锅炉用醇基液体燃料燃烧性能分析

孔永平　赵军　白航标　樊新丽　李文甲

摘 要：随着全球石化资源的日益枯竭，替代传统石化能源的新能源的开发和利用迫在眉睫。本研究通过调配符合国家标准的醇基燃料，进行醇基燃料锅炉的试烧，在取暖期采用醇基燃料做供暖试验。试验数据表明，醇基燃料锅炉热效率高，而且颗粒物、二氧化硫等废气排放物也符合国家相关规定。因此，醇基燃料是一种可持续发展的清洁燃料。

关键词：醇基燃料;锅炉;燃烧性能

中图分类号：TQ517 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）29-0127-03

Analysis on the Combustion Performance of Alcohol-Based

Liquid Fuel for Boiler

KONG Yongping ZHAO Jun BAI Hangbiao FAN Xinli LI Wenjia

（1.Henan Yulong Science and Technology Research Institute Co. LTD，Zhengzhou Henan 450001;

2.Tianjin University，Tianjin 300000）

Abstract： With the increasing depletion of global petrochemical resources， the development and utilization of new energy sources to replace traditional petrochemical energy sources is imminent. Through the deployment of alcohol-based fuels that meet the national standards， this research conducts a trial burning of alcohol-based fuel boilers， and uses alcohol-based fuels for heating tests during the heating period. The test data shows that the alcohol-based fuel boiler has high thermal efficiency， and the exhaust emissions such as particulate matter and sulfur dioxide also meet the relevant national regulations， it is a clean fuel worthy of sustainable development.

Keywords： alcohol-based fuel;boiler;combustion performance

溫室效应和大气污染是我国能源领域目前面临的重要挑战。燃煤锅炉需要消耗大量煤炭来维持运行，燃烧期间产生大量二氧化碳，是造成冬季环境污染的原因之一。醇基燃料是一种新型清洁能源，其低碳性、清洁性及可循环利用性获得了广泛认可，被认为是后石油时代主力能源之一，对于缓解全球气候变暖具有重要意义[1]。醇基燃料也是一种生物质能，和可再生能源太阳能、风能一样，是政府大力倡导的环保洁净能源。

1 醇基燃料发展现状

中商产业研究院数据库显示，2010年以来我国工业锅炉产量持续增加。2016年全国工业锅炉产量为45 810.7蒸发量吨，2019年全国工业锅炉产量为50 441.1蒸发量吨，2020年全国工业锅炉产量为57 200.2蒸发量吨，同比增长13.4%。由以上数据可知，我国工业锅炉发展迅速。由于我国工业锅炉以燃煤为主，随着温室效应和大气污染的日益严重，政府大力倡导清洁能源的使用，开始大量淘汰小型燃煤锅炉。醇基燃料将会代替燃煤成为主力能源，具有可观的市场前景。

图1为2015—2021年中国甲醇有效产能及预测。从图1可知，截至2020年底，中国甲醇产能总和为9 854万t，去除一些失效产能417万t，有效产能总和为9 437万t。2021年是甲醇产能的投产高峰，且供给压力主要体现在2020年底到2021年上半年。在这种情况下，到2021年底，中国甲醇有效产能预计将达到10 575万t。可以看出，醇基燃料发展非常迅速。甲醇作为醇基燃料的主要成分，产能不断增加。在锅炉清洁能源改造中，醇基燃料环保性能非常好，燃烧产生的废气物较少，对空气的污染程度较低，对比天然气、液化气、汽柴油等其他燃料，醇基燃料具有明显优势。截至目前，在工业锅炉的改造中，国内很多企业都将醇基燃料当成首选燃料。

