能源查核及节约能源案例手册.pdf

锅炉系统锅炉系统 能源查核及节约能源案例手册能源查核及节约能源案例手册 更多免费资料下载请进 好好学习社区 锅炉系统能源查核及节约能源案例手册锅炉系统能源查核及节约能源案例手册 目录目录 摘要 一 前言 二 锅炉系统简介 一 锅炉原理及种类 二 锅炉系统及流程介绍 三 燃料及排放物 一 燃料的分类 二 燃料的基本条件 三 排气分析 四 排气温度与露点 四 锅炉效率及最佳化操作 一 锅炉最佳化操作 二 锅炉效率的提升及效率计算 三 锅炉能源效率标准 五 锅炉系统能源查核事项 一 过剩空气量 二 排烟温度 三 炉壁温度 四 排烟中 CO 浓度之检测 五 燃煤锅炉灰中未燃碳 六 其它能源查核事项 六 锅炉系统节能方法与节能案例分析 一 降低锅炉排气温度 二 闪化后的热水回收使用 三 装设液压联轴器节省用电 四 送风机加装变频器节省用电 五 烟管锅炉积油灰清理周期修订 七 参考数据 附录一日本有关锅炉的基准空气比 排气温度及炉壁表面温度基准 值 附录二锅炉系统能源查核表 附录三 锅炉系统基本数据 摘要 锅炉系统在工业上使用极为频繁 一般蒸汽锅炉 其产生之蒸 汽不仅是使用在制程上作为直接加热 间接加热之热源 高压蒸汽 也应用于汽电共生 甚至在火力发电上 推动涡轮机等原动机 产 生电力 另外 常见之热媒锅炉也常被用来作为工厂中重要之加热 热源 近年 能源价格日益高涨 如何使锅炉在最有效率之条件下运 转 以降低能源耗用 减少 CO2之排放量 提升产品竞争力 成为刻 不容缓之重要议题 本手册将就锅炉之系统简介 燃料及排放物 锅炉效率 锅炉系统能源查核事项及锅炉系统节能方法与节能案例 分析等五部分进行讨论 作为各业界锅炉相关规划 操作 保养之 参考 使锅炉在最适化的情形下操作 以提升能源使用效率 一 前言 锅炉系统在工业上使用极为频繁 一般蒸汽锅炉 其产生之蒸 汽不仅是使用在制程上作为直接加热 间接加热之热源 高压蒸汽 也应用于汽电共生 甚至在火力发电上 推动涡轮机等原动机 产 生电力 另外 常见之热媒锅炉也常被用来作为工厂中重要之加热 热源 近日 能源价格日益高涨 如何使锅炉在最有效率之条件下运 转 以降低能源耗用 减少 CO2之排放量 提升产品竞争力 成为刻 不容缓之重要议题 本手册将就锅炉之系统简介 燃料及排放物 锅炉效率 锅炉系统能源查核事项及锅炉系统节能方法与节能案例 分析等五部分进行相关讨论 作为各业界锅炉相关规划 操作 保 养之参考 使锅炉在最适化的情形下操作 以提升能源使用效率并 增加产品之竞争力 二 锅炉系统简介 一 锅炉原理及种类 所谓锅炉 简单而言系指一个设备 它藉由燃烧的过程 稳定 连续的将燃料中的化学能转变为热能 此热能再将水蒸发变成高温 高压的蒸汽 而产生的蒸汽 则提供作为各种制程上使用 如石化 制程 纺织业制程加热 或各种干燥的热量来源 另外 也使用在 推动汽轮机 Turbine 等原动机来带动压缩机 泵甚至发电机等大型 转动设备 锅炉的种类以用途分类有 工业锅炉 船用锅炉 汽电锅炉 热水锅炉 而工业锅炉又可分为水管式锅炉 火管式锅炉 热煤锅 炉 贯流式锅炉 其中水管式适用于高压力蒸汽 如一般锅炉及汽 电锅炉 效率较高 火管式锅炉因烟道热气走管内亦称为烟管式锅 炉 结构上不适用于高压蒸汽系统 且其效率较水管式锅炉为低 锅炉所使用的燃料目前较常用的都是一些化石燃料 例如固体 的煤炭 液体的燃料油 气体的天然气等 各种燃料都有它的优缺 点 例如煤炭比较便宜 天然气比较洁净等 而吸收热的介质除了水之外 还可以是其它的流体 例如热媒 锅炉中的热媒 在本手册中则将针对蒸汽锅炉做较深入之探讨 二 锅炉系统及流程介绍 整个锅炉系统主要包含燃料及其输送 燃烧器 炉膛 燃烧控 制系统 预热器 节煤器 给水系统 汽水循环系统等 下图则为 锅炉系统之示意图 本手册着重在锅炉本体及周边附属设备节能管理介绍 蒸汽系 统部分则于另册探讨 锅炉系统流程示意图 排煙 脫硫 FGD 煙 囪 飼水 泵 冷凝水槽 除氧櫃D A 供汽至製程 使用 鍋爐鍋爐 鍋爐排放水 燃料 空氣預熱 器 省煤器 蒸汽空氣 預熱器 送風機 FDF 送風機 FDF 製程冷凝水回收 三 燃料及排放物三 燃料及排放物 一 燃料的分类 燃料是一种容易在空气中燃烧而能经济地利用其燃烧热之物质 总称 因此须具备供应容易 稳定 价格便宜 贮存及搬运处理方 便等条件 依使用状态可分为固体燃料 气体燃料 液体燃料三 种 1 固体燃料 以固体状态使用之燃料谓之固体燃料 以植物及其变质物为 主 如 木材 蔗渣 泥煤 褐煤 沥青煤等 木材 蔗渣及煤 之加工品如焦炭 一般均用在小型回收锅炉 在较大型锅炉用之 燃料则以煤为主 煤炭之种类 各学派创见颇多 