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锅炉系统能源查核及节约能源案例手册目录摘要一、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BFPM冷凝水槽除氧櫃D/A供汽至製程使用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(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10100～11000kcal/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(CokeOven)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(CityGas)。(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(PropaneGas)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(InflammableMixture)，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(DewPoint)，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(WaterVapor)之分压力(PartialPressure)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(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ASMECODE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