燃氣鍋爐過量空氣系數對鍋爐熱效率的影響研究

趙貴林，李榮花，黃瓊英

（1.中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川達州 635000；2.中國石化中原油田油氣儲運管理中心，河南濮陽 457000；3.中國石化中原油田天然氣處理廠第二氣體處理廠，河南濮陽 457000）

燃氣鍋爐過量空氣系數對鍋爐熱效率的影響研究

趙貴林1，李榮花2，黃瓊英3

（1.中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川達州 635000；2.中國石化中原油田油氣儲運管理中心，河南濮陽 457000；3.中國石化中原油田天然氣處理廠第二氣體處理廠，河南濮陽 457000）

燃氣鍋爐以天然氣為燃料，燃燒產生熱量生產飽和蒸汽或過熱蒸汽。以某天然氣凈化廠CG-75/3.82-Q型燃氣鍋爐為例，分析了該鍋爐生產運行中過量空氣系數對鍋爐熱效率的影響，理論計算了不同爐膛煙氣出口氧含量下的鍋爐熱效率及鍋爐過量空氣系數的合適區間，為燃氣鍋爐的配風操作提供了理論依據和技術支撐，可為同類研究提供思路。

過量空氣系數；熱效率；燃氣鍋爐

鍋爐燃燒運行中設備難以保證燃料和理論空氣量的剛好完全燃燒，為了使燃料盡可能地完全燃燒，必須多供給一些空氣量，這部分空氣量稱過量空氣量。實際空氣量（即理論空氣量與過量空氣量之和）與理論空氣量之比為過量空氣系數記為α。過量空氣系數既可以反映鍋爐的經濟運行，又可以反映鍋爐運行操作的技術水平。因此，過量空氣系數是鍋爐運行非常重要的燃燒技術指標。本研究通過對凈化廠鍋爐熱力計算，對比了不同過量空氣系數對鍋爐燃燒效率的影響，研究發現控制過量空氣系數對降低排煙損失和提高鍋爐效率至關重要。

1 動力站鍋爐現狀

某CG-75/3.82-Q型燃氣鍋爐為單汽包、單爐膛、平衡通風、自然循環鍋爐，燃氣燃燒后排放出煙塵、氮氧化物等大氣環境污染物。若在鍋爐運行時過量空氣系數控制不當，導致鍋爐爐膛內燃燒工況不佳，即浪費能源，又達不到環保排放標準。據《TSGG0002-2010鍋爐節能技術監督管理規程》，關于鍋爐排煙處的過量空氣系數的規定為：負壓燃油（氣）鍋爐，不大于1.25。按過量空氣系數α=21/(21-O2%)計算，O2含量為4.2%。而實際運行中額定功率下絕大多數燃氣鍋爐的過量空氣系數不到1.15，更有將過量空氣系數控制在1.05～1.10，此時含氧量為1%～1.9%。若以鍋爐50%負荷條件下長期運行，建議過量空氣系數控制在1.15的較低值，此時含氧量為2.74%，推薦控制指標不大于3%。凈化廠現鍋爐過量空氣系數因接近低限負荷運行常運行在＞5.5范圍，過量空氣系數過高或過低都不利于燃燒，都會影響鍋爐的熱效率。

2 過量空氣系數與鍋爐熱效率關系

過量空氣系數實質上是反映燃料和空氣配比的一項數值，是衡量鍋爐燃燒配風的尺度。過量空氣系數過大，表示爐內供風過多，不僅降低爐溫，惡化燃燒，而且使煙氣量增加，從而引起鍋爐排煙熱損失增加，鍋爐效率降低，同時也使風機的電耗以及凈化廠用電率增加。同樣，過量空氣系數太小則不能保證天然氣充分燃燒。

從鍋爐的熱損失來分析，鍋爐的排煙損失、煙氣中剩余可燃氣體（CO、H2、CH4）所引起的氣體不完全燃燒熱損失隨著過量空氣系數而變化的，爐膛出口過量空氣系數對排煙損失和不完全燃燒損失有直接影響。當α增加時，空氣量增多，燃料有更多的機會遇到空氣，使氣體不完全燃燒熱損失減少，但也導致排煙熱損失升高。排煙熱溫度和排煙體積的大小決定了燃氣鍋爐的絕大多數熱損失，而氣體不完全燃燒熱損失只占不到1%。因此建議在保證完全燃燒的情況下，盡量降低過量空氣系數。在過量空氣系數最低時，鍋爐的熱損失最小，熱效率最高，以此充分利用燃料熱量，達到節約燃料的目的。