标准亦不尽一 致 大致列举如下 1 依煤质分类 煤 炭 依 碳 化 程 度 分 为 无 烟 煤 Anthracite 沥 青 煤 Bituminous 褐煤 Lignite 及泥煤 Peat 等 成分以碳为 主 另外含氢 氧 硫 氮等元素及水份 灰份 而无一定比 例 碳化度高者以燃料比 固定炭 挥发物 分类 碳化度低者以 纯碳发热量 换成无水无灰之发热量 之多少分类 参阅附件二 煤炭的分类 2 依煤种分类 A 以产地别 煤田 矿坑名称分类 如美国煤 澳洲煤 大 同煤 等 B 以粒度大小分类 如 通过筛子 20 30mm 者为细煤 煤 屑 40 64mm 者为中块煤 64mm 以上者为大块煤 C 以用途别分类 如锅炉用 原料用 一般燃烧用等 D 以性状别分类 如强粘结煤 弱粘结煤 水洗煤等 2 液体燃料 以液体状态使用之燃料谓之液体燃料 以石油产品为主 比重 0 75 0 697 发热量 10100 11000 kcal kg 是一种复杂之碳氢化 合物 依不同产地其性质有很大之差异 由原油分馏为汽油 煤 油 轻柴油 剩下者为重油 又称 C 重油 重油为一般锅炉之主要 燃料 柴油机发电以轻柴油 B 重油为主 气涡轮机则以汽油 煤 油 轻柴油为其燃料 3 气体燃料 气体燃料可分为由地下喷出之可燃天然气 工业副产品之煤 气 炼钢炉气 液化石油气 等 1 天然气 主要可燃物是甲烷 Methane 谓之干性气 由气田 沼泽地 泥 煤地 煤田地带等较浅部位产出又称熔解性气 另外成份为碳氢化 合物 以冷却 吸收等方法可变为汽油谓之湿性气 在油田地带随 油产出谓之石油 加以冷冻液化者谓之液化天然气 L N G 2 煤气 煤炭干馏制造之气体总称为煤气 蒸馏 Retort 制造之气体谓 之蒸馏气 焦炭炉 Coke Oven 制造者谓之焦炉气 在大都市使用之 煤气则以水性气混入 冷却洗净除去焦油 tar 氨 苯 硫等 回 收后供作燃料谓之都市煤气 City Gas 3 炼钢炉气 在炼钢 熔矿过程中使煤炭 焦炭不完全燃烧所得之一氧化碳 可燃性气体及二氧化碳 氮 灰尘等不可燃性气体 4 液化石油气 石油蒸馏及石油分解时产生之气体或制造汽油时副产之气体经 压缩液化称为液化石油气 L P G 或称丙烷气 Propane Gas 为家庭 用主要燃料 5 其它 化学合成 精制时排出之气体尚含有甚多可燃物 可收回做燃 料 多用于小型之自家发电 二 燃料的基本条件 燃烧也就是燃料之氧化作用 燃料的氧化作用如急遽持续地进 行会产生大量的热 这种现象称为燃烧 燃料燃烧之难易 视其挥 发为气体之快慢而不同 同时视其最初氧化反应所聚积热量递增值 之多寡而有很大的差异 燃料燃烧时须有一定限度以上之温度 空气量及时间 燃料的 燃烧无论何种燃料必先挥发为气体 而后始能继续安定的燃烧 燃料之成分大部分为碳 氢的化合物 氢气在常态时均为气 体 所以燃烧较易 碳元素在常温时为固体 加热亦不易全部挥 发 故燃烧较难 燃料与空气作适当之混合后只需外界略予热源 待其氧化连锁 反应快到其所放出之热量比散去之热量大时 燃料与空气之混合物 即能保持连续安定之燃烧 此时所需之最低温度称为着火点 实际 之着火点因周围之环境 炉膛压力 燃料与空气之混合比等的不同 而异 燃料与空气如混合之比例不当 则空气太多时燃料浓度较稀 薄 反之则较浓 太薄或太浓之燃料与空气混合物除无法得到连续 稳定之燃烧外 太浓会造成不完全燃烧 太薄会增加排气热损失 故欲得到稳定 完全之燃烧 燃料与空气的混合比有其一定之范 围 此范围内之混合物谓之可燃性混合物 Inflammable Mixture 实际的燃烧过程比理论更复杂 首先空气须预热至接近着火温度以 帮助燃烧 燃料与空气虽依照适当的比例送入燃烧室 但由于喷 嘴 分配器 导向片等设备之不良及炉膛有偏流 都可能在燃烧室 中混合不均匀使某一部份混合物太稀薄 另一部份又太浓而造成燃 烧不稳定 三 排气分析 为使燃料完全燃烧必须供给比理论空气量多而能与燃料均匀混 合之最少量过剩空气 此过剩空气量依燃料之性质及燃烧装置而 异 一般而言之 在使燃料完全燃烧之前提下 过剩空气量愈少 愈能提高燃烧温度而促进良好的燃烧 并能减少排气所带走的热损 失及 SOx之生成量 而减低 SOx生成量并可抑低排气对锅炉之低温腐 蚀及对环境所造成之污染 故低过剩空气量之运转非常重要 为判断燃烧之好坏以节省燃料及防止公害 必须做燃烧管理 普通以分析排气中之 CO2 O2 CO N2含量 CO2 O2 CO N2 100 及计 算排气中应含有之 CO2 max 与过剩空气量来判断 完全燃烧则排气 成份中无 CO 且 CO2含量接近 CO2 max 如排气中有 CO 则为不完全 燃烧现象 灰渣中可燃物成份太高则为混合不均匀或粉煤细度太粗 