影响燃气锅炉热效率的主要因素研究

李壮男

摘要：传统燃气锅炉的排烟温度一般都比较高，可达200℃左右，没有充分利用烟气中的潜热，因此锅炉的平均热效率不是很高，造成了能量的巨大损失。燃气冷凝锅炉是采用冷凝技术的燃气式锅炉，如果将锅炉排烟温度降低到足够低的水平，那么烟气中呈过热状态的水蒸气就会发生冷凝，通过回收水蒸气的汽化潜热，燃气冷凝锅炉的热效率将有明显的提升。燃气冷凝锅炉减少了锅炉排烟热损失，按低位发热量计算，热效率可以超过100%。

关键词：燃气锅炉；热效率；排烟温度；过量空气系数；回水温度

引言

在环境污染越来越严重以及能源形势每况愈下的世界大背景下，开发和有效利用各类能源尤其是天然气能源，已经成为我国能源战略的重要内容。同时，人类社会在高速发展的同时也对环境保护有了更高的要求，相对清洁无污染的天然气能源在各类工业设备尤其是锅炉设备上得到了越来越多的使用，取而代之了传统的燃煤锅炉。由于天然气的价格，使用天然气为能源的锅炉运行成本要比使用动力煤的高，因而提升锅炉热效率，如何有效降低锅炉各项热损失，就成为关键一环。

1影响燃气锅炉效率的主要因素

1.1排烟热损失q2

在工作中对锅炉进行的热工测试的实际结果来看，燃气锅炉燃烧所产生的各项热损失中，排烟热损失q2占到了总热损失的50%以上。判断排烟热损失大小的重要参数为锅炉的排烟温度以及排烟量。显而易见，排出去的烟气量越大且温度越高，则烟气带走的热量就越多，锅炉排烟热损失也就越大，随之而来的就是锅炉效率的降低，经实验得出，通常情况下，排烟温度每升高10℃，锅炉热效率下降0.5~0.8个百分点。排烟热损失高的原因分析：燃气压力高，燃烧火焰长。燃气压力高，燃烧火焰过长，烟气流速过快，减少高温烟气在火管内停留时间和换热时间，锅炉排烟温度随之升高，增加排烟热损失；燃烧调整不良，燃气与空气配比不合理，导致送风量过大，锅炉排烟量增加，锅炉排烟热损失随之升高；炉膛、火管、过热器、烟气余热换热器等管束内外部结垢积灰，换热量变小，锅炉排烟温度升高，排烟热损失增加；锅炉长时间高负荷运行。因为每台锅炉的炉膛和烟道容积是固定的，当锅炉满负荷运行时，输入燃料及空气量增加，排烟压力和排烟量也随之增加，高温烟气在炉膛内停留换热时间减少，且因烟气量过大，烟气流速和烟温大于正常值，造成排烟热损失增加，锅炉效率降低。

1.2气体不完全燃烧损失q4

天然气的主要燃烧成分是CH₄，当天然气与空气配比不合适时，会产生不完全燃烧，最显著的特征是产生一氧化碳（CO），由于一氧化碳很难被检测到，但经实验发现，一旦发生天然气不完整燃烧，炉膛内的火焰会发黄且长度变长，内焰模糊。实验得到，燃气锅炉不完全燃烧的热损失约为0.5%~1.0%。如果燃烧状况持续恶化或得不到及时调整，不完全燃烧热损失还会逐渐提高。

1.2.1不完全燃烧产生的原因

一是送风量小。燃气与送风机送入的空气在锅炉燃烧器喷嘴位置混合、升温后剧烈燃烧，同时放出大量热量。若送风机送入的空气量不足或因风量调节挡板调节不良，导致锅炉送风量减小，造成不完全燃烧。二是排烟不畅。通常情况下烟道的烟压不得大于20mbar（微正压燃烧燃气锅炉），若烟压过大，则会造成燃烧不完全。无论何种原因，造成烟气排出不畅，烟气就会在火焰周围积聚，阻碍燃气与空气充分混合，造成不完全燃烧。三是锅炉炉膛中高温烟气气流组织、运动状态不好（对于火管锅炉，燃烧火焰应为圆形），燃料和空气不能良好混合，造成不完全燃烧。四是炉膛容积不够或火焰充满度差,燃料在炉膛内停留的时间过短,没有足够的时间完成燃烧过程就被带出炉膛，造成不完全燃烧。

