燃气锅炉的性能测试与分析

摘 要

摘要：对150台燃气锅炉的主要性能进行了测试，对烟气中污染物排放量、热效率、噪声和炉体表面温度等测试结果进行了分析，提出了改进建议。关键词：燃气锅炉；燃烧烟气；热效率；噪声；炉体
摘要：对150台燃气锅炉的主要性能进行了测试，对烟气中污染物排放量、热效率、噪声和炉体表面温度等测试结果进行了分析，提出了改进建议。
关键词：燃气锅炉；燃烧烟气；热效率；噪声；炉体表面温度
Performance Testing and Analysis of Gas-fired Boiler
CHEN Lisheng，LIU Lizhen，YAN Jin
Abstract：The main performances of 150 gas-fired boilers are tested.The testing results of emissions of pollutants in fuel gas，thermal efficiency，noise and surface temperature of furnace body are analyzed，and the improvement suggestions are presented.
Key words：gas-fired boiler；combustion fuel gas；thermal efficiency；noise；surface temperature of furnace body
1 项目背景
    北京市从2000年开始的世界银行锅炉贷款项目采用国际竞争性招标方式进行锅炉招标采购工作，至2004年采购的锅炉已达695台，已销售给用户并投入使用的锅炉达350台。通过1～4个供暖期的运行，一些用户反映锅炉运行费用较高，个别锅炉出现结垢现象，因此影响了燃煤锅炉用户对利用世界银行贷款进行燃气锅炉转换的积极性。为了消除障碍，确认锅炉质量，世界银行委托北京市燃气及燃气用具产品质量监督检验站对已安装运行的150台锅炉进行热效率、烟气排放、噪声等项目检测，以便通过分析数据，为用户提供维护、维修建议，改善燃气锅炉的使用状况。
2 测试样本与测试内容
   ① 测试样本
   此次测试的燃气锅炉共150台，测试样本锅炉的分布情况见表1。
表1 测试样本锅炉的分布    台
生产厂家
锅炉容量/MW
合计
0.34
0.70
1.40
2.80
4.20
7.00
A
—
—
16
15
30
—
61
B
—
—
1
25
3
2
31
C
—
—
—
—
—
9
9
D
—
2
21
—
—
—
23
E
—
1
2
3
—
—
6
F
—
—
—
9
1
4
14
G
6
—
—
—
—
—
6
   ② 测试项目及数据采集
   为了能充分体现锅炉的运行状态，根据GB/T 10180—2003《工业锅炉热工性能试验规程》、GB/T 10820—2002《生活锅炉热效率及热工试验方法》、DB 11/139—2002《锅炉污染物综合排放标准》的要求，主要检测以下3方面内容：
a.环保性能：包括烟气中的一氧化碳含量、二氧化碳含量、氮氧化物含量、二氧化硫含量、黑度和噪声等。
b.热工性能：包括燃气锅炉的热效率、排烟温度、燃烧工况等。
c.安全性能：包括锅炉的各项安全保护功能，如供气前吹扫时间、点火不成功自动断气、燃气检漏、超温、超压、风压、缺水、缺燃料保护以及设备过电流保护等功能。
    具体检测内容见表2，指标要求取以上3个标准中要求较高的值。
表2 锅炉的测试项目与指标要求
测试项目
指标要求
燃烧工况
不回火、不熄火、不脱火、不离焰
热效率/%
≥80
烟气中C0的质量浓度/(mg·m-3)
≤100
烟气中N0x的质量浓度/(mg·m-3)
≤100
烟气中S02的质量浓度/(mg·m-3)
≤100
烟气黑度
1级
运行噪声/dB
≤70
炉体表面温度/℃
≤42
安全装置
供气前吹扫时间、点火不成功自动切断燃气、燃气检漏、超温、超压、风压、缺水、缺燃料保护、设备过电流保护等功能
    ③ 测试条件
   2006年之前，北京市的管道燃气气源是人工煤气和天然气并存的。在本次检测活动中，各项检测均在天然气管网和人工煤气管网运行压力下进行，运行噪声是在距燃烧机1m处与燃烧机等高的位置(参照相关标准自行规定)进行测试(燃烧机带消音罩)。由于检测时间在供暖期末，气温较高，大部分用户锅炉处于停炉或小火状态，因此，燃烧工况、炉体表面温度在锅炉运行30min后测试，烟气成分、排烟温度、热效率在锅炉运行达到额定热功率的70%以上并稳定后测试(多数情况下达不到100%的额定热功率)。
3 测试结果与分析
3.1 烟气中一氧化碳的质量浓度