所致 排气中 CO2含量若与计算应有之 CO2 max 相差很大 若非不完 全燃烧便是过剩空气太多 这些现象都要做燃烧调整 为便于随时了解燃烧情况 锅炉都装有物理式之 CO2分析计或 O2分析计来监视 并以化学式之 ORSAT 气体分析器来定期分析排气 之成份及校验 CO2计或 O2计之准确性 下图即是排气 CO2及 O2含量与过剩空气量之关系 可由 CO2计或 O2计之指示含量由图中求出过剩空气量 CO2与过剩空气之关系依燃 料种类大有差异 而 O2与过剩空气之关系受燃料种类影响很少 故 近年来大部份较大型锅炉均采用 O2计来监视 图排气 CO2及 O2含量与过剩空气量之关系 四 排气温度与露点 排气温度也是决定锅炉热损失之重要因素之一 排气温度太 高 随排气排放至大气中之热量就愈大 热损失也愈高 故在锅炉 后半部设有省煤器及空气预热器等装置来回收热量 降低排气温 度 但如排气温度低于烟气之露点 Dew Point 则其中之水汽开始 凝结为水滴而有害于空气预热器之低温段及其下游之烟道设备 烟 气 之 露 点 即 为 烟 气 中 水 汽 Water Vapor 之 分 压 力 Partial Pressure 所相当之饱和温度 硫化物会使排气之露点较理论值为 高 故凡燃烧含较高硫份之燃料时 其烟气温度之设定要较高 理 论上烟气之露点可由计算求得 但实际应用数值则大多由实验求得 参阅附件一 日本有关锅炉之排气温度基准 四 锅炉最佳化操作及锅炉效率四 锅炉最佳化操作及锅炉效率 一 锅炉最佳化操作 我们评估一个蒸汽锅炉是否为最佳化操作 至少有下列几个重 点须要被考虑 第一个就是能量的利用 这一部份包括如何有效的 将燃料中的化学能藉由燃烧的过程尽量全部转换成热能 接着就是 如何的藉由适当的设备及妥善的操作将热能传递到水这个介质 这 一部份亦是本手册研讨的主题 第二个部分就是锅炉产出的蒸汽质量 影响的有补充水的水质 控制 以及锅炉操作的控制等 包含补充水制程的操作管理以及锅 炉系统的给水 炉水水质调整 例如 加中和胺调整给水的 PH 避 免腐蚀等异常发生 加脱氧剂 例如联氨 降低水中的溶存氧 避 免腐蚀发生 以及加磷酸盐类之清罐剂防止锅炉产生锅垢等 不同 种类 压力等级之锅炉的相关水质控制基准在 JIS 及 ASME CODE 等 都有详细规范 水质的控制技巧 添加药品的种类 浓度 目前都 有水处理的专业厂商能提供客户最好的建议 炉水 蒸汽质量控制 不良 会造成锅炉设备腐蚀或结垢 同时炉水或蒸汽质量不良造成 的异常也会使蒸汽锅炉 甚至蒸汽用户整个系统的危害 所以必须 特别注意加以控制 第三个部分就是锅炉系统的稳定性 锅炉一般产生的产品 蒸 汽 往往使用的客户众多 一旦蒸汽质量例如压力 温度不符要 求 甚至因为设备异常 发生非预期的停车 造成停止供应蒸汽 经常会造成连锁反应 导致下游众多客户的连带影响 所以蒸汽锅 炉系统运转的稳定度 可靠度 也是它操作最适化与否的一项重要 指标 这一部份除了上述所讲的燃烧调整 水质控制以外 包含了 建厂之初的规划是否妥当 锅炉于试车运转后 除了要建立标准操 作程序 SOP 及标准保养程序 SMP 要求相关人员确实遵守执行 避免因人为失误造成设备系统的损坏外 设备的保养也应该从传统 的故障保养 改为藉由振动分析仪 红外线测温仪等仪器 对相关 设备进行量测记录及趋势管理 达到设备在发生重大异常前 就能 预先判断 事先进行备料 生产调度以及安排计划性的停车检修 来达到不单是对蒸汽锅炉 甚至是整个公司不利影响降到最低的安 排 除了上述三个项目外 蒸汽锅炉的操作亦必须符合相关的工 安 环保的法规要求 以较大型的蒸汽锅炉而言 是所谓的危险性 设备 依照现有的工安法规 需要申请危险性工作场所 制程危害 分析 HAZOP 等 操作人员也必须受训取得锅炉操作等证照 另外还 必须每年向工检单位申请检查等等 以环保而言 蒸汽锅炉通常须 要有设置许可 操作许可 还要定期进行排烟检测 甚至安装连续 排烟监视系统 CEMS 确保排烟中污染物符合环保法规 也要每季 依污染物排放量 燃用燃料种类申报空污费 以上种种都与蒸汽锅 炉是否能合法稳定运转习习相关 二 锅炉效率的提升及效率计算 要使锅炉达到能量的充分利用以提升效率 基本上有下列三种 方式 第一个是藉由调整燃烧条件 使燃料在锅炉内充分完全的燃 烧 也就是将燃料中的化学能尽量转换成热能 再来就是将生成的 热能尽量的回收使用 这部份除了可以藉由水吸收热转变成高温高 压的蒸汽外 也可以将这些热量回收 用来加热助燃空气或燃料 以达到能量的充份回收 另一种提升锅炉效率的方法就是减少锅炉 系统的电力等能源使用 这一部份常藉由良好的设计及适当的设备 来达到节省能量的目的 