福建省燃气锅炉分布与能效环保调查分析

2020-07-16张自丽

节能技术 2020年1期

张自丽

(福建省锅炉压力容器检验研究院,福建福州 350008)

目前，世界各国的煤、石油等能源消费比例逐步下降，天然气能源消费比例不断增加，与之配套的燃气锅炉设备需求也大规模增加[1]。据统计，国外一些发达国家供暖用锅炉中，燃气锅炉占较大比例，其中，美国约98%，俄罗斯约60%，日本约99%。随着国家环保要求的日益严格，人民生活水平的不断提高，国内燃气锅炉也得到了空前发展与应用[2-3]。一般来说，燃气热水锅炉排烟温度约为140～220 ℃，蒸汽锅炉在180℃以上，浪费了大量能源，因此，近年来，有关冷凝式燃气锅炉等节能技术的研究受到了广泛关注[4-5]；另外，随着国家环保政策的日益严格，适用于燃气锅炉的、高效的氮氧化物减排技术也不断涌现[6]。

福建省地处我国东南沿海，近年来，经济发展迅速，能源消耗与日俱增。为贯彻落实国家发改委等印发的《加快推进天然气利用的意见》(发改能源〔2017〕1217号)，进一步提高天然气在我省一次能源消费结构中的比例，建设清新福建，省经信委、省发改委等也于近期研究制定了《关于加快推进天然气利用的实施意见》，各地区也相继加快落实了国家和福建省有关天然气利用意见与政策。

截止到2019年初，福建省(除厦门)新建和改燃燃气锅炉共计1 452台，主要是10 t及以下小型燃气锅炉。根据相关工作任务，我院已基本完成了全省包括燃气锅炉在内的工业锅炉热效率全覆盖测试。《锅炉节能技术监督管理规程》(TSG G0002-2010，以下简称《锅规》)中规定，燃气锅炉大于 1.4 MW(2 t)的热效率限定值为 90%，目标值为94%；小于等于1.4 MW(2 t)的效率限定值为88%，目标值为92%。目前，全省广泛使用的燃气锅炉效率虽已达到80%以上，但距离国家标准限定值还有一定距离。另外，相比于煤炭等化石能源，天然气灰分、含硫量和含氮量均较低，使燃气锅炉烟气排放更易满足国家标准要求[7-9]，但在实际使用过程中，鉴于燃气锅炉低污染物排放等特性，福建省大多数燃用中小型燃气锅炉的企业未加装或只加装部分污染物排放与处理措施。为进一步细化并深入了解福建省燃气锅炉能效和环保设施运行水平，有必要对福建省现有燃气锅炉分布、热效率、污染物排放情况进行调查分析，相关研究成果可为福建省燃气锅炉能效与环保政策制定与实施提供基础数据与借鉴参考。

1 福建省燃气锅炉分布情况

1.1 燃气锅炉不同地区分布情况

截止到2019年初，福建省(除厦门)共有1452台燃气锅炉。为进一步因地制宜地落实好国家和地方政府相关政策，需掌握了解福建省不同地区燃气锅炉使用情况。根据行政区域划分，对不同地区燃气锅炉分布和使用情况进行了分析，结果如图1所示。不同地区燃气锅炉按台数大小进行排列的顺序为：泉州>漳州>福州>莆田>三明>龙岩>宁德>南平>平潭。从以上数据也可以看出，在一定程度上，受区域定位等因素影响，不同地区燃气锅炉使用情况也反映了该地区的经济发展状况。其中，泉州地区作为福建经济发展较为迅速、经济总量较大的地区，其燃气锅炉使用量也最大，占比603/1 452=41.53%；闽北和闽西北等地区，由于受地区因素等多方面影响，经济发展水平受限，燃气锅炉使用量也相应较少。

图1 福建不同地区燃气锅炉分布情况

从图1可知，福建燃气锅炉使用最多的三个地区为泉州、漳州、福州。由图2～图4可知，泉州的晋江市、漳州的台商投资区、福州的福清市分别作为本地区经济较为发达的地区，其燃气锅炉使用量也在本地区占比最大，可见，燃气锅炉使用情况受区域定位和发展方向等因素影响较大。

图2 泉州地区燃气锅炉分布情况

图3 漳州地区燃气锅炉分布情况

图4 福州地区燃气锅炉分布情况

1.2 燃气锅炉不同吨位分布情况

为进一步了解福建燃气锅炉蒸吨分布情况，对全省燃气锅炉吨位分布进行了分析。结果表明，10 t及以下燃气锅炉1 419台，占比97.73%。具体来说，大于1 t小于等于2 t燃气锅炉占比最大，为38.15%；1 t及以下占比21.07%；4～5 t燃气锅炉占比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，福建燃气锅炉主要是10 t及以下小型燃气锅炉。

