燃氣鍋爐能效與排放實測調研及節能減排潛力分析*

寧夏大學 劉蕙蘭寧夏建筑設計研究院有限公司 張建中北京建筑大學 張 威 穆連波 王隨林寧夏特種設備檢驗檢測院 楊樹祥

0 引言

隨著全球能源環保要求和我國藍天計劃實施，天然氣等清潔能源在能源結構中的地位日益凸顯。我國大中型城市已基本完成煤改氣，但天然氣燃燒設備排煙溫度高，氮氧化物和二氧化碳排放量大[1]。為實現“2030年前碳達峰，2060年前碳中和”目標[2]，天然氣高效利用、實現節能減排顯得尤為重要。

冷凝式天然氣鍋爐和鍋爐排煙余熱利用裝置可有效提高天然氣利用熱效率，國內外學者針對不同燃氣鍋爐增效方式進行了研究。Kuck通過調整空氣溫度和濕度，顯著提高了煙氣潛熱和熱效率[3]。Butcher等人指出回收高溫煙氣中廢熱可以有效提高燃氣鍋爐能源利用效率[4]。何天榮[5]、趙欽新等人[6]探討了冷凝式鍋爐尾部特有安全問題與預防措施。寇廣孝等人依據熱平衡原理，分析了基于天然氣低熱值計算的冷凝式供熱鍋爐熱效率，并給出了冷凝式供熱鍋爐燃用典型燃料的熱效率[7]。陳興華[8]、張玉梅等人[9-10]研究了冷凝式供熱鍋爐的熱工性能和熱效率。車得福等人實驗研究了廢氣溫度對煙氣潛熱的影響，并分析了冷凝式天然氣鍋爐熱能回收利用的節能潛力、可行性與經濟性[11]。結果表明，當煙氣溫度降至40 ℃時，水蒸氣中70%的潛熱可以回收利用，冷凝鍋爐熱效率比排煙溫度為180～250 ℃的傳統鍋爐高13.5%～16.6%。笪耀東等人分析了不同過量空氣系數下熱效率與煙氣溫度的關系[12]。田貫三等人研究了鍋爐熱效率與廢氣溫度的關系，當廢氣溫度從200 ℃降到30 ℃時，實際熱效率可從77%～92%提高至103%～108%[13]。王隨林課題組對煙氣冷凝換熱裝置傳熱傳質的強化、防腐及集成設計技術進行了實驗工程及模擬研究工作[14-19]。Zhang對燃氣鍋爐冷凝換熱裝置進行節能改造后，當排煙溫度從150～200 ℃降低到50 ℃時，鍋爐熱效率可提高10%以上[20]。劉民科等人將煙氣冷凝余熱深度回收利用裝置應用于天然氣鍋爐房余熱利用節能改造工程中，可將排煙溫度從190～200 ℃降低到50 ℃，熱效率提高9%以上，基于天然氣低熱值計算的鍋爐總熱效率提高到105%[21]。尹榮杰等人探討了29 MW燃煤鍋爐煙氣凈化與熱回收一體化系統優化方案，當鍋爐排煙溫度從160 ℃降至45～60 ℃時，回收煙氣余熱2.35～2.70 MW，節能6.2%～7.1%[22]。馬兆康等人采用煙氣冷凝余熱梯級深度利用技術回收70 MW大型燃氣供熱鍋爐的余熱，排煙溫度可從172.2 ℃降至39.7 ℃，節能14.2%，基于天然氣低熱值計算的鍋爐熱效率為107.8%[23]。

寧夏回族自治區所處氣候分區屬嚴寒B區，年平均氣溫為6.4～9.0 ℃，供暖室外計算溫度為-13.6～-12.0 ℃[24]，供暖季5個月，是我國主要的供暖區域之一。截至2018年底，全區城市集中供暖面積為2億m2，其中熱電廠供暖占66.5%，天然氣鍋爐供暖占17.3%，燃煤鍋爐供暖占16.2%。寧夏除冬季供暖外，還涉及冶金、醫藥、機電、建材和煤炭等用能行業，隨各行業快速發展，工業廢氣排放量呈增長趨勢，且工業用能設備排煙溫度較高，排煙余熱利用不充分，造成大量能源浪費。為此，政府出臺了清潔燃煤熱電聯產、大型高效節能環保鍋爐集中供暖、工業余熱供熱供暖、燃氣供暖等相應清潔供暖實施方案[25]。