例如适当烟风道或管路尺寸的设计减少压 损 相对降低风车或泵的电力秏用 或着是使用液压联轴器 变频 器等设备替代风门 控制阀等浪费能源的设备 以达到节省电力能 源之目的 锅炉是一个很成熟的制程设备 所以第二 三项有关能量的充 份回收及节省 一般在系统规划设计阶段 应该都已经充份考虑 故在本手册不再赘述 后面章节中则以节能改善的实例说明 至于燃烧的最佳化调整 往往跟燃料的特性及人员的操作习惯 有很大的关系 尤其是大型蒸汽锅炉 一般因为能源耗用量比较 大 为了考虑降低燃料费用及燃料取得的稳定性 往往使用价格最 便宜 蕴藏量最丰富的煤碳做为燃料 而煤碳一般均直接由矿坑挖 掘出来 未经特殊处理就送给客户使用 而每一个矿坑所产的煤碳 性质产异性很大 藉由燃烧的调整可以达到降低燃料的残余未燃份 也就是将燃 料中的化学能充份的转换为热能 一般而言 可以将灰中之未燃碳 U B C 降低到 4 6 在这里要补充说明的一点是 目前因为环 保法规严格要求排烟中的 NOx 含量不得超过管制值 所以新设锅炉 使用分段燃烧的低氮氧化物燃烧器 也就是所谓的 Low Nox Burner 配合火上风 也就是所谓的 OFA 以降低燃烧温度 抑制 thermal Nox 生成量的燃烧方式已变为主流 这种方式虽可将 Nox 排放量由大概 500ppm 降至约 200ppm 相对而言也牺牲了燃烧效率 前面所说将灰 中之未燃碳降低到 4 6 是在将 NOx 控制在约 200ppm 前提下 如 果不考虑 thermal NOx 生成量 而以其它方式控制 NOx 排放浓度 藉由适当的调整燃烧条件应可将 U B C 控制在 4 以下 更进一步提 高燃烧效率 另外藉由适当调整操作条件及适当装置热回收设备 可以尽量 降低排烟温度 也就是减少能量损失 增加能量的回收率 提高锅 炉效率 但是一般燃料除了天然气外都有硫份存在 而硫份在燃烧 过程中将氧化成硫氧化物 如果排烟温度低于硫氧化物的冷凝点 一般称为露点 硫氧化物将冷凝成硫酸或亚硫酸 造成系统的腐蚀 影响系统的稳定安全运转 硫氧化物的露点随排烟中水份的含量及硫氧化物的组成而定 一般约在 130 150 C 所以在安全运转的考虑下 排烟温度除考 虑能量的回收外 也要考虑避免腐蚀的发生 所以以燃煤锅炉而 言 一般都将锅炉排烟控制在 130 C 左右 要提升锅炉效率 就必须对所谓燃烧做较深入之探讨 所谓燃 烧是指燃料的氧化作用 这个氧化作用如果持续急速地进行 而且 产生大量的热 我们就称这种现象为燃烧 在此需强调 不论是固体燃料 液体燃料或气体燃料 燃烧前 都必须先挥发成气体 所以燃料燃烧的难易 视燃料成分挥发为气 体的快慢而不同 同时也视他最初氧化反应所聚积热量递增值的多 少 而有很大的差异 从燃烧的定义可以发现 要构成燃烧须要有三个最基本的条 件 燃料 热 温度 氧气 指助燃物 因为空气中含有 20 9 的 氧气 所以一般都是以空气做为燃烧的助燃物 燃料如前述可依照物理性质分为气体燃料 液体燃料以及固体 燃料 成分大部分为碳 氢 氧等的化合物 氢气在常态时是气 体 所以燃烧较容易 碳元素在常温时是固体 加热也不容易全部 挥发为气体 所以燃烧较困难 燃料跟助燃物作适当混合后 只需要外界稍微给他加一点热 源 当这些混合物的氧化连锁反应快到他所放出的热量比散去的热 量还大的时候 燃料跟助燃物的混合物就能够保持连续安定的燃 烧 在这里所需要的最低温度就称为着火点 实际的着火点因为周 围的环境 炉膛的压力 燃料与助燃物混合比等的不同而不同 燃料跟助燃物混合的比例不当 如果助燃物太多的时候 燃料 浓度就比较稀薄 反过来燃料浓度就太浓 太薄或太浓的燃料跟助 燃物的混合物 除了无法得到连续稳定的燃烧之外 燃料太浓会造 成不完全燃烧 燃料太薄会增加排气的热量损失 所以要得到稳 定 完全的燃烧 燃料跟助燃物的混合比 有一定的范围 这个范 围内的混合物我们称之为可燃性混合物 Inflammable Mixture 固体燃料跟液体燃料的主要成份都是碳氢化合物 他燃烧所需 助燃物的计算 是先依照元素分析 来分析燃料成份的重量比 再 依燃烧反应式来计算他所需要的助燃物量 而气体燃料的主要成份 则是多种含不同碳氢原子数的分子混合物 他燃烧所需助燃物的计 算一般是以成份的容积比 再依燃烧反应式计算来计算他所需要的 助燃物量 以下为较常用的公式是计算公式 供参考 1 理论空气量与实际空气量的计算 理论空气量一般以 A0表示 是代表依燃料燃烧的化学反应所求 出之干空气量 A 以固体及液体燃料而言 常用的计算公式 Ao 11 47C 34 48 H O 8 4 31 Kg Kg 燃料 Ao 8 89C 26 66 H O 8 3 33 Nm3 Kg 燃料 B 