燃气锅炉能效与排放实测调研及节能减排潜力分析*

宁夏大学 刘蕙兰宁夏建筑设计研究院有限公司 张建中北京建筑大学 张 威 穆连波 王随林宁夏特种设备检验检测院 杨树祥

0 引言

随着全球能源环保要求和我国蓝天计划实施，天然气等清洁能源在能源结构中的地位日益凸显。我国大中型城市已基本完成煤改气，但天然气燃烧设备排烟温度高，氮氧化物和二氧化碳排放量大[1]。为实现“2030年前碳达峰，2060年前碳中和”目标[2]，天然气高效利用、实现节能减排显得尤为重要。

冷凝式天然气锅炉和锅炉排烟余热利用装置可有效提高天然气利用热效率，国内外学者针对不同燃气锅炉增效方式进行了研究。Kuck通过调整空气温度和湿度，显著提高了烟气潜热和热效率[3]。Butcher等人指出回收高温烟气中废热可以有效提高燃气锅炉能源利用效率[4]。何天荣[5]、赵钦新等人[6]探讨了冷凝式锅炉尾部特有安全问题与预防措施。寇广孝等人依据热平衡原理，分析了基于天然气低热值计算的冷凝式供热锅炉热效率，并给出了冷凝式供热锅炉燃用典型燃料的热效率[7]。陈兴华[8]、张玉梅等人[9-10]研究了冷凝式供热锅炉的热工性能和热效率。车得福等人实验研究了废气温度对烟气潜热的影响，并分析了冷凝式天然气锅炉热能回收利用的节能潜力、可行性与经济性[11]。结果表明，当烟气温度降至40 ℃时，水蒸气中70%的潜热可以回收利用，冷凝锅炉热效率比排烟温度为180～250 ℃的传统锅炉高13.5%～16.6%。笪耀东等人分析了不同过量空气系数下热效率与烟气温度的关系[12]。田贯三等人研究了锅炉热效率与废气温度的关系，当废气温度从200 ℃降到30 ℃时，实际热效率可从77%～92%提高至103%～108%[13]。王随林课题组对烟气冷凝换热装置传热传质的强化、防腐及集成设计技术进行了实验工程及模拟研究工作[14-19]。Zhang对燃气锅炉冷凝换热装置进行节能改造后，当排烟温度从150～200 ℃降低到50 ℃时，锅炉热效率可提高10%以上[20]。刘民科等人将烟气冷凝余热深度回收利用装置应用于天然气锅炉房余热利用节能改造工程中，可将排烟温度从190～200 ℃降低到50 ℃，热效率提高9%以上，基于天然气低热值计算的锅炉总热效率提高到105%[21]。尹荣杰等人探讨了29 MW燃煤锅炉烟气净化与热回收一体化系统优化方案，当锅炉排烟温度从160 ℃降至45～60 ℃时，回收烟气余热2.35～2.70 MW，节能6.2%～7.1%[22]。马兆康等人采用烟气冷凝余热梯级深度利用技术回收70 MW大型燃气供热锅炉的余热，排烟温度可从172.2 ℃降至39.7 ℃，节能14.2%，基于天然气低热值计算的锅炉热效率为107.8%[23]。

宁夏回族自治区所处气候分区属严寒B区，年平均气温为6.4～9.0 ℃，供暖室外计算温度为-13.6～-12.0 ℃[24]，供暖季5个月，是我国主要的供暖区域之一。截至2018年底，全区城市集中供暖面积为2亿m2，其中热电厂供暖占66.5%，天然气锅炉供暖占17.3%，燃煤锅炉供暖占16.2%。宁夏除冬季供暖外，还涉及冶金、医药、机电、建材和煤炭等用能行业，随各行业快速发展，工业废气排放量呈增长趋势，且工业用能设备排烟温度较高，排烟余热利用不充分，造成大量能源浪费。为此，政府出台了清洁燃煤热电联产、大型高效节能环保锅炉集中供暖、工业余热供热供暖、燃气供暖等相应清洁供暖实施方案[25]。

本文对宁夏地区供热及工业燃气锅炉运行状况和供热能力进行了实测调研与节能减排潜力分析，旨在提高天然气利用水平，大幅度提高能源利用热效率及减少氮氧化物排放，为燃气供热与燃气工业锅炉的降氮增效节能减排改造提供依据，为提高供热与工业燃气用能水平提供参考数据。

1 检测设备及方法

对供热与工业燃气锅炉运行参数进行跟踪检测，主要检测参数包括锅炉供回水温度、循环水流量、燃气量、含氧量、烟气温度等。主要检测仪器与设备见表1。采用反平衡法测量锅炉热效率。

表1 主要检测参数及仪器设备

2 供热锅炉

2.1 锅炉房设置

在2019—2020年供暖季，利用现场采集锅炉运行数据信息平台数据、工程实测、现场访问等方式，调研了宁夏地区锅炉房46座(供热37座、工业9座)，锅炉167台(供热154台、工业13台)，总容量639 t/h(供热510 t/h、工业129 t/h)，供热用户包括住宅、学校、医院等，供热面积640.9万m2，工业用户包括化工、食品、新能源工厂等。锅炉出厂年份为2004—2019年，如图1所示。进口锅炉占82.14%，国产锅炉占17.86%，燃烧器均为进口。