1.3 燃气锅炉不同燃烧方式分布情况

为了解福建燃气锅炉燃烧方式分布情况，对燃气锅炉不同型号进行了分析。结果表明，福建燃气锅炉燃烧方式主要是室燃，占比99.86%，其中，卧式内燃室燃炉(WNS)1 447台，占比99.66%；双锅筒纵置式室燃炉(SZS)2台，占比0.14%；立式水管室燃炉(LSS)1台，占比0.07%。燃油/气有机热载体锅炉立式(YYL)和卧式(YYW)各1台，分别占比0.07%。

2 全省燃气锅炉热效率分析

2.1 全省燃气锅炉热效率达标情况分析

根据《锅规》中有关不同吨位燃气锅炉热效率限定值90%的规定，全省已测试并完成报告出具的燃气锅炉中，锅炉热效率达到或高于限定值90%的占比为78.48%，锅炉热效率符合或高于限定值的占比19.16%，即全省燃气锅炉热效率达标率为97.64%，未达标比例为2.36%。

福建已测试燃气锅炉热效率达标情况包括热效率达到/高于限定值和达到限定值90%两种情况。为了解各地区已测试燃气锅炉热效率达标情况，对各地区燃气锅炉热效率达标情况进行了具体分析。宁德地区燃气锅炉热效率100%达到或高于标准限定值；莆田、龙岩、漳州和福州燃气锅炉达标或高于标准限定值占比分别为75.00%、38.64%、29.52%和27.05%。在测试过程中发现，燃气锅炉普遍存在过量空气系数或排烟温度不符合《锅规》要求的情况，另外，在未达标燃气锅炉中，存在尾气CO严重超标现象，因此，通过燃气锅炉节能改造，福建燃气锅炉热效率仍有很大提升空间。

2.2 福建燃气锅炉热效率达标率分析

为分析不同地区燃气锅炉达标率情况，对燃气锅炉达标率进行了计算。由于各地区燃气锅炉分布和使用情况不同，并且各地区燃气锅炉热效率测试任务完成情况各不相同，因此，达标率定义为

(1)

式中ri——i地区燃气锅炉热效率达标率；

ωi——i地区燃气锅炉热效率达标台数/台；

ti——i地区燃气锅炉分布台数/台；

ni——i地区燃气锅炉热效率未测试台数/台。

结果表明，各地区已测试燃气锅炉热效率达标率均在90%以上，其中，莆田和龙岩燃气锅炉热效率达标率100%，其他地区燃气锅炉热效率仍存在提升空间。福建现有29台燃油(气)锅炉改燃生物质锅炉，已完成18台改燃生物质锅炉热效率测试，根据《锅规》第1号修改单中燃生物质锅炉热效率指标(80%)的要求，锅炉热效率达标率为100%，但排烟温度与过量空气系数均符合《锅规》要求的仅有4台，需进一步提高燃油(气)锅炉改燃生物质锅炉热效率。

3 燃气锅炉热效率影响因素与提高措施

3.1 热效率影响因素

燃气锅炉热效率η反平衡计算式如公式(2)所示

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6)

(2)

式中q2——排烟热损失/[%]；

q3——气体不完全燃烧热损失/[%]；

q4——固体不完全燃烧热损失/[%]；

q5——散热损失/[%]；

q6——灰渣物理热损失/[%]。

由于燃气锅炉气体燃料燃烧时，一般不存在固体可燃物不完全燃烧现象，q4可认为等于零；并且燃气锅炉含灰量很小，q6也可以忽略不计[4-5,10]。可见，燃气锅炉热效率影响因素主要为排烟热损失q2，气体不完全燃烧热损失q3和散热损失q5[11-12]。排烟热损失的主要影响因素为排烟温度和排烟体积，气体不完全燃烧热损失的主要影响因素为燃烧器燃烧效率，散热损失涉及大气温度、风速度、围墙结构保温情况、散热面积大小与形状、锅炉额定容量和运行负荷等多方面因素[13]。因此，可从以上三方面降低热损失，进一步提高燃气锅炉热效率。

3.2 热效率提高措施

在福建省能效全覆盖测试工作中发现，全省已运行的燃气锅炉普遍存在排烟温度过高、过量空气系数过大、CO超标排放等问题。为进一步提高燃气锅炉热效率，改善燃气锅炉燃烧状况，从排烟温度、排烟体积、过量空气系数等角度分析研究适宜福建本省的燃气锅炉热效率提高措施。