2 醇基燃料燃烧性能分析

2.1 醇基燃料的特性

醇基燃料是一种无色透明液体，有刺激性气味，是一种以甲醇为主要原料，在添加剂的作用下，按照科学工艺和配方制作成的新型混合燃料[2]。醇基燃料的热值一般介于20.1～26.0 MJ/kg，是一种低热值液体燃料。醇基燃料属于易燃物品，在与含有氧气成分的化学剂接触时会发生化学反应，还可能引起燃烧。虽然醇基燃料是一种相对环保的燃料，但其没有燃烧完全时会被吸入人体，导致甲醇在体内堆积且不易排出。随着空气的吸入，甲醇与氧气（空气中含有氧气）接触被氧化成甲醛和甲酸，二者都有毒性，会严重影响人体视力。《醇基液体燃料》（GB 16663—1996）对醇基燃料的标准进行了规定：醇基燃料的醇含量不能低于70%，低热值不能低于16 750 kJ/kg。在调配醇基燃料的过程中，添加烃类的芳烃含量不能超过40%，不能添加无机盐、卤代烃和硝基化合物[3]。由于醇基燃料是多种物质调配而成的混合燃料，国家标准对醇基燃料的主要成分作了明确规定，对含量较少的成分只进行了限制。

2.2 醇基燃料锅炉试烧

燃料的燃烧充分性、空中点火、排气冒烟等因素均能反映出燃料的燃烧性能。燃料燃烧越充分，点火速度越快，燃料燃烧性能就越好。燃料燃烧性能的好坏可以通过分析燃料雾化性和挥发性数据得出。其中，轻质馏分占比对醇基燃料的挥发性影响较大，占比越大，醇基燃料挥发越快，和空气混合得越好，醇基燃料燃烧就越完全，点火速度也相应加快[4];醇基燃料的黏度对燃料的雾化性影响较大，燃料黏度的好坏将会直接影响燃料的雾化，黏度越低，燃料雾化性越好，可以使燃料充分燃烧;苯环结构性质的芳香烃对燃料的燃烧性能影响较大，芳香烃在燃料中的成分占比过大，会导致燃烧不完全，进而产生很多有害物质，所以有必要控制燃料的芳香烃含量，这是研究清洁燃料的重要方法。因此，在調配醇基燃料时，要控制芳香烃含量，使芳香烃的质量分数低于5%。

试验所用原料如下：①甲醇，热值为19 255 kJ/kg，纯度大于99.9%，购自平煤蓝天遂平化工有限公司;②C8芳烃，热值为39 975 kJ/kg，苯质量分数不大于10%，购自平煤蓝天遂平化工有限公司;③其他原料，购自河南博海化工有限公司。试验所用原料性质及厂家如表1所示。从表1可以看出，甲苯、非芳烃、煤焦油轻油的热值均较高。

采用罐式搅拌法调配醇基燃料，具体步骤如下：将甲醇、非芳烃、煤焦油轻油等主体原料分别加入调配釜;在转速为900～1 100 r/min的条件下，搅拌大约3 h进行混炼;原料混炼均匀后再加入添加剂，继续混炼1 h，得到试验所用醇基燃料。

在醇基燃料添加剂方面，我国还没有明确标准，市场上醇基燃料中各化学成分的含量不同，燃料的燃烧性也会有差别。因此，研究醇基燃料在锅炉中的燃烧性能时，要确定醇基燃料物性参数。试验所用醇基燃料的物性参数如下：汽化潜热为1 190 kJ/kg，密度为0.81 kg/L，沸点为70 ℃，热值为26 371 kJ/kg，空燃比为7∶1。为了进行醇基燃料燃烧性能测试，分别在2台定制型醇基燃料取暖锅炉上进行试烧，两台醇基燃料锅炉容量分别为200 L、80 L。

2.3 醇基燃料锅炉供暖试验结果

本研究选用200 L锅炉进行醇基燃料锅炉供暖试验，200 L锅炉配套安装供暖设施后，于2020年11月至2021年2月进行供暖试验，供暖期室内温度和每月醇基燃料消耗量如表2所示。