单台锅炉容量为0.5～8.5 t/h，其中，容量小于4.5 t/h的锅炉约占95%，大于4.5 t/h的锅炉约占5%，以中小型锅炉为主，不同容量锅炉房分布如图2所示。

注：图中百分数表示锅炉房数量占比。图2 有不同容量锅炉的锅炉房数量与占比

调研锅炉房供热量为0.7～28 MW，单座锅炉房内锅炉台数为1～12台。其中，有单台锅炉(0.7～2.8 MW)的占16%，2～3台锅炉(1.4～8.4 MW)的占56%，4～8台锅炉(5.6～22.4 MW)的占23%，8台以上锅炉(25.2～28.0 MW)的占5%，如图3所示。由于锅炉房空间狭小，低氮改造宜采用超低氮燃烧器，并且占据空间小，安装简单。

注：图中百分数表示锅炉房数量占比。图3 有不同锅炉数量的锅炉房数量与占比

2.2 供热状况

调研锅炉房总供热面积为516万m2，单座锅炉房供热面积为0.3万～51.0万m2。其中，供热面积大于10万m2的锅炉房占60%，小于5万m2的锅炉房占35%，如图4所示。

注：图中百分数表示锅炉房数量占比。图4 不同供热面积的锅炉房数量与占比

单位容量锅炉供热面积为0.15万～1.72万m2/(t/h)，平均供热面积为0.79万m2/(t/h)，其中小于单位容量锅炉平均供热面积的锅炉房占56%，大于平均供热面积的锅炉房占44%。单位面积锅炉房供热量为3.6～116 W/m2，平均供热量为30 W/m2，小于平均值的锅炉房占67%，大于平均值的锅炉房占33%，如图5所示。

图5 单位容量锅炉供热面积及单位面积锅炉房供热量

锅炉一次供水温度为40～80 ℃，一次回水温度为30～60 ℃，二次供水温度为25～60 ℃，二次回水温度为20～55 ℃，如图6所示。

图6 锅炉供水与回水温度

2.3 锅炉房能耗与锅炉热效率

1) 锅炉房耗气量。

2019—2020年供暖季锅炉房总耗气量与单位供热面积耗气量如图7所示。单位面积耗气量为7.27～12.57 m3/(m2·a)，平均耗气量为9.52 m3/(m2·a)。大于平均耗气量的锅炉房占58%，小于平均耗气量的锅炉房占42%。

图7 锅炉房耗气量

2) 过量空气系数。

烟气过量空气系数为1.0～1.7，其中，过量空气系数为1.0～1.2的锅炉房占15%，过量空气系数为1.2～1.4的锅炉房占72%，过量空气系数为1.4以上的锅炉房占13%，如图8所示。

注：图中百分数表示锅炉房数量占比。图8 不同过量空气系数下锅炉房数量与占比

3) 排烟温度。

锅炉房排烟温度分布如图9所示。锅炉排烟温度为90～190 ℃，其中排烟温度为130～190 ℃的锅炉房占85%，低于130 ℃的锅炉房占15%。若将排烟温度降到烟气露点温度以下，回收烟气中水蒸气汽化潜热，烟气余热回收节能潜力可观。

注：图中百分数表示锅炉房数量占比。图9 不同排烟温度下锅炉房数量与占比

4) 锅炉热效率。

锅炉热效率为91.5%～95.8%，如图10所示。

图10 锅炉热效率

5) 烟气余压。

锅炉房排烟余压为-80～160 Pa，如图11所示。其中，余压大于40 Pa的锅炉房占19%，余压为0～40 Pa的锅炉房占51%，余压为-40～0 Pa的锅炉房占24%，存在负压说明锅炉排烟动力不足。

2.4 氮氧化物排放

烟气氮氧化物排放量为42.8～130.2 mg/m3，如图12所示。比《银川市燃气锅炉低氮改造工作实施方案》要求的氮氧化物排放量30 mg/m3高43%～333%，降氮改造潜力明显。由于锅炉房中安装空间有限，氮氧化物改造宜采用超高效燃烧器，可使得锅炉房布置简单。

图12 氮氧化物质量浓度与锅炉房数量及占比

3 工业锅炉

调研工业锅炉房共9座(锅炉13台)，总容量129 t/h，工业用户包括化工、食品、新能源工厂等。

3.1 锅炉房设置

单台锅炉出力情况如图13所示。由图13可见，单台锅炉出力范围为0.5～11 t/h，平均出力为5.5 t/h。锅炉出力受生产工艺、燃烧状况、气象条件等因素的影响。

