鍋爐用醇基液體燃料燃燒性能分析

孔永平　趙軍　白航標　樊新麗　李文甲

摘 要：隨著全球石化資源的日益枯竭，替代傳統石化能源的新能源的開發和利用迫在眉睫。本研究通過調配符合國家標準的醇基燃料，進行醇基燃料鍋爐的試燒，在取暖期采用醇基燃料做供暖試驗。試驗數據表明，醇基燃料鍋爐熱效率高，而且顆粒物、二氧化硫等廢氣排放物也符合國家相關規定。因此，醇基燃料是一種可持續發展的清潔燃料。

關鍵詞：醇基燃料;鍋爐;燃燒性能

中圖分類號：TQ517 文獻標識碼：A 文章編號：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

溫室效應和大氣污染是我國能源領域目前面臨的重要挑戰。燃煤鍋爐需要消耗大量煤炭來維持運行，燃燒期間產生大量二氧化碳，是造成冬季環境污染的原因之一。醇基燃料是一種新型清潔能源，其低碳性、清潔性及可循環利用性獲得了廣泛認可，被認為是后石油時代主力能源之一，對于緩解全球氣候變暖具有重要意義[1]。醇基燃料也是一種生物質能，和可再生能源太陽能、風能一樣，是政府大力倡導的環保潔凈能源。

1 醇基燃料發展現狀

中商產業研究院數據庫顯示，2010年以來我國工業鍋爐產量持續增加。2016年全國工業鍋爐產量為45 810.7蒸發量噸，2019年全國工業鍋爐產量為50 441.1蒸發量噸，2020年全國工業鍋爐產量為57 200.2蒸發量噸，同比增長13.4%。由以上數據可知，我國工業鍋爐發展迅速。由于我國工業鍋爐以燃煤為主，隨著溫室效應和大氣污染的日益嚴重，政府大力倡導清潔能源的使用，開始大量淘汰小型燃煤鍋爐。醇基燃料將會代替燃煤成為主力能源，具有可觀的市場前景。

圖1為2015—2021年中國甲醇有效產能及預測。從圖1可知，截至2020年底，中國甲醇產能總和為9 854萬t，去除一些失效產能417萬t，有效產能總和為9 437萬t。2021年是甲醇產能的投產高峰，且供給壓力主要體現在2020年底到2021年上半年。在這種情況下，到2021年底，中國甲醇有效產能預計將達到10 575萬t。可以看出，醇基燃料發展非常迅速。甲醇作為醇基燃料的主要成分，產能不斷增加。在鍋爐清潔能源改造中，醇基燃料環保性能非常好，燃燒產生的廢氣物較少，對空氣的污染程度較低，對比天然氣、液化氣、汽柴油等其他燃料，醇基燃料具有明顯優勢。截至目前，在工業鍋爐的改造中，國內很多企業都將醇基燃料當成首選燃料。

2 醇基燃料燃燒性能分析

2.1 醇基燃料的特性

醇基燃料是一種無色透明液體，有刺激性氣味，是一種以甲醇為主要原料，在添加劑的作用下，按照科學工藝和配方制作成的新型混合燃料[2]。醇基燃料的熱值一般介于20.1～26.0 MJ/kg，是一種低熱值液體燃料。醇基燃料屬于易燃物品，在與含有氧氣成分的化學劑接觸時會發生化學反應，還可能引起燃燒。雖然醇基燃料是一種相對環保的燃料，但其沒有燃燒完全時會被吸入人體，導致甲醇在體內堆積且不易排出。隨著空氣的吸入，甲醇與氧氣（空氣中含有氧氣）接觸被氧化成甲醛和甲酸，二者都有毒性，會嚴重影響人體視力。《醇基液體燃料》（GB 16663—1996）對醇基燃料的標準進行了規定：醇基燃料的醇含量不能低于70%，低熱值不能低于16 750 kJ/kg。在調配醇基燃料的過程中，添加烴類的芳烴含量不能超過40%，不能添加無機鹽、鹵代烴和硝基化合物[3]。由于醇基燃料是多種物質調配而成的混合燃料，國家標準對醇基燃料的主要成分作了明確規定，對含量較少的成分只進行了限制。

2.2 醇基燃料鍋爐試燒

燃料的燃燒充分性、空中點火、排氣冒煙等因素均能反映出燃料的燃燒性能。燃料燃燒越充分，點火速度越快，燃料燃燒性能就越好。燃料燃燒性能的好壞可以通過分析燃料霧化性和揮發性數據得出。其中，輕質餾分占比對醇基燃料的揮發性影響較大，占比越大，醇基燃料揮發越快，和空氣混合得越好，醇基燃料燃燒就越完全，點火速度也相應加快[4];醇基燃料的黏度對燃料的霧化性影響較大，燃料黏度的好壞將會直接影響燃料的霧化，黏度越低，燃料霧化性越好，可以使燃料充分燃燒;苯環結構性質的芳香烴對燃料的燃燒性能影響較大，芳香烴在燃料中的成分占比過大，會導致燃燒不完全，進而產生很多有害物質，所以有必要控制燃料的芳香烴含量，這是研究清潔燃料的重要方法。因此，在調配醇基燃料時，要控制芳香烴含量，使芳香烴的質量分數低于5%。

試驗所用原料如下：①甲醇，熱值為19 255 kJ/kg，純度大于99.9%，購自平煤藍天遂平化工有限公司;②C8芳烴，熱值為39 975 kJ/kg，苯質量分數不大于10%，購自平煤藍天遂平化工有限公司;③其他原料，購自河南博海化工有限公司。試驗所用原料性質及廠家如表1所示。從表1可以看出，甲苯、非芳烴、煤焦油輕油的熱值均較高。

