張自麗

(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院,福建 福州 350008)

目前，世界各國的煤、石油等能源消費比例逐步下降，天然氣能源消費比例不斷增加，與之配套的燃氣鍋爐設備需求也大規(guī)模增加[1]。據(jù)統(tǒng)計，國外一些發(fā)達國家供暖用鍋爐中，燃氣鍋爐占較大比例，其中，美國約98%，俄羅斯約60%，日本約99%。隨著國家環(huán)保要求的日益嚴格，人民生活水平的不斷提高，國內燃氣鍋爐也得到了空前發(fā)展與應用[2-3]。一般來說，燃氣熱水鍋爐排煙溫度約為140～220 ℃，蒸汽鍋爐在180℃以上，浪費了大量能源，因此，近年來，有關冷凝式燃氣鍋爐等節(jié)能技術的研究受到了廣泛關注[4-5]；另外，隨著國家環(huán)保政策的日益嚴格，適用于燃氣鍋爐的、高效的氮氧化物減排技術也不斷涌現(xiàn)[6]。

福建省地處我國東南沿海，近年來，經濟發(fā)展迅速，能源消耗與日俱增。為貫徹落實國家發(fā)改委等印發(fā)的《加快推進天然氣利用的意見》(發(fā)改能源〔2017〕1217號)，進一步提高天然氣在我省一次能源消費結構中的比例，建設清新福建，省經信委、省發(fā)改委等也于近期研究制定了《關于加快推進天然氣利用的實施意見》，各地區(qū)也相繼加快落實了國家和福建省有關天然氣利用意見與政策。

截止到2019年初，福建省(除廈門)新建和改燃燃氣鍋爐共計1 452臺，主要是10 t及以下小型燃氣鍋爐。根據(jù)相關工作任務，我院已基本完成了全省包括燃氣鍋爐在內的工業(yè)鍋爐熱效率全覆蓋測試。《鍋爐節(jié)能技術監(jiān)督管理規(guī)程》(TSG G0002-2010，以下簡稱《鍋規(guī)》)中規(guī)定，燃氣鍋爐大于 1.4 MW(2 t)的熱效率限定值為 90%，目標值為94%；小于等于1.4 MW(2 t)的效率限定值為88%，目標值為92%。目前，全省廣泛使用的燃氣鍋爐效率雖已達到80%以上，但距離國家標準限定值還有一定距離。另外，相比于煤炭等化石能源，天然氣灰分、含硫量和含氮量均較低，使燃氣鍋爐煙氣排放更易滿足國家標準要求[7-9]，但在實際使用過程中，鑒于燃氣鍋爐低污染物排放等特性，福建省大多數(shù)燃用中小型燃氣鍋爐的企業(yè)未加裝或只加裝部分污染物排放與處理措施。為進一步細化并深入了解福建省燃氣鍋爐能效和環(huán)保設施運行水平，有必要對福建省現(xiàn)有燃氣鍋爐分布、熱效率、污染物排放情況進行調查分析，相關研究成果可為福建省燃氣鍋爐能效與環(huán)保政策制定與實施提供基礎數(shù)據(jù)與借鑒參考。

1 福建省燃氣鍋爐分布情況

1.1 燃氣鍋爐不同地區(qū)分布情況

截止到2019年初，福建省(除廈門)共有1452臺燃氣鍋爐。為進一步因地制宜地落實好國家和地方政府相關政策，需掌握了解福建省不同地區(qū)燃氣鍋爐使用情況。根據(jù)行政區(qū)域劃分，對不同地區(qū)燃氣鍋爐分布和使用情況進行了分析，結果如圖1所示。不同地區(qū)燃氣鍋爐按臺數(shù)大小進行排列的順序為：泉州>漳州>福州>莆田>三明>龍巖>寧德>南平>平潭。從以上數(shù)據(jù)也可以看出，在一定程度上，受區(qū)域定位等因素影響，不同地區(qū)燃氣鍋爐使用情況也反映了該地區(qū)的經濟發(fā)展狀況。其中，泉州地區(qū)作為福建經濟發(fā)展較為迅速、經濟總量較大的地區(qū)，其燃氣鍋爐使用量也最大，占比603/1 452=41.53%；閩北和閩西北等地區(qū)，由于受地區(qū)因素等多方面影響，經濟發(fā)展水平受限，燃氣鍋爐使用量也相應較少。