1.2.2不完全燃烧的危害

一是部分燃气未参与燃烧就随烟气排至大气中，增加锅炉燃气耗量，降低锅炉热效率。二是燃气不完全燃烧时生成大量CO，CO毒性强，且易燃易爆，严重危害锅炉运行安全。三是产生碳黑。燃气受热分解产生的微小固体碳粒未完全燃烧就被高温烟气带着，产生碳烟。碳烟的产生不仅造成能量损失，而且会污染环境。

1.3排烟温度对热效率的影响

当燃气锅炉的排烟温度低于对应压力下的水蒸气饱和温度时，会有部分水蒸气从烟气中凝结为水并释放出汽化潜热，如果通过余热回收装置将这部分汽化潜热加以回收利用，则可以提高锅炉的热效率。

在排烟温度120℃降到70℃时，烟气温度低于其露点温度，处于冷凝段。将排烟温度降到55℃时，冷凝热回收效果明显，锅炉热效率变化较剧烈，低位热效率出现大于100%的情况；而当排烟温度从55℃降低到40℃后，热效率变化较为缓慢。这种变化的拐点温度为40℃，因此当烟气温度降到40℃左右时，再降低烟气温度，回收烟气潜热提高锅炉效率的效果将不是很明显。

2降低锅炉热损失的方法

2.1降低锅炉排污热损失的方法

一是严格控制锅炉给水品质，有条件的企业可使用全脱盐水作为锅炉给水，控制给水碱度在较低值，同时使炉水碱度在较高值，排污量便可减低。二是根据锅炉炉水实际状况，设定自动定期、定量精准排污，减少不必要的排污量，降低排污热损失。但同时不可因为减少排污就使得炉水水质恶化，必须定期化验给水、炉水的水质变化情况，保证锅炉相关水质合格。三是定期排污根据锅炉运行规律及碱度大小变化尽量设定在低负荷、高汽压情况下进行。四是通过测量锅炉炉水含盐浓度或炉水电导率控制连续排污阀，将连续排污量控制在最低限度，从而大大降低排污引起的热损失。五是设置定期排污及连续排污扩容器。将炉水降压后产生的闪蒸汽和高温水分开并加以利用，回收排污损失热量。闪蒸汽一般通过除氧器用于给水的除氧，而高温水通过换热器加热给水回收热量。

2.2合理降低锅炉排烟热损失的方法

一是合理配置与运行燃烧器。在保证天然气能够完全燃烧的基础上，尽可能降低烟气氧含量，燃气锅炉标准的氧含量为3.5%，随着氧含量的减少就能有效降低过剩空气系数，使排烟气量降低。在实际运行过程中，根据使用需求，配置合理燃烧器，必须严格遵循流程进行运行调试，使燃烧器与锅炉设备的结构特点、天然气压力、组成结构等特性相匹配，确保火焰充满炉膛，燃料充分燃烧，并在炉膛、烟管内有足够停留和换热时间。二是锅炉排烟道加装余热回收换热器，并且可以使用多级换热器进行余热回收，高温级换热器利用除氧水作为换热介质，除氧水与高温烟气进行换热，使得烟气温度降低，吸收水蒸气凝结成水所放出的汽化潜热。低温级换热器利用除盐水作为换热介质，除盐水与低温烟气进行换热，再次吸收利用烟气余热降低烟气温度。三是使燃气锅炉运行在经济负荷区间内，该区间一般都在负荷75%~95%，因此在燃气锅炉运行过程中，必须要合理控制锅炉负荷，尽量避免锅炉在满负荷或低负荷工况下长期运转。

结语

燃气锅炉效率的提高主要是由于吸收烟气中的汽化潜热，但当回水温度低于30℃后，热效率提升速度明显变缓，研究结果表明将冷凝锅炉回水温度控制在30~40℃范围内比较理想。

参考文献

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