   烟气中一氧化碳质量浓度分布比例(某一浓度范围内的锅炉数量与所检测的锅炉总数的比值)见表3。烟气中C0的质量浓度＞100mg/m3的锅炉有26台，不合格率为17%。
    表4是安装在北京市科学技术研究院的某公司生产的人工煤气锅炉的测试数据。
表3 烟气中一氧化碳质量浓度分布比例
C0的质量浓度/(mg·m-3)
分布比例/%
0～50
76
50～100
7
100～300
6
＞300
11
表4 某人工煤气锅炉的测试数据
02的体积分数/%
0.7
C0的质量浓度/(mg·m-3)
2500
N0x的质量浓度/(mg·m-3)
52
S02的质量浓度/(mg·m-3)
74
热效率/%
85.5
运行噪声/dB
73
排烟温度/℃
121
炉体表面温度/℃
21
通过式(1)可计算出该台锅炉运行时的过剩空气系数。
 
式中α——过剩空气系数
    φ(02)——烟气中氧的体积分数，%
    φ(R02)——烟气中三原子气体的体积分数，%
    该台锅炉的烟气中一氧化碳含量折算成过剩空气系数等于1时的质量浓度为2587mg/m3，折算成体积分数为2068×10-6，远远超过了标准要求值。通过式(1)计算出锅炉的过剩空气系数为1.03，说明造成烟气中C0超标的原因是过剩空气量过少，且燃气与空气混合不均匀。此外，烟气中一氧化碳含量还与炉膛压力和烟气流速等因素有关。
3.2 烟气中氮氧化物的质量浓度
    氮氧化物的质量浓度＞100mg/m3的锅炉有8台，占总数的5%，即氮氧化物含量合格率为95%。烟气中氮氧化物质量浓度分布比例见表5。
表5 烟气中氮氧化物质量浓度分布比例
N0x的质量浓度/(mg·m-3)
分布比例/%
0～50
65
50～100
30
＞100
5
    氮氧化物的生成机理比较复杂，大致可以认为是由氮气与氧气在高温下生成一氧化氮，一氧化氮与氧气在高温下反应生成二氧化氮。可见，氮氧化物的生成与氧的浓度有关，也与火焰温度有关[1～2]。减少过剩空气量，则氧浓度变小，氮氧化物生成量下降。如果过剩空气量增加，虽然氧浓度增高有利于氮氧化物的生成，但由于燃烧温度降低，总的结果是氮氧化物生成量减少。燃烧温度在燃气与空气的当量比等于1附近出现最大值，相应的N0的生成速度也达到最大值，因此氮氧化物的生成量最高，增大或减少过剩空气系数，氮氧化物的生成量都会减少。由此可见，只要适当地增大或减少过剩空气量，就可以减少氮氧化物的生成量，从而降低烟气中氮氧化物含量。
3.3 二氧化硫含量的质量浓度
    二氧化硫的质量浓度＞100mg/m3的锅炉有3台，不合格率为2%。烟气中二氧化硫质量浓度分布比例见表6。
表6 烟气中二氧化硫质量浓度分布比例
S02的质量浓度/(mg·m-3)
分布比例/%
0
73
＜50
22
50～100
3
＞100
2
    烟气中的二氧化硫是由于燃气中的硫化物与空气中的氧气反应而生成的，烟气中二氧化硫含量的大小主要取决于燃气中硫化物含量的多少。因此，为了降低二氧化硫对大气的污染，必须对燃气进行脱硫。也可以采用烟气中二氧化硫净化方法，不过这种方法通常用于燃煤锅炉。由于人工煤气和天然气在输送到客户端时均经过脱硫，燃气中硫化物的含量较低，即使有些锅炉烟气中二氧化硫超标，也是偶尔的随机现象，无需对锅炉进行特殊改造处理。
3.4 锅炉热效率
    锅炉热效率的分布比例见表7。
表7 热效率分布比例
热效率/%
分布比例/%
＜80
21
80～82
27
83～85
48
＞85
4
    在所检测的150台燃气锅炉中，多数锅炉的热效率为80%～85%，热效率＜80%的锅炉有35台，占总数的21%。造成热效率偏低的原因如下：
    ① 锅炉运行的供回水温度通常根据用户要求设定，且燃气管网压力在一定范围内波动，导致检测结果出现可预见偏差。
    ② 锅炉在运行了1～2个供暖期后，受热面结有烟炱和水垢。1mm厚的烟炱，其热阻与400mm厚钢板的热阻相当，1mm水垢的热阻相当于40mm钢板的热阻。这些锅炉与新出厂锅炉相比热效率有所降低。
    ③ 操作人员未能将锅炉调整到最佳运行状态，导致过剩空气系数过大或锅炉的排烟温度较高。
    以安装在北京京工服装集团公司的意大利某公司生产的天然气锅炉为例，它的测试数据见表8。
表8 意大利某公司天然气锅炉的测试数据
02的体积分数/%
14
C0的质量浓度/(mg·m-3)
93
N0x的质量浓度/(mg·m-3)
27
S02的质量浓度/(mg·m-3)
0
热效率/%
67.3
运行噪声/dB
80
排烟温度/℃
163
炉体表面温度/℃
87