圖1 福建不同地區(qū)燃氣鍋爐分布情況

從圖1可知，福建燃氣鍋爐使用最多的三個地區(qū)為泉州、漳州、福州。由圖2～圖4可知，泉州的晉江市、漳州的臺商投資區(qū)、福州的福清市分別作為本地區(qū)經濟較為發(fā)達的地區(qū)，其燃氣鍋爐使用量也在本地區(qū)占比最大，可見，燃氣鍋爐使用情況受區(qū)域定位和發(fā)展方向等因素影響較大。

圖2 泉州地區(qū)燃氣鍋爐分布情況

圖3 漳州地區(qū)燃氣鍋爐分布情況

圖4 福州地區(qū)燃氣鍋爐分布情況

1.2 燃氣鍋爐不同噸位分布情況

為進一步了解福建燃氣鍋爐蒸噸分布情況，對全省燃氣鍋爐噸位分布進行了分析。結果表明，10 t及以下燃氣鍋爐1 419臺，占比97.73%。具體來說，大于1 t小于等于2 t燃氣鍋爐占比最大，為38.15%；1 t及以下占比21.07%；4～5 t燃氣鍋爐占比16.94%；大于5 t小于等于6 t占比9.02%；8～10 t占比5.79%；10 t以上占比不足3%。因此，福建燃氣鍋爐主要是10 t及以下小型燃氣鍋爐。

1.3 燃氣鍋爐不同燃燒方式分布情況

為了解福建燃氣鍋爐燃燒方式分布情況，對燃氣鍋爐不同型號進行了分析。結果表明，福建燃氣鍋爐燃燒方式主要是室燃，占比99.86%，其中，臥式內燃室燃爐(WNS)1 447臺，占比99.66%；雙鍋筒縱置式室燃爐(SZS)2臺，占比0.14%；立式水管室燃爐(LSS)1臺，占比0.07%。燃油/氣有機熱載體鍋爐立式(YYL)和臥式(YYW)各1臺，分別占比0.07%。

2 全省燃氣鍋爐熱效率分析

2.1 全省燃氣鍋爐熱效率達標情況分析

根據(jù)《鍋規(guī)》中有關不同噸位燃氣鍋爐熱效率限定值90%的規(guī)定，全省已測試并完成報告出具的燃氣鍋爐中，鍋爐熱效率達到或高于限定值90%的占比為78.48%，鍋爐熱效率符合或高于限定值的占比19.16%，即全省燃氣鍋爐熱效率達標率為97.64%，未達標比例為2.36%。

福建已測試燃氣鍋爐熱效率達標情況包括熱效率達到/高于限定值和達到限定值90%兩種情況。為了解各地區(qū)已測試燃氣鍋爐熱效率達標情況，對各地區(qū)燃氣鍋爐熱效率達標情況進行了具體分析。寧德地區(qū)燃氣鍋爐熱效率100%達到或高于標準限定值；莆田、龍巖、漳州和福州燃氣鍋爐達標或高于標準限定值占比分別為75.00%、38.64%、29.52%和27.05%。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，燃氣鍋爐普遍存在過量空氣系數(shù)或排煙溫度不符合《鍋規(guī)》要求的情況，另外，在未達標燃氣鍋爐中，存在尾氣CO嚴重超標現(xiàn)象，因此，通過燃氣鍋爐節(jié)能改造，福建燃氣鍋爐熱效率仍有很大提升空間。

2.2 福建燃氣鍋爐熱效率達標率分析

為分析不同地區(qū)燃氣鍋爐達標率情況，對燃氣鍋爐達標率進行了計算。由于各地區(qū)燃氣鍋爐分布和使用情況不同，并且各地區(qū)燃氣鍋爐熱效率測試任務完成情況各不相同，因此，達標率定義為

(1)

式中ri——i地區(qū)燃氣鍋爐熱效率達標率；

ωi——i地區(qū)燃氣鍋爐熱效率達標臺數(shù)/臺；

ti——i地區(qū)燃氣鍋爐分布臺數(shù)/臺；

ni——i地區(qū)燃氣鍋爐熱效率未測試臺數(shù)/臺。

結果表明，各地區(qū)已測試燃氣鍋爐熱效率達標率均在90%以上，其中，莆田和龍巖燃氣鍋爐熱效率達標率100%，其他地區(qū)燃氣鍋爐熱效率仍存在提升空間。福建現(xiàn)有29臺燃油(氣)鍋爐改燃生物質鍋爐，已完成18臺改燃生物質鍋爐熱效率測試，根據(jù)《鍋規(guī)》第1號修改單中燃生物質鍋爐熱效率指標(80%)的要求，鍋爐熱效率達標率為100%，但排煙溫度與過量空氣系數(shù)均符合《鍋規(guī)》要求的僅有4臺，需進一步提高燃油(氣)鍋爐改燃生物質鍋爐熱效率。