以气体燃料而言 常用的计算公式 Ao 4 76 0 5 H2 0 5 CO 2 CH4 7 5 C6H6 O2 Nm 3 Nm3燃料 在上面三个公式中 C H O S 代表固体及液体燃料的成份重量 比 Kg Kg 而 H2 CO CH4等则代表气体燃料成份的容积比 Nm 3 Nm3 在实际应用的时候 在燃烧的过程中 应该多供给些空气才能 得到完全燃烧 这一部分比理论所需量多出来的空气量 称之为过 剩空气 excess air 实际空气量 一般以 A 表示 一般都用与理论空气量的百分比表 示 而所供给的空气一般是直接由大气中抽取 所以都是含有湿度 的湿空气量 一般以 Aw 表示 有关实际空气量 湿空气量的计算式 如下面两个公式所示 A Aom Aw 1 y A 在上面公式中 m 代表的是过剩空气比 y 47 X 29 为含干空气量 1Nm 3 之空气中所含之水蒸汽 量 Nm 3 X 为空气之绝对湿度 Kg Kg 一般而言 过剩空气比愈高 燃料愈容易完全燃烧 但因炉膛 等设备热交换面积及容积为固定 过多的过剩空气进入系统 相对 在系统内的燃烧 停留时间缩短 热量传递给水等介质的量反而降 低 而且由物质不灭定律可以知道 由烟囱排出的烟气总质量将增 加 所以排出系统的热量相对增加 反而降低系统的总热效率 就 总体热效率而言 过剩空气比并不是愈高愈好 依经验值 各种燃料的合理空气过剩比是 固体燃料一般在 1 15 1 20 之间 相对而言 也就是排烟在炉 膛出口的氧气浓度控制在 2 8 到 3 5 之间 液体燃料一般在 1 10 1 15 之间 也就是排烟在炉膛出口的氧 气浓度控制在 1 9 到 2 8 之间 气体燃料一般在 1 05 1 10 之间 也就是排烟在炉膛出口的氧 气浓度控制在 1 到 1 9 之间 有关于不同过剩空气量的情形下 炉膛出口氧气浓度的简易的 计算公式 就是将过剩空气量减 1 乘以 21 再除以过剩空气量 即 可以得到炉膛出口氧气浓度 例如以过剩空气量 1 2 为例 1 2 减 1 等于 0 2 再乘以 21 等于 4 2 再除以过剩空气量 1 2 等于 3 5 所以过剩空气量 1 2 时 炉膛出口氧气浓度理论上应该是 3 5 参阅表 过剩空气与烟气中含氧量关系图及附件一日本有 关锅炉之过剩空气比基准 图过剩空气与烟气中含氧量关系图 从上面我们了解了燃烧的三个基本条件对锅炉效率的影响 接 下来针对在锅炉系统燃烧过程中 一般操作上可以调整的三个燃烧 参数讨论 他们分别是温度 Temperature 时间 Time 紊流 Turbulence 因为每一个英文字的第一个字母都是 T 所以习惯 上我们称之为 三 T 首先来看温度 不论是燃料或助燃物 温度愈高 燃烧就愈完 全 燃料一般藉由预热或干燥来提升他的温度 在燃料安全运转的 条件下 将燃料以适当方式加热 例如燃油以蒸汽式热交换器或电 热式加热器加热 除了可以提高燃烧的温度 相对而言 缩短他在 炉膛挥发为气体所需的时间 也就可延长燃料在燃烧区燃烧时间 可以有效提高燃烧效率 而燃料油在加热的过程中 往往会 析出沥青的杂质 附着于加热器的换热表面 影响热交换 效率 造成燃油温度无法到达设计值 降低燃烧效率 或 需要耗用较多蒸汽或电力等异常 故需纪录相关运转实际 燃油温度 加以追踪了解加热器之性能 必要时需加以拆 解清理 或者是将燃料以适当方式干燥 例如粉煤在粉煤机以一次热风 干燥并加热 除了可以提高燃烧温度 相对而言 也延长燃料在燃 烧区燃烧时间 可以提高燃烧的效率 以助燃物而言 通常将助燃物 空气 经由各种热回收设备 例 如瓦斯空气预热器等 以排烟等将助燃物进入炉膛温度提高 除了 可以降低排气热量的损失 也可以提高燃烧效率 而锅炉常用燃 料一般都会产生油灰或煤灰 这些杂质极易附着于瓦斯空 气预热器 影响热交换效率 造成热量无法有效的由热排 烟传递到助燃空气中 造成烟囱排烟温度偏高等异常 降 低锅炉之效率 一般而言 排烟温度每提高 10 锅炉效 率降低 0 6 0 7 故除须定期使用吹灰器等将附着于热 交换器表面积灰清除外 提升热交换器性能 降低排烟温 度外 亦需纪录相关运转实际排烟温度 加以追踪了解热 交换器性能 必要时需进行人工清洁热交换器之工作 以时间而言 燃烧滞留时间愈长 燃烧愈完全 但一般锅炉的 燃烧炉膛在设计施工完成后 几乎是一个定值 在同样的负载下 燃烧时间也相对是定值 所以除非是系统有尖 离峰负载调整 可 以在离峰时段藉由平均降低各锅炉负载 以延长燃烧时间外 否则 一般均是以减小燃料颗粒或降低过剩空气等方式 以相对延长燃烧 时间的方式 来提升燃烧效率 以燃料而言 可以藉由粉碎相对延长燃烧时间 例如屑煤经由 粉煤机辗磨 使其粉碎 除可增加燃料与助燃物接触面积 