3 燃燒效率計算

以下數據分析均以鍋爐負荷為30t/h運行的最不利工況為條件。據現場數據統計，鍋爐負荷為30t/h時，其外供中壓蒸汽溫度400℃，平均壓力3.5MPa，查對應溫度下的過熱蒸汽焓值為3 221kJ/kg，按常溫25℃查該壓力下的水的焓值為86kJ/kg。鍋爐排污量按1%計算，飽和水焓值為2 802kJ/ kg，鍋爐每小時有效吸熱量Qgl=D（hq-hgs）*103+Dps（hps-hgs）*103=94 864 800kJ/h。

鍋爐在該負荷下的燃料用量為3 600m3/h，凈化廠供氣燃料熱值為34 872kJ/m3，則鍋爐每小時有效發熱量為Q=BQnet-ar= 125 539 200kJ/h，則鍋爐在較低的負荷30t/h工作條件下，其鍋爐熱效率為η=Qgl/Q約為75.6%。

4 燃料的燃燒計算

根據過量空氣系數的定義，完全燃燒時α=21/（21-O2%），在運行中只要知道了煙氣中的含氧O2，就可以知道運行中的過量空氣系數。O2為2%、3%、4%、5%、6%時，α對應分別為1.105、1.167、1.235、1.25、1.313、1.4。

燃燒所需的空氣量計算，據化驗分析燃料氣成份中CO2為2.029 08%，H2O為0.003 58%，H2為0.025 47%，N2為0.705 68%，H2S為0.016 33%，CH4為97.057 57%，C2H6為0.152 18%，C3H8為0.010 11%，低位發熱值Qnetar為34 782 kJ/Nm3，則燃料所需空氣量Vk0=1/21*[0.5H2+0.5CO+Σ（m+n/4）CmHn+1.5H2SO2）]=9.273m3/m3。

排煙熱損失（Hpy-αVk0（c ）lk）/Qnetar=4.66%，不同過量空氣系數下的排煙熱損失如表1。

表1 不同過量空氣系數下的排煙熱損失

可知，減小過量空氣系數值，其排煙熱損失越小，即對應提高鍋爐熱效率，燃料用量越少。爐膛煙氣出口含氧量由6%降低到3%，對應鍋爐熱效率可提高0.66%，降低到2%，熱效率可提高0.83%。

5 提高熱效率對燃料量的影響

當蒸汽產量為30t/h時，Qgl=D（hq-hgs）*103+Dps（hps-hgs）*103=831 015 648 000 kJ/a。

爐膛煙氣出口含氧量由6%降低到3%，提高熱效率0.66%，折算燃料量B=Qgl*η/Qgl*η=157 688m3；由6%降低到2%，提高熱效率0.83%，折算燃料量B=198 305m3；

提高鍋爐燃燒熱效率η值，對應燃料氣用量表變化如表2：

表2 燃燒熱效率下燃料氣用量變化

可知，控制煙氣氧含量可有效節省燃料用量，若控制氧含量至3%，每年可節省燃料15余萬m3；同時尾部煙氣含量NOX由空氣中的氮氣高溫氧化而成，NOX生成影響因素主要是燃燒溫度和過量空氣系數，控制過量空氣系數值還可有效減少尾部煙氣NOX含量。改進燃燒器與鍋爐配風，可提高鍋爐燃燒效率和減少NOX生成。

6 結論與建議

該鍋爐存在熱效率較低的問題，通過控制爐膛出口氧含量可提高鍋爐熱效率，同時具有良好的經濟效益。建議在實際生產中執行爐膛出口氧含量為4%的指標，將爐膛出口氧含量工藝指標由3%～6%修訂為2%～4.2%，并將指標納入鍋爐運行操作考核范圍內，對比新指標與原指標下的節能減排與降低煙氣NOX含量效果，進一步優化運行參數。

S t u d y o n t h e I n f l u e n c e o f E x c e s s A i r C o e f f i c i e n t o f G a s-f i r e d B o i l e r o n B o i l e r T h e r ma l E f f i c i e n c y

Zhao Gui-lin，Li Rong-hua，Huang Qiong-ying

In this paper，a gas-f i red boiler（CG-75/3.82-Q）gas-f i red boiler is used as an example to analyze the effect of excess air supply on the boiler in the production and operation of the boiler.The boiler gas is used as a fuel to produce a saturated steam or superheated steam.The thermal eff i ciency of the boiler and the excess air coeff i cient of the boiler under different oxygen content of the furnace are calculated.The present study provides the theoretical basis and technical support for the gas distribution operation of the gas boiler，which can provide the idea for the similar research The.

excess air coeff i cient；thermal eff i ciency；gas boiler

TK227

B

1003-6490（2017）08-0123-02

2017-06-04

趙貴林（1987—），男，重慶開縣人，助理工程師，主要從事高含硫氣田水務管理及水處理技術研究。