图13 锅炉出力

3.2 过量空气系数

锅炉排烟过量空气系数为1.00～1.47(如图14所示)，其中，过量空气系数为1.00～1.20的锅炉占62%，过量空气系数为1.20～1.47的锅炉占38%。

图14 过量空气系数

4 节能减排潜力分析

4.1 供热锅炉

1) 烟气余热利用提高的锅炉热效率。

锅炉烟气温度与回水温度如图15所示。若对燃气锅炉采用防腐高效烟气余热回收设备进行烟气余热回收节能改造，排烟温度降到高于回水温度5 ℃时，燃气利用低热值热效率如图16所示。若烟气用于加热一次网回水，基于天然气低热值计算的锅炉热效率为100.9%～103.4%，提高锅炉热效率4.6%～10.1%，其中潜热占23%～60%；若烟气用于加热二次网回水，燃气利用低热值热效率为100.7%～109.9%，提高锅炉热效率5.9%～16.8%，其中潜热占46.2%～66.1%，回收烟气余热显热与潜热占比如图17所示。

图15 供热锅炉烟气温度与回水温度

2) 烟气冷凝余热回收率。

若烟气余热回收节能改造加热一次网回水，烟气余热回收率为34%～69%；加热二次网回水，烟气余热回收率为85%～95%。如图18所示。

图18 供热锅炉烟气余热回收率

3) 烟气冷凝水量。

图19显示了单位容量锅炉冷凝水量与烟气除雾率。若单位容量锅炉进行烟气冷凝余热利用，加热一次网回水每天可产生烟气冷凝水0.3～1.5 t/d，烟气除雾率为10.6%～54.8%；加热二次网回水每天可产生烟气冷凝水0.8～2.4 t/d，烟气除雾率为37.0%～81.6%。在冷凝过程中，烟气冷凝水对CO2、NOx具有吸收净化作用。

图19 单位容量供热锅炉冷凝水量与烟气除雾率

4.2 工业锅炉

1) 烟气余热利用提高的锅炉热效率。

工业锅炉排烟温度为61.8～175.5 ℃，锅炉补水温度为20 ℃，如图20所示。

图20 工业锅炉排烟温度与补水温度

工业锅炉热效率为89.2%～96.1%。当锅炉烟气加热补水后，排烟温度比补水温度高5 ℃时，燃气利用低热值热效率为99.5%～108.8%，提高锅炉热效率9.5%～14.1%，其中潜热占比为56%～85%，如图21所示。

图21 工业锅炉燃气利用热效率及回收烟气余热中显热与潜热占比

2) 烟气余热回收率。

若燃气锅炉进行烟气余热回收节能改造，当烟气加热补水，烟气余热回收率为93%～95%，如图22所示。

3) 烟气冷凝水量与烟气除雾率。

单位容量工业锅炉进行烟气冷凝余热利用，烟气加热锅炉补水后，每天可产生烟气冷凝水1.7～2.5 t/d，烟气除雾率为80%～82%，如图23所示。

图23 单位容量工业锅炉冷凝水量与烟气除雾率

4.3 节能减排潜力分析

2020年宁夏地区天然气消耗量约为30亿m3，其中，供热锅炉耗气量5亿m3，工业锅炉耗气量25亿m3[26]。

该地区供暖季为5个月，若烟气余热加热一次网回水，排烟温度降到40～52 ℃，节能率为4.7%～10.9%，每个供暖季可节约天然气2 300万～5 200万m3，减少氮氧化物排放量190～760 t，减少CO2排放量4万～10万t，回收冷凝水8万～45万t；若烟气余热加热二次网回水，排烟温度降到25～46 ℃，节能潜力为5.9%～16.8%，每个供暖季可节约天然气2 900万～7 600万m3，减少氮氧化物排放量200～760 t，减少CO2排放量5万～15万t，回收冷凝水25万～70万t。

若工业燃气锅炉耗气量以25亿m3/a计，排烟温度降到25 ℃，节能率为9.5%～14.1%，每年可节约天然气2.2亿～3.3亿m3/a，低氮改造氮氧化物降至30 mg/m3，每年可减少氮氧化物排放量880～3 200 t/a，减少CO2排放量43万～65万t/a，回收烟气冷凝水250万～360万t/a。

超低氮燃烧与排烟余热深度回收高效利用技术在北方地区应用，节能、节水、减排，社会环境经济效益巨大。

5 结论

1) 宁夏地区供热锅炉以中小型锅炉为主。氮氧化物排放量为43～130 mg/m3，比当地低氮改造氮氧化物排放量要求的30 mg/m3高43%～333%。由于锅炉房空间狭小，低氮改造宜采用超低氮燃烧器，占据空间小，安装简单。

2) 调研的80%以上供热锅炉排烟温度为130～190 ℃，回水温度为20～47 ℃，若将排烟温度降到25～53 ℃，排烟余热回收利用可提高锅炉效率6%～17%，余热回收率34%～95%，其中回收的潜热占23%～66%；单位容量锅炉每天还会产生烟气冷凝水0.3～2.4 t/d，烟气除雾率为11%～81%。

3) 调研的工业锅炉排烟温度为62～175 ℃，若将排烟温度降到25 ℃，排烟余热利用可提高锅炉效率10%～14%，余热回收率93%～95%，其中回收的潜热占56%～85%；单位容量锅炉每天还会产生烟气冷凝水1.7～2.5 t/d，烟气除雾率为80%～82%。

4) 该地区燃气锅炉降氮和排烟余热利用节能、节水、减排，社会环境经济效益巨大。