本文對寧夏地區供熱及工業燃氣鍋爐運行狀況和供熱能力進行了實測調研與節能減排潛力分析，旨在提高天然氣利用水平，大幅度提高能源利用熱效率及減少氮氧化物排放，為燃氣供熱與燃氣工業鍋爐的降氮增效節能減排改造提供依據，為提高供熱與工業燃氣用能水平提供參考數據。

1 檢測設備及方法

對供熱與工業燃氣鍋爐運行參數進行跟蹤檢測，主要檢測參數包括鍋爐供回水溫度、循環水流量、燃氣量、含氧量、煙氣溫度等。主要檢測儀器與設備見表1。采用反平衡法測量鍋爐熱效率。

表1 主要檢測參數及儀器設備

2 供熱鍋爐

2.1 鍋爐房設置

在2019—2020年供暖季，利用現場采集鍋爐運行數據信息平臺數據、工程實測、現場訪問等方式，調研了寧夏地區鍋爐房46座(供熱37座、工業9座)，鍋爐167臺(供熱154臺、工業13臺)，總容量639 t/h(供熱510 t/h、工業129 t/h)，供熱用戶包括住宅、學校、醫院等，供熱面積640.9萬m2，工業用戶包括化工、食品、新能源工廠等。鍋爐出廠年份為2004—2019年，如圖1所示。進口鍋爐占82.14%，國產鍋爐占17.86%，燃燒器均為進口。

單臺鍋爐容量為0.5～8.5 t/h，其中，容量小于4.5 t/h的鍋爐約占95%，大于4.5 t/h的鍋爐約占5%，以中小型鍋爐為主，不同容量鍋爐房分布如圖2所示。

注：圖中百分數表示鍋爐房數量占比。圖2 有不同容量鍋爐的鍋爐房數量與占比

調研鍋爐房供熱量為0.7～28 MW，單座鍋爐房內鍋爐臺數為1～12臺。其中，有單臺鍋爐(0.7～2.8 MW)的占16%，2～3臺鍋爐(1.4～8.4 MW)的占56%，4～8臺鍋爐(5.6～22.4 MW)的占23%，8臺以上鍋爐(25.2～28.0 MW)的占5%，如圖3所示。由于鍋爐房空間狹小，低氮改造宜采用超低氮燃燒器，并且占據空間小，安裝簡單。

注：圖中百分數表示鍋爐房數量占比。圖3 有不同鍋爐數量的鍋爐房數量與占比

2.2 供熱狀況

調研鍋爐房總供熱面積為516萬m2，單座鍋爐房供熱面積為0.3萬～51.0萬m2。其中，供熱面積大于10萬m2的鍋爐房占60%，小于5萬m2的鍋爐房占35%，如圖4所示。

注：圖中百分數表示鍋爐房數量占比。圖4 不同供熱面積的鍋爐房數量與占比

單位容量鍋爐供熱面積為0.15萬～1.72萬m2/(t/h)，平均供熱面積為0.79萬m2/(t/h)，其中小于單位容量鍋爐平均供熱面積的鍋爐房占56%，大于平均供熱面積的鍋爐房占44%。單位面積鍋爐房供熱量為3.6～116 W/m2，平均供熱量為30 W/m2，小于平均值的鍋爐房占67%，大于平均值的鍋爐房占33%，如圖5所示。

圖5 單位容量鍋爐供熱面積及單位面積鍋爐房供熱量

鍋爐一次供水溫度為40～80 ℃，一次回水溫度為30～60 ℃，二次供水溫度為25～60 ℃，二次回水溫度為20～55 ℃，如圖6所示。

圖6 鍋爐供水與回水溫度

2.3 鍋爐房能耗與鍋爐熱效率

1) 鍋爐房耗氣量。

2019—2020年供暖季鍋爐房總耗氣量與單位供熱面積耗氣量如圖7所示。單位面積耗氣量為7.27～12.57 m3/(m2·a)，平均耗氣量為9.52 m3/(m2·a)。大于平均耗氣量的鍋爐房占58%，小于平均耗氣量的鍋爐房占42%。