3.2.1 排烟温度和排烟体积

在燃气锅炉运行过程中，其热损失主要受排烟温度和排烟体积的影响，因此，从排烟温度和排烟体积角度考虑，提高燃气锅炉热效率的措施主要有[14]：(1)加装烟气冷凝余热回收等尾部节能装置，降低排烟温度和排烟体积；(2)更换换热器，改善换热器工况，优化换热器热交换效果，降低排烟温度；(3)安装省煤器等烟气热交换装置，利用烟气加热燃烧气体，使燃料与烟气能在传热温差下换热，降低排烟温度；(4)做好锅炉水质软化处理，减少锅炉给水结垢，改善受热面传热性能，提高燃料利用效率；(5)加强锅炉吹灰，缩短吹灰间隔，减少受热面积灰、结垢，加强日常检修与维护，确保锅炉各受热面清洁等。

3.2.2 过量空气系数

众所周知，过量空气系数(α)是保证锅炉高效经济运行的一个重要技术指标[15]。过大α不仅降低炉温，使燃烧恶化，增加烟气排放和排烟热损失，降低锅炉热效率，也使风机电耗和厂用电率增加；太小α不能保证燃料充分燃烧，增大气体不完全燃烧热损失。因此，建议根据锅炉负荷变化，及时调整风量，促使过量空气系数在合理范围内，并且在保证燃料完全燃烧的情况下，尽量降低过量空气系数，使排烟热损失最小，热效率最高。

由于锅炉额定出力越小、运行负荷越低，炉表散热损失就越大，因此，针对福建大部分为小型燃气锅炉的现状，还建议做好锅炉保温工作，降低散热损失，同时还需加强人员操作与节能运行维护的意识与水平。

4 燃气锅炉污染物排放与控制措施

天然气为清洁燃料，硫含量很低，硫氧化物可忽略不计；燃气锅炉含灰量很小，灰分也可忽略不计。虽然天然气中氮元素含量很少，燃烧所产生的燃料型NOx浓度很低，但燃气锅炉烟气中仍存在一定量的NOx，主要是热力型NOx和快速型NOx。燃气或空气进口温度、燃烧温度和压力参数较高时，热力型NOx占主导；温度较低或富燃料的扩散火焰条件下，快速型NOx占主导[16]。根据燃气锅炉污染物生成及排放特点，全省大部分燃气锅炉无脱硫措施；为降低NOx排放，部分锅炉加装低氮燃烧器等NOx控制设备。目前，全省尚未完全开展燃气锅炉污染物测试工作，因此，将参考其他地区燃气锅炉NOx等污染物排放情况，分析燃气锅炉NOx减排措施。

目前，控制锅炉NOx排放的技术措施主要分两类[17-18]：一是控制NOx的生成，即通过缩小最高燃烧温度的区域范围，降低燃烧峰值温度等来减少NOx生成，主要技术有：低氮燃烧器、烟气再循环、燃气全预混燃烧等；二是烟气脱硝等锅炉尾部NOx控制排放技术。

低氮燃烧器利用分段燃烧、分隔火焰燃烧、燃气与空气预混燃烧等技术控制NOx浓度，该技术适用于容量在14 MW(20 t)以下的锅炉；烟气再循环即利用低过量空气系数下，燃气燃烧产生的CO和碳氢挥发物与烟气中的NO发生化学反应，将NO还原成N2，这种方法对容量在14 MW(20 t)以上的锅炉效果明显；燃气全预混燃烧是指燃气在燃烧器前与足够的空气进行充分混合，在燃烧的过程中不需再供给空气的燃烧方式，该方法在很小的过量空气系数下(通常α=1.05～1.1)，使燃气达到完全燃烧，几乎不存在化学不完全燃烧现象，并且，由于燃烧产物在燃烧区域停留时间极为短暂，可有效降低NOx排放[19-20]。目前，普遍应用的烟气脱硝技术主要有选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction, SCR)和选择性非催化还原(Selective Non-catalytic Reduction, SNCR)。将烟气脱硝技术与余热回收技术联合使用，在降低NOx排放浓度的同时，实现烟气余热的回收利用[21-22]。一般来说，由于经济成本等因素的影响，烟气脱硝较适用于大型锅炉尾部烟气NOx脱除。

由于福建本省主要是10 t及以下小型燃气锅炉，而烟气脱硝投资较大，因此，从NOx控制效果、设备投资与运行费用等角度考虑，较适宜本省的燃气锅炉NOx控制技术主要包括：一是合理优化燃料与助燃空气的混合过程，控制炉膛局部高温，减少热力型NOx生成；二是通过加装低氮燃烧器等降低NOx生成。