提高燃 烧效率之外 并且因为屑煤颗粒变小 可以减少各粉煤燃烧所需时 间 相对地 就是延长燃烧时间 提升燃烧效率 一般目前的燃烧器对粉煤的要求大约在下面这种粒度的标准 通过 200 mesh 筛网的粉煤百分比需在 75 以上 通过 50 mesh 筛网的粉煤百分比需要在 99 以上 一般粉煤机内部磨轮及磨盘等 均使用如高铬合金耐 磨件制作 以确保使用寿命及性能 但仍应定期检视 量 测各组件之磨耗情形 当磨耗超出厂商建议基准值时 应 予以更新 确保粉煤粒度符合需求 并应定期取样检验粉 煤粒度 除作为粉煤机性能之参考外 亦可作为燃烧条件 调整之依据 就助燃物而言 助燃物愈少 相对燃烧滞留时间愈长 燃烧愈 完全 除了适当调整过剩空气量 将其控制在最低值 以提升燃烧 效果之外 如前面所提到的 因为环保要求 目前高压锅炉一般均 使用低氮氧化物燃烧器 LOW NOx BURNER 及火上风等环保设备 适 当搭配调整 除了可以降低 NOx 排放 仍可维持燃烧效率在一定水 平以上 就紊流效果而言 系统紊流愈大 使燃料及助燃物接触机会就 愈多 燃烧也就愈完全 以燃料来讲 例如粉煤一般藉由一次风输送 在燃烧器内经过 旋风器或文氏管产生较大旋转或流速 来达到增加系统紊流的目 的 或是重油经由油枪头之喷洒 雾化 来达到增加系统 紊流的目的 如前所述 燃料油除本身可能在制造或运输 过程中可能会有杂质外 在加热过程也容易析出沥青 造 成油枪喷头阻塞 故定期清理油枪喷嘴甚至更新 也是确 保燃烧效率不可或缺之工作 以助燃物来讲 助燃物在燃烧器或火上风等设备藉由旋风器 文氏管或喷嘴产生较大旋转或流速 来增加系统紊流 提升燃烧效 率 通常此部分是最常需要运转人员配合燃料特性而调整的 而实 际调整的方式 需要配合燃烧器等设备组件的操作方式来执行 一般来讲 经由旋风器将空气等助燃物调整得旋转越利害 燃 烧器出口火焰就会越宽越短 燃烧效果越好 反之 燃烧器出口火 焰会较狭长 燃烧效果较差 需要特别注意的是 在进行这方面的 调整前 应该将各调整单元的相关位置及燃烧状况纪录后 再进行 调整 调整完 等系统稳定后 应将各调整单元的相关位置及燃烧 状况 再予以纪录 以便进行比较 确认调整前后燃烧状况后 再 决定更进一步的调整 另外需特别注意的是 调整过程中各燃烧器 所生成旋风不要彼此接触干扰 以及火焰不要直接冲击水墙管等设 备 以免造成局部过热而烧损设备 相关调整组件因长期与高速流体接触 无可避免的会 有磨耗现象产生 因此适当的耐磨材质选用及定期检查修 补甚至更换 是确保燃烧效率必须的工作项目 三 锅炉能源效率标准 新设锅炉其效率标准 需依照经济部九十年九月公告 经 九 能字第 九 四六一八九八 号 之标准 修正后之 锅炉能源效 率标准 如下表 实施日期为九十二年七月一日 此公告适用于以 燃油或燃气为燃料之蒸汽锅炉 效率标准则依国家标准 CNS2141 之热损失法计算 并依燃料低热值计算涵盖废热回收装置之锅炉全 载时之能源效率 表锅炉能源效率标准 一 锅炉能源效率标准 种类 容量 公吨 小时 能源效率标 准 备注 水管式燃油 锅炉 三十以上 九十二 五标准适用范围及计算方式 本效率标准适用于以燃 油或燃气为燃料之蒸汽锅 炉 不适用于贯流式锅 炉 效率标准依国家标准 CNS2141 之热损失法 计算 并依燃料低热值计 算涵盖废热回收装置之锅 炉全载时之能源效率 十以上未达 三十 九十一 五以上未达 十 八十九 五 未达五八十八 五 水管式燃气 锅炉 三十以上 九十三 五 十以上未达 三十 九十二 五 五以上未达 十 九十一 五 未达五九十 五 烟管式燃油 锅炉 三十以上九十 十以上未达 三十 八十九 五以上未达 十 八十八 未达五八十七 烟管式燃气 锅炉 三十以上九十二 十以上未达 三十 九十一 五以上未达 十 九十 未达五八十九 二 本锅炉能源效率标准自民国九十二年七月一日起施行 五 锅炉系统能源查核事项 综合以上燃烧条件的调整 汇总以下五个重点 可作为日常锅 炉燃烧操作调整的查核依据 一 过剩空气量 过剩空气量太多造成热源排放的浪费 太少造成燃烧不完全 以固体燃料而言 过剩空气量应控制在 15 20 之间 液体燃料一 般在 10 15 之间 气体燃料一般在 5 10 之间 一般可以用锅炉 出口 O2含量来确认过剩空气量控制是否洽当 以固体燃料而言应控 制在 2 8 3 5 之间 液体燃料一般在 1 9 到 2 8 之间 气体燃料 一般在 1 到 1 9 之间 二 排烟温度 排烟温度直接影响锅炉效率 应藉由调整燃烧条件 使用适当 的热回收装置 如加热助燃空气 锅炉给水 燃料等 以降低排烟 温度 提升锅炉效率 但须注意 排烟温度不得低于排气之露点温 度 以免造成设备的低温腐蚀 