采用罐式攪拌法調配醇基燃料，具體步驟如下：將甲醇、非芳烴、煤焦油輕油等主體原料分別加入調配釜;在轉速為900～1 100 r/min的條件下，攪拌大約3 h進行混煉;原料混煉均勻后再加入添加劑，繼續混煉1 h，得到試驗所用醇基燃料。

在醇基燃料添加劑方面，我國還沒有明確標準，市場上醇基燃料中各化學成分的含量不同，燃料的燃燒性也會有差別。因此，研究醇基燃料在鍋爐中的燃燒性能時，要確定醇基燃料物性參數。試驗所用醇基燃料的物性參數如下：汽化潛熱為1 190 kJ/kg，密度為0.81 kg/L，沸點為70 ℃，熱值為26 371 kJ/kg，空燃比為7∶1。為了進行醇基燃料燃燒性能測試，分別在2臺定制型醇基燃料取暖鍋爐上進行試燒，兩臺醇基燃料鍋爐容量分別為200 L、80 L。

2.3 醇基燃料鍋爐供暖試驗結果

本研究選用200 L鍋爐進行醇基燃料鍋爐供暖試驗，200 L鍋爐配套安裝供暖設施后，于2020年11月至2021年2月進行供暖試驗，供暖期室內溫度和每月醇基燃料消耗量如表2所示。

通過表2可以得出，在供暖期的第1個月，室內平均溫度達23.5 ℃，所消耗的醇基燃料達746 kg;在供暖期的第2個月、第3個月、第4個月，室內平均溫度分別達25.2 ℃、25.5 ℃、25.8 ℃，所消耗的醇基燃料分別為709 kg、702 kg、686 kg。4個月供暖期室內平均溫度為25.0 ℃，每月消耗的醇基燃料平均值為710.8 kg。從以上數據可知，第1個月室內平均溫度為23.5 ℃，為4個月供暖期最低值，而所消耗的燃料量最多。原因主要有兩個：初期鍋爐與暖氣片連接的管道保溫措施未做好，造成熱量損失，導致室內平均溫度偏低;初期暖氣管道、暖氣片及室內溫度均較低，前期需要對暖氣管道、暖氣片中水進行加熱，需要消耗較多的燃料。由表2計算可得，在4個月供暖期，共消耗醇基燃料2 881 kg，醇基燃料按2.9元/kg計價，4個月供暖試驗的燃料費用為8 354.9元。根據前期燃煤鍋爐供暖經驗可知，若達到和醇基燃料鍋爐同樣的取暖溫度，4個月需要用煤6 t，煤按750元/t計價，4個月供暖期的煤燃料費用為4 500元。雖然所需煤燃料費用比醇基燃料的費用少，但煤在燃燒過程中會產生大量廢棄物，如顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等，污染環境。為響應國家可持續發展戰略，近年來很多地區已禁止使用散煤供暖。所以，采用醇基燃料進行取暖具有安全、環保、高效的特性。

試驗選用80 L鍋爐用于制備熱水，考察鍋爐不同的出水溫度、出熱水量所消耗的醇基燃料質量，試驗數據如表3所示。由表3可以得出，該鍋爐每小時可出60～80 ℃的熱水223～328 L，燃料平均消耗量為2.024 kg/h左右，可用于制備生活熱水，滿足日常生活所需。

2.4 醇基燃料鍋爐排放評價

醇基燃料不完全燃燒會產生多種污染物，其中有害組分主要包括顆粒物、一氧化碳等[2]。我國目前并沒有適用于醇基燃料鍋爐的排放標準，只是以燃油鍋爐排放標準為參照[5]，就一氧化碳、氮氧化物排放指標設定參照值。表4列出了燃油鍋爐排放指標和醇基燃料鍋爐排放指標的參照值和實測值。

對比表4可以看出，醇基燃料鍋爐排放指標只是對一氧化碳、氮氧化物的排放作了限制，并未對顆粒物、二氧化硫排放作出要求。其要求一氧化碳排放濃度不超過85 mg/m，氮氧化物排放濃度不超過110 mg/m，同時氮氧化物排放濃度至少降低45%。上述技術指標的設置充分說明了醇基燃料的清潔、環保特性。由實測值可知，醇基燃料充分燃燒時，產物主要是HO、CO，無過多廢棄物的排放，對空氣的污染較小。

3 結語

本研究通過調配符合國家標準的醇基燃料，進行醇基燃料鍋爐的試燒，在取暖期采用醇基燃料進行供暖試驗。試驗數據表明，醇基燃料鍋爐熱效率高，而且顆粒物、二氧化硫等廢氣排放物也符合國家相關規定，是一種可持續發展的清潔燃料。

參考文獻：

[1]孔永平，張環平，張良，等.高熱值醇基燃料的制備及經濟環保效益分析[J].河南科學，2021（6）：884-888.

[2]孔永平，李法香，張環平，等.廚灶用甲醇燃料燃燒特性分析研究[J].河南科學，2021（7）：1143-1147.

[3]燕騰飛，張環平，孔永平，等.醇基液體燃料熱值的分析[J].化學工程與裝備，2019（5）：244-246.

[4]賈偉藝.甲醇基清潔燃料研究[D].北京：北京化工大學，2018：17-18.

[5]環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局.鍋爐大氣污染物排放標準：GB 13271—2014[S].北京：中國環境科學出版社，2014.