    用式(1)计算可得该台锅炉的过剩空气系数为3.0。在锅炉燃烧过程中，控制过剩空气系数的大小十分重要，过剩空气系数过大或过小都会产生不良的后果。过大会导致烟气流量增大，炉膛温度降低；增加了排烟热损失，热效率降低，过小会使燃气燃烧不充分，产生大量的一氧化碳，污染环境，同时也增大了不完全燃烧热损失。过剩空气系数的大小直接影响燃气锅炉的热工性能，一般将过剩空气系数控制在1.05～1.20范围。此外，这台锅炉的表面温度偏高，说明锅炉的保温陛能不好，散热损失较大。这两个因素造成该台锅炉热效率偏低。
   另一个造成热效率偏低的原因是锅炉的排烟温度较高，如安装在铁营医院的某公司生产的天然气锅炉，其测试数据见表9。
表9 某天然气锅炉的测试数据
02的体积分数/%
8.1
C0的质量浓度/(mg·m-3)
0
N0x的质量浓度/(mg·m-3)
22
S02的质量浓度/(mg·m-3)
0
热效率/%
76.8
运行噪声/dB
72
排烟温度/℃
205
炉体表面温度/℃
45
   该台锅炉的排烟温度较高，增大了烟气焓，增加了排烟热损失，造成热效率低[3～4]。
3.5 噪声
   运行噪声≤70dB的锅炉有33台，合格率仅为22%。
   燃气锅炉的噪声由机械噪声、空气动力性噪声、传热噪声和燃烧噪声综合组成。其中风机运转产生机械噪声和空气动力性噪声。机械噪声由固体振动产生，而空气动力性噪声由气体振动产生，风机转动时，叶片产生湍流噪声和涡流噪声。传热噪声是由于流体加热或冷却，流动状态发生振动性变化而产生的噪声，由于这种变化是在密闭容器内产生的，故而对外部影响不大。燃烧噪声是由于气体进行热量交换，温度和压力发生变化，在空气动力性噪声以外附加的噪声。由此可见，锅炉噪声主要包括机械噪声、空气动力性噪声和燃烧噪声，前两项噪声是由风机造成的，欲降低噪声，除了在风机的出口管和入口管加装消声器外，还可选用带低噪声风机的燃烧机。燃烧噪声则与燃烧机和炉膛结构有关，通常通过改善燃烧机燃烧状态来降低燃烧噪声。
3.6 炉体表面温度
   炉体表面温度＞42℃的锅炉有45台，不合格率为30%。
    由于炉膛内各部位的温度不同，因此炉体各部位的表面温度也不一样，炉体表面温度不仅与燃烧温度有关，也与保温层的材质、厚度有关。炉体表面温度测量时应选择温度较高的测点，而不是炉体的平均温度。炉体表面温度过高，炉体散热损失加大，热效率降低[5]。
3.7 影响因素分析
    通过以上分析我们可以看出，调整好锅炉的运行状态至关重要。以上各项技术指标都与过剩空气量有关，而且各项指标间相互影响，排烟温度高，热效率就低；烟气指标超标，热效率也低。这就要求锅炉厂家加强对技术人员的培训，针对各自的锅炉，提出适当的过剩空气系数，在锅炉初调试时，不是单单凭借技术人员的感官经验，而是通过仪器对燃气锅炉进行调整，这种活动不仅仅是初调试时进行，还应定期检查，使锅炉始终运行在良好的状态中。维护人员应定期检查锅炉系统，清洗锅炉受热面的烟炱和水垢，维持锅炉良好的传热性能。对于大功率锅炉，除了要求具有比例调节功能外，还可以考虑加装一些新型的安全节能装置，提高产品的安全性能和节能效果，如可以加装自动控氧装置，该装置通过变频风机送风，风量可随烟气中氧含量的变化而变化，使过剩空气系数保持稳定，从而提高锅炉系统的热效率。增加这些装置会增加产品的成本，但从长期的效果看，还是比较经济的。
    采用国际竞争性招标方式采购锅炉，虽然可以给用户节省投资费用，但由于部分用户在锅炉的选型设计上缺乏长远意识，为节省经费，往往选用大型锅炉替代数台小型锅炉。然而大功率锅炉的运行成本并不经济，当供暖热输出要求较小时，会造成锅炉启动频繁，不仅增加烟气排放量，还降低了热效率。因此，可以在保证供暖热输出的基础上，选用多台热功率较小的锅炉或模块式锅炉，使锅炉可以交替运行，这样既便于锅炉的维修，又降低了运行费用。
4 结论及建议
    ① 通过对这150台锅炉的检测和数据分析我们可以看出，这些锅炉经过1～4个供暖期的运行，其技术指标基本合格。
    ② 由于厂家技术人员的调试和操作人员的维护等原因，仍有一些锅炉的技术指标达不到招标要求。因此，需要加强对厂方调试人员和用户操作人员的培训，对锅炉的初调试应提出具体要求，要求厂家技术人员用仪器对锅炉进行初调试，不要单凭直观经验。
    ③ 在保证供暖热输出的基础上，应尽量选用多台热功率较小的锅炉或模块式锅炉，使锅炉可以交替运行，这样既便于锅炉的维修，又降低了运行费用。
    ④ 建议用户在锅炉房的设计、锅炉的选型、锅炉的初调试等方面征询权威技术机构的意见，通过技术部门的服务，使之更符合环保、节能的要求。
参考文献：
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(本文作者：陈力生 刘丽珍 颜谨 北京市公用事业科学研究所 北京 100011)