排烟温度及过剩空气与锅炉效率关 系图如图所示 1 1 01 21 41 61 82 02 22 42 62 83 0 0 10 20 30 40 50 60 70 500 475 450 425 400 375 350 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 排氣溫度與周圍溫度差 排氣熱損失 空氣比 m 2 三 炉壁温度 锅炉炉壁保温不良 造成炉壁温度偏高 除了直接造成热能损失 易造成 操作空间高温 除易使相关设备劣化外 也可能造成人员烫伤等工安意外 故 除依相关工程基准施工外 随时检测炉壁温度 发现异常立即检修 亦为提升 锅炉效率之重要日常查核项目 可参考附件一为日本有关锅炉炉壁表面温度基 准值 四 排烟中 CO 浓度之检测 排烟中 CO 浓度如偏高 则表示燃料在锅炉中燃烧不完全 需针对锅炉之燃 料 助燃空气量 燃烧温度 炉内紊流状况进行全面性之点检及针对问题点改 善 五 燃煤锅炉灰中未燃碳 燃煤锅炉灰中未燃碳如偏高 一般高于 6 以上即可视为异常 则表示燃料 在锅炉中燃烧不完全 除依 四 项所列项目进行全面性之点检及改善外 粉煤 粒径亦应列入检查项目重点 若粉煤粒度不符合原设计规格 则粉煤机磨轮 磨盘 分离机等机构之磨耗量 间隙应与量测检查及针对问题点改善 六 其它能源查核事项 锅炉系统能源查核除了上述五项重点 其它能源查核要项汇整如下清单 能源管理人员可藉此了解可能的节能作法及其节能改善空间 下表仅为一般通 则 节能诊断及估算仍需依各厂设备系统状况及实际运转操作状况而定 表锅炉系统能源查核要项说明 项目范围及条件节能通则 尾气温度 OC 取决于酸露点每降低 20 OC 可节约 1 燃料 含氧量 燃气 1 2 燃油 3 4 每降低 3 可节约 1 燃料 排放量 脱矿水燃料 流量 30 燃料 雾化效果 乳化油水 5 10 2 3 节能 30 NOX减量 冷凝水储槽减少排放损失省水 热能及化学药 剂 除氧柜位置及温度回收排放热 备注 有关蒸汽系统能源查核事项 将于另册中详探讨 4 六 锅炉系统节能方法与节能案例分析六 锅炉系统节能方法与节能案例分析 一 降低锅炉排气温度 某工厂燃油锅炉其排气温度高达 200 应可以再降低排气温度 且以 0 5 低硫燃油而言 应无因此而造成低温腐蚀之虞 节能改善案例 建议可改善锅炉系统空气燠热器 或将锅炉补充水先经排气预热 如此应 可降低排气温度至 150 回收热能 预估可增加锅炉效率 2 效益计算 该工厂锅炉全年工作 360 天 且 24 小时连续运转 全年燃油量 为 13 932 公秉 平均燃油量为每小时 1 6 公秉 排气量以 19 500Nm 3 h 估算 烟气比热 0 3kcal Nm 3 燃料油热能以 9 200 千千卡 公秉计 计算其省能效 益为 200 150 19 500Nm 3 h 0 3kcal Nm3 292 500 千卡 时 292 500 千卡 时 9 200 千千卡 公秉 360 天 年 24 时 天 1 000 274 7 公秉 年 节约的金额约为 274 7 公秉 年 8000 元 公秉 1 980 000 元 而其投资费用以各增设一套瓦斯空气预热气计 2 组共投资约 140 万元 回收 年限仅 0 7 年 二 闪化后的热水回收使用 在高压蒸汽锅炉系统 一般都使用超纯水做为补充水 虽然水中杂质很 少 但是经过高压蒸汽锅炉高倍数的浓缩以后 杂质浓度提高 而且系统中的 加药 腐蚀产物等等 也相对增加系统水中杂质浓度 为了避免水中杂质浓度 持续升高 造成系统的危害 所以必须藉由炉水的连续冲放将杂质排放 一般高压蒸汽锅炉的连续冲放水 都是由汽鼓或泥鼓中引出的高温饱和 水 以汽鼓压力 152kg cm 2而言 其连续冲放水热焓高达 386 仟卡 公斤 这一 部份的热水一般设计是先将他送到闪汽槽 经由闪化的过程分为较低压力的饱 和蒸汽及饱和水 蒸汽回收供加热使用 此蒸汽通常是回收到脱氧器做为加热 蒸汽 至于低压饱和水 一般则经由排放槽 Blowdown tank 排放 实际上 这 一部份的热水热值仍然颇高 且水质比一般的工业水比较还好 应可充份回收 利用 所以除了可回收热能 还可以回收水质源 一举两得 5 节能改善案例 某厂将其 500T H 129kg cm 2 541 C 的锅炉连续冲放水 先经闪化槽闪化 后回收 7kg cm 2 的蒸汽 送到脱氧器 作为加热源 另外再将 7kg cm 2 的饱和 水 经由配管回收 作为排烟脱硫 FGD 的吸收剂氧化镁苛化成氢氧化镁制程的 热源及水源 实际投资配管等费用大约 10 万元 每小时可回收 7kg cm 2 172 C 的热水 230kg 