圖7 鍋爐房耗氣量

2) 過量空氣系數。

煙氣過量空氣系數為1.0～1.7，其中，過量空氣系數為1.0～1.2的鍋爐房占15%，過量空氣系數為1.2～1.4的鍋爐房占72%，過量空氣系數為1.4以上的鍋爐房占13%，如圖8所示。

注：圖中百分數表示鍋爐房數量占比。圖8 不同過量空氣系數下鍋爐房數量與占比

3) 排煙溫度。

鍋爐房排煙溫度分布如圖9所示。鍋爐排煙溫度為90～190 ℃，其中排煙溫度為130～190 ℃的鍋爐房占85%，低于130 ℃的鍋爐房占15%。若將排煙溫度降到煙氣露點溫度以下，回收煙氣中水蒸氣汽化潛熱，煙氣余熱回收節能潛力可觀。

注：圖中百分數表示鍋爐房數量占比。圖9 不同排煙溫度下鍋爐房數量與占比

4) 鍋爐熱效率。

鍋爐熱效率為91.5%～95.8%，如圖10所示。

圖10 鍋爐熱效率

5) 煙氣余壓。

鍋爐房排煙余壓為-80～160 Pa，如圖11所示。其中，余壓大于40 Pa的鍋爐房占19%，余壓為0～40 Pa的鍋爐房占51%，余壓為-40～0 Pa的鍋爐房占24%，存在負壓說明鍋爐排煙動力不足。

2.4 氮氧化物排放

煙氣氮氧化物排放量為42.8～130.2 mg/m3，如圖12所示。比《銀川市燃氣鍋爐低氮改造工作實施方案》要求的氮氧化物排放量30 mg/m3高43%～333%，降氮改造潛力明顯。由于鍋爐房中安裝空間有限，氮氧化物改造宜采用超高效燃燒器，可使得鍋爐房布置簡單。

圖12 氮氧化物質量濃度與鍋爐房數量及占比

3 工業鍋爐

調研工業鍋爐房共9座(鍋爐13臺)，總容量129 t/h，工業用戶包括化工、食品、新能源工廠等。

3.1 鍋爐房設置

單臺鍋爐出力情況如圖13所示。由圖13可見，單臺鍋爐出力范圍為0.5～11 t/h，平均出力為5.5 t/h。鍋爐出力受生產工藝、燃燒狀況、氣象條件等因素的影響。

圖13 鍋爐出力

3.2 過量空氣系數

鍋爐排煙過量空氣系數為1.00～1.47(如圖14所示)，其中，過量空氣系數為1.00～1.20的鍋爐占62%，過量空氣系數為1.20～1.47的鍋爐占38%。

圖14 過量空氣系數

4 節能減排潛力分析

4.1 供熱鍋爐

1) 煙氣余熱利用提高的鍋爐熱效率。

鍋爐煙氣溫度與回水溫度如圖15所示。若對燃氣鍋爐采用防腐高效煙氣余熱回收設備進行煙氣余熱回收節能改造，排煙溫度降到高于回水溫度5 ℃時，燃氣利用低熱值熱效率如圖16所示。若煙氣用于加熱一次網回水，基于天然氣低熱值計算的鍋爐熱效率為100.9%～103.4%，提高鍋爐熱效率4.6%～10.1%，其中潛熱占23%～60%；若煙氣用于加熱二次網回水，燃氣利用低熱值熱效率為100.7%～109.9%，提高鍋爐熱效率5.9%～16.8%，其中潛熱占46.2%～66.1%，回收煙氣余熱顯熱與潛熱占比如圖17所示。

圖15 供熱鍋爐煙氣溫度與回水溫度

2) 煙氣冷凝余熱回收率。

若煙氣余熱回收節能改造加熱一次網回水，煙氣余熱回收率為34%～69%；加熱二次網回水，煙氣余熱回收率為85%～95%。如圖18所示。

圖18 供熱鍋爐煙氣余熱回收率

3) 煙氣冷凝水量。

圖19顯示了單位容量鍋爐冷凝水量與煙氣除霧率。若單位容量鍋爐進行煙氣冷凝余熱利用，加熱一次網回水每天可產生煙氣冷凝水0.3～1.5 t/d，煙氣除霧率為10.6%～54.8%；加熱二次網回水每天可產生煙氣冷凝水0.8～2.4 t/d，煙氣除霧率為37.0%～81.6%。在冷凝過程中，煙氣冷凝水對CO2、NOx具有吸收凈化作用。