通过表2可以得出，在供暖期的第1个月，室内平均温度达23.5 ℃，所消耗的醇基燃料达746 kg;在供暖期的第2个月、第3个月、第4个月，室内平均温度分别达25.2 ℃、25.5 ℃、25.8 ℃，所消耗的醇基燃料分别为709 kg、702 kg、686 kg。4个月供暖期室内平均温度为25.0 ℃，每月消耗的醇基燃料平均值为710.8 kg。从以上数据可知，第1个月室内平均温度为23.5 ℃，为4个月供暖期最低值，而所消耗的燃料量最多。原因主要有两个：初期锅炉与暖气片连接的管道保温措施未做好，造成热量损失，导致室内平均温度偏低;初期暖气管道、暖气片及室内温度均较低，前期需要对暖气管道、暖气片中水进行加热，需要消耗较多的燃料。由表2计算可得，在4个月供暖期，共消耗醇基燃料2 881 kg，醇基燃料按2.9元/kg计价，4个月供暖试验的燃料费用为8 354.9元。根据前期燃煤锅炉供暖经验可知，若达到和醇基燃料锅炉同样的取暖温度，4个月需要用煤6 t，煤按750元/t计价，4个月供暖期的煤燃料费用为4 500元。虽然所需煤燃料费用比醇基燃料的费用少，但煤在燃烧过程中会产生大量废弃物，如颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等，污染环境。为响应国家可持续发展战略，近年来很多地区已禁止使用散煤供暖。所以，采用醇基燃料进行取暖具有安全、环保、高效的特性。

试验选用80 L锅炉用于制备热水，考察锅炉不同的出水温度、出热水量所消耗的醇基燃料质量，试验数据如表3所示。由表3可以得出，该锅炉每小时可出60～80 ℃的热水223～328 L，燃料平均消耗量为2.024 kg/h左右，可用于制备生活热水，满足日常生活所需。

2.4 醇基燃料锅炉排放评价

醇基燃料不完全燃烧会产生多种污染物，其中有害组分主要包括颗粒物、一氧化碳等[2]。我国目前并没有适用于醇基燃料锅炉的排放标准，只是以燃油锅炉排放标准为参照[5]，就一氧化碳、氮氧化物排放指标设定参照值。表4列出了燃油锅炉排放指标和醇基燃料锅炉排放指标的参照值和实测值。

对比表4可以看出，醇基燃料锅炉排放指标只是对一氧化碳、氮氧化物的排放作了限制，并未对颗粒物、二氧化硫排放作出要求。其要求一氧化碳排放浓度不超过85 mg/m，氮氧化物排放浓度不超过110 mg/m，同时氮氧化物排放浓度至少降低45%。上述技术指标的设置充分说明了醇基燃料的清洁、环保特性。由实测值可知，醇基燃料充分燃烧时，产物主要是HO、CO，无过多废弃物的排放，对空气的污染较小。

3 结语

本研究通过调配符合国家标准的醇基燃料，进行醇基燃料锅炉的试烧，在取暖期采用醇基燃料进行供暖试验。试验数据表明，醇基燃料锅炉热效率高，而且颗粒物、二氧化硫等废气排放物也符合国家相关规定，是一种可持续发展的清洁燃料。

参考文献：

[1]孔永平，张环平，张良，等.高热值醇基燃料的制备及经济环保效益分析[J].河南科学，2021（6）：884-888.

[2]孔永平，李法香，张环平，等.厨灶用甲醇燃料燃烧特性分析研究[J].河南科学，2021（7）：1143-1147.

[3]燕腾飞，张环平，孔永平，等.醇基液体燃料热值的分析[J].化学工程与装备，2019（5）：244-246.

[4]贾伟艺.甲醇基清洁燃料研究[D].北京：北京化工大学，2018：17-18.

[5]环境保护部，国家质量监督检验检疫总局.锅炉大气污染物排放标准：GB 13271—2014[S].北京：中国环境科学出版社，2014.