3 燃氣鍋爐熱效率影響因素與提高措施

3.1 熱效率影響因素

燃氣鍋爐熱效率η反平衡計算式如公式(2)所示

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6)

(2)

式中q2——排煙熱損失/[%]；

q3——氣體不完全燃燒熱損失/[%]；

q4——固體不完全燃燒熱損失/[%]；

q5——散熱損失/[%]；

q6——灰渣物理熱損失/[%]。

由于燃氣鍋爐氣體燃料燃燒時，一般不存在固體可燃物不完全燃燒現(xiàn)象，q4可認為等于零；并且燃氣鍋爐含灰量很小，q6也可以忽略不計[4-5,10]?？梢姡細忮仩t熱效率影響因素主要為排煙熱損失q2，氣體不完全燃燒熱損失q3和散熱損失q5[11-12]。排煙熱損失的主要影響因素為排煙溫度和排煙體積，氣體不完全燃燒熱損失的主要影響因素為燃燒器燃燒效率，散熱損失涉及大氣溫度、風速度、圍墻結構保溫情況、散熱面積大小與形狀、鍋爐額定容量和運行負荷等多方面因素[13]。因此，可從以上三方面降低熱損失，進一步提高燃氣鍋爐熱效率。

3.2 熱效率提高措施

在福建省能效全覆蓋測試工作中發(fā)現(xiàn)，全省已運行的燃氣鍋爐普遍存在排煙溫度過高、過量空氣系數(shù)過大、CO超標排放等問題。為進一步提高燃氣鍋爐熱效率，改善燃氣鍋爐燃燒狀況，從排煙溫度、排煙體積、過量空氣系數(shù)等角度分析研究適宜福建本省的燃氣鍋爐熱效率提高措施。

3.2.1 排煙溫度和排煙體積

在燃氣鍋爐運行過程中，其熱損失主要受排煙溫度和排煙體積的影響，因此，從排煙溫度和排煙體積角度考慮，提高燃氣鍋爐熱效率的措施主要有[14]：(1)加裝煙氣冷凝余熱回收等尾部節(jié)能裝置，降低排煙溫度和排煙體積；(2)更換換熱器，改善換熱器工況，優(yōu)化換熱器熱交換效果，降低排煙溫度；(3)安裝省煤器等煙氣熱交換裝置，利用煙氣加熱燃燒氣體，使燃料與煙氣能在傳熱溫差下?lián)Q熱，降低排煙溫度；(4)做好鍋爐水質軟化處理，減少鍋爐給水結垢，改善受熱面?zhèn)鳠嵝阅?，提高燃料利用效率?5)加強鍋爐吹灰，縮短吹灰間隔，減少受熱面積灰、結垢，加強日常檢修與維護，確保鍋爐各受熱面清潔等。

3.2.2 過量空氣系數(shù)

眾所周知，過量空氣系數(shù)(α)是保證鍋爐高效經濟運行的一個重要技術指標[15]。過大α不僅降低爐溫，使燃燒惡化，增加煙氣排放和排煙熱損失，降低鍋爐熱效率，也使風機電耗和廠用電率增加；太小α不能保證燃料充分燃燒，增大氣體不完全燃燒熱損失。因此，建議根據(jù)鍋爐負荷變化，及時調整風量，促使過量空氣系數(shù)在合理范圍內，并且在保證燃料完全燃燒的情況下，盡量降低過量空氣系數(shù)，使排煙熱損失最小，熱效率最高。

由于鍋爐額定出力越小、運行負荷越低，爐表散熱損失就越大，因此，針對福建大部分為小型燃氣鍋爐的現(xiàn)狀，還建議做好鍋爐保溫工作，降低散熱損失，同時還需加強人員操作與節(jié)能運行維護的意識與水平。