圖19 單位容量供熱鍋爐冷凝水量與煙氣除霧率

4.2 工業鍋爐

1) 煙氣余熱利用提高的鍋爐熱效率。

工業鍋爐排煙溫度為61.8～175.5 ℃，鍋爐補水溫度為20 ℃，如圖20所示。

圖20 工業鍋爐排煙溫度與補水溫度

工業鍋爐熱效率為89.2%～96.1%。當鍋爐煙氣加熱補水后，排煙溫度比補水溫度高5 ℃時，燃氣利用低熱值熱效率為99.5%～108.8%，提高鍋爐熱效率9.5%～14.1%，其中潛熱占比為56%～85%，如圖21所示。

圖21 工業鍋爐燃氣利用熱效率及回收煙氣余熱中顯熱與潛熱占比

2) 煙氣余熱回收率。

若燃氣鍋爐進行煙氣余熱回收節能改造，當煙氣加熱補水，煙氣余熱回收率為93%～95%，如圖22所示。

3) 煙氣冷凝水量與煙氣除霧率。

單位容量工業鍋爐進行煙氣冷凝余熱利用，煙氣加熱鍋爐補水后，每天可產生煙氣冷凝水1.7～2.5 t/d，煙氣除霧率為80%～82%，如圖23所示。

圖23 單位容量工業鍋爐冷凝水量與煙氣除霧率

4.3 節能減排潛力分析

2020年寧夏地區天然氣消耗量約為30億m3，其中，供熱鍋爐耗氣量5億m3，工業鍋爐耗氣量25億m3[26]。

該地區供暖季為5個月，若煙氣余熱加熱一次網回水，排煙溫度降到40～52 ℃，節能率為4.7%～10.9%，每個供暖季可節約天然氣2 300萬～5 200萬m3，減少氮氧化物排放量190～760 t，減少CO2排放量4萬～10萬t，回收冷凝水8萬～45萬t；若煙氣余熱加熱二次網回水，排煙溫度降到25～46 ℃，節能潛力為5.9%～16.8%，每個供暖季可節約天然氣2 900萬～7 600萬m3，減少氮氧化物排放量200～760 t，減少CO2排放量5萬～15萬t，回收冷凝水25萬～70萬t。

若工業燃氣鍋爐耗氣量以25億m3/a計，排煙溫度降到25 ℃，節能率為9.5%～14.1%，每年可節約天然氣2.2億～3.3億m3/a，低氮改造氮氧化物降至30 mg/m3，每年可減少氮氧化物排放量880～3 200 t/a，減少CO2排放量43萬～65萬t/a，回收煙氣冷凝水250萬～360萬t/a。

超低氮燃燒與排煙余熱深度回收高效利用技術在北方地區應用，節能、節水、減排，社會環境經濟效益巨大。

5 結論

1) 寧夏地區供熱鍋爐以中小型鍋爐為主。氮氧化物排放量為43～130 mg/m3，比當地低氮改造氮氧化物排放量要求的30 mg/m3高43%～333%。由于鍋爐房空間狹小，低氮改造宜采用超低氮燃燒器，占據空間小，安裝簡單。

2) 調研的80%以上供熱鍋爐排煙溫度為130～190 ℃，回水溫度為20～47 ℃，若將排煙溫度降到25～53 ℃，排煙余熱回收利用可提高鍋爐效率6%～17%，余熱回收率34%～95%，其中回收的潛熱占23%～66%；單位容量鍋爐每天還會產生煙氣冷凝水0.3～2.4 t/d，煙氣除霧率為11%～81%。

3) 調研的工業鍋爐排煙溫度為62～175 ℃，若將排煙溫度降到25 ℃，排煙余熱利用可提高鍋爐效率10%～14%，余熱回收率93%～95%，其中回收的潛熱占56%～85%；單位容量鍋爐每天還會產生煙氣冷凝水1.7～2.5 t/d，煙氣除霧率為80%～82%。

4) 該地區燃氣鍋爐降氮和排煙余熱利用節能、節水、減排，社會環境經濟效益巨大。