廠降低運(yùn)行成本,創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益,降低能耗。