4 燃氣鍋爐污染物排放與控制措施

天然氣為清潔燃料，硫含量很低，硫氧化物可忽略不計；燃氣鍋爐含灰量很小，灰分也可忽略不計。雖然天然氣中氮元素含量很少，燃燒所產生的燃料型NOx濃度很低，但燃氣鍋爐煙氣中仍存在一定量的NOx，主要是熱力型NOx和快速型NOx。燃氣或空氣進口溫度、燃燒溫度和壓力參數(shù)較高時，熱力型NOx占主導；溫度較低或富燃料的擴散火焰條件下，快速型NOx占主導[16]。根據(jù)燃氣鍋爐污染物生成及排放特點，全省大部分燃氣鍋爐無脫硫措施；為降低NOx排放，部分鍋爐加裝低氮燃燒器等NOx控制設備。目前，全省尚未完全開展燃氣鍋爐污染物測試工作，因此，將參考其他地區(qū)燃氣鍋爐NOx等污染物排放情況，分析燃氣鍋爐NOx減排措施。

目前，控制鍋爐NOx排放的技術措施主要分兩類[17-18]：一是控制NOx的生成，即通過縮小最高燃燒溫度的區(qū)域范圍，降低燃燒峰值溫度等來減少NOx生成，主要技術有：低氮燃燒器、煙氣再循環(huán)、燃氣全預混燃燒等；二是煙氣脫硝等鍋爐尾部NOx控制排放技術。

低氮燃燒器利用分段燃燒、分隔火焰燃燒、燃氣與空氣預混燃燒等技術控制NOx濃度，該技術適用于容量在14 MW(20 t)以下的鍋爐；煙氣再循環(huán)即利用低過量空氣系數(shù)下，燃氣燃燒產生的CO和碳氫揮發(fā)物與煙氣中的NO發(fā)生化學反應，將NO還原成N2，這種方法對容量在14 MW(20 t)以上的鍋爐效果明顯；燃氣全預混燃燒是指燃氣在燃燒器前與足夠的空氣進行充分混合，在燃燒的過程中不需再供給空氣的燃燒方式，該方法在很小的過量空氣系數(shù)下(通常α=1.05～1.1)，使燃氣達到完全燃燒，幾乎不存在化學不完全燃燒現(xiàn)象，并且，由于燃燒產物在燃燒區(qū)域停留時間極為短暫，可有效降低NOx排放[19-20]。目前，普遍應用的煙氣脫硝技術主要有選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction, SCR)和選擇性非催化還原(Selective Non-catalytic Reduction, SNCR)。將煙氣脫硝技術與余熱回收技術聯(lián)合使用，在降低NOx排放濃度的同時，實現(xiàn)煙氣余熱的回收利用[21-22]。一般來說，由于經濟成本等因素的影響，煙氣脫硝較適用于大型鍋爐尾部煙氣NOx脫除。

由于福建本省主要是10 t及以下小型燃氣鍋爐，而煙氣脫硝投資較大，因此，從NOx控制效果、設備投資與運行費用等角度考慮，較適宜本省的燃氣鍋爐NOx控制技術主要包括：一是合理優(yōu)化燃料與助燃空氣的混合過程，控制爐膛局部高溫，減少熱力型NOx生成；二是通過加裝低氮燃燒器等降低NOx生成。

5 結論

截止到2019年初，福建省(除廈門)新建和改燃燃氣鍋爐共計1452臺，主要是10 t及以下小型燃氣鍋爐。全省不同地區(qū)燃氣鍋爐按臺數(shù)大小進行排列為：泉州>漳州>福州>莆田>三明>龍巖>寧德>南平>平潭。

(1)全省已測試燃氣鍋爐熱效率達標率為97.64%，各地區(qū)已測試燃氣鍋爐熱效率達標率均在90%以上。全省已運行燃氣鍋爐存在排煙溫度過高、過量空氣系數(shù)過大、CO超標排放等問題，可通過加裝煙氣冷凝余熱回收、優(yōu)化換熱器性能、做好鍋爐水質軟化處理、加強鍋爐吹灰等措施提高鍋爐熱效率；

(2)全省大部分燃氣鍋爐無脫硫措施；部分加裝低氮燃燒等NOx控制設備；可通過優(yōu)化爐內燃燒工況，加裝低氮燃燒器、煙氣再循環(huán)或全預混表面燃燒等技術降低NOx生成與排放。