如果以煤碳单价每公斤 1 2 元计算 每年则可节省 6 万元 回收年限为 1 6 年 其省能效益计算如下 172 25 kcal kg 230kg H 8 760H 年 302 220 000kcal 年 节省费用 302 220 000 kcal 年 6000 kcal kg 煤 1 2 元 kg 煤 60 444 元 年 回收年限 100 000 元 60 444 元 年 1 6 年 而如果再加上水质源的节省费用及废水排放的处理费用 其效益则更加卓 著 三 装设液压联轴器节省用电 一般锅炉在设置时 其相关的辅机设备 因考虑设备操作弹性及设备性能 衰退等因素 在购买时都会有相当的余裕 即安全系数 以风车为例 购置的 规格相较于设计需要 其风量通常会增加 15 风压则会增加 32 整体而言 马达增加了 52 的马力数 而在实际操作时 则常以风门开度调整 使风车运 转在实际所要的风量及风压 这样的操作控制模式 有很大一部份的风压是消秏在对系统没有帮助的半 开风门上 相对地就造成了电力的浪费 节能改善案例 6 某工厂 350T H 锅炉的平衡通风送风机上 其原来使用入口风门控制时 配 合燃烧调整 入口风门在全载时开度仅约 36 马达耗电量 524kW 经过改善 入口风门全开 以新增的液压联轴器来控制风车转速 以符合系统所需要的风 量风压 耗电量降到 434KW 节省 90kW 以 1 度电 1 5 元的平均单价计 每年 可以节省电力费用 118 万元 相较于投资购买液压联轴器等改善费用 384 万 元 回收年限为 3 2 年 所以相关大型辅机设备 例如引风机 锅炉给水泵 等 应都可评估安装液压联轴器的经济效益 本案省能效益估算如下 改善前马达运转电流 108A 相当于 524kW 马达效率及功率因素等以 0 85 计 3 3kV 108A 0 85 3 524kW 改善后马达运转电流 89A 相当于 434kW 马达效率及功率因素等以 0 85 计 3 3kV 89A 0 85 3 434kW 524kW 434kW 90kW 节省费用 90kW 1 5 元 kW 8 760h 年 1 182 600 元 年 回收年限 3 840 000 元 1 182 000 元 年 3 2 年 四 送风机加装变频器节省用电 上述案例一般应用在大型马达有良好实绩 但液压联轴器等设备 多为国外进口 投资费用较高 较不适合在小型风车 泵之改善 而 目前国产小型变频器之设置费用 实际应用之稳定度及节能效果均能 符合一般设备需求 下面提供之节能实例即是一般较小型的锅炉系统 送风机以变频调速控制 节省用电 节能改善案例 某工厂锅炉系统的 100hp 额定电流 231A 送风机 这一台送风 机原来使用出口风门控制 配合现场蒸汽需求 该锅炉大多以 78 7 负载运转 配合燃烧调整 经过调整出口风门 实际马达运转马力数 为 76hp 运转电流 180A 经过评估增设变频器改善 将出口风门全开 以新增的变频器控 制马达及风车转速 以符合系统所需要的风量风压 预估耗电量可降 到 64hp 节省 12hp 以 1 度电 1 5 元的平均单价计 每年可以节 省电力费用 12 万元 相较于投资购置变频器等改善费用 37 万元 3 1 年就可以回收 本案省能效益估算如下 改善前锅炉负载在 78 时 马达运转电 流 180A 相当于 76hp 马达效率及功率因素等以马达额定时之 97 计 100hp 180A 231A 0 97 76hp 使用变频器后改善后 预估马达转速为原转速之 80 时 即可提 供所需风量及风压 预估运转所需电力为 64hp 使用变频器降速运转 后 预估整体风车及马达效率降低为原转速之 80 0 80 3 100hp 80 64hp 76hp 64hp 12hp 9kW 节省费用 9kW 1 5 元 kW 8 760h 年 118 260 元 年 回收年限 370 000 元 118 200 元 年 3 1 年 五 烟管锅炉积油灰清理周期修订 一般烟管式锅炉于燃烧使用过程 会产生油灰 附着在烟管上会造成热传 效率不佳 排烟温度过高 浪费能源 目前各厂家多以时间周期配合锅炉定期 检修 进行各锅炉烟管积油灰清理 节能改善案例 8 某公司依各锅炉单位产汽耗油量统计资料分析 清理前后之产汽耗油量有 明显差异 最高可达 10 L 油 T 蒸汽 经检讨后 依各锅炉单位产汽耗油量 统计资料排定烟管清理时间 以确保锅炉效率 以产汽量 4T H 单位产汽耗油 量差异 10 L 油 T 蒸汽计算 每月可节省 20 万元 月 相较于清理工资 10 万元 次 仅需半个月即可回收 其省能效益计算如下 4T H 10 L 油 T720H 月 28 800 L 油 月 节省费用 28 8