1、燃油锅炉的运行及热效率分析与探讨摘要：介绍燃油燃气锅炉的燃烧、构造的特点及锅炉的类型。分析得出影响燃油锅炉热效率的最主要影响因子为排烟温度、排烟处干烟气体积和过量空气系数。进年来燃油锅炉的数量在不断增加，由此引出一系列的检测问题，在实际操作基础上，出现了一些问题，对此，结合燃油锅炉的运行与现场监测，提出一些观点和建议。1 前言1.1、燃油的燃烧特点燃油是一种液体燃料，它的沸点总是低于着火点，所以燃油的燃烧总是在气态下进行的。燃油经雾化后的油粒喷进炉膛以后，被炉内高温烟气所加热，进行气化，气化后的油气和周围空气中的氧相遇，形成火焰。燃烧产生的热量有一部分传给油粒，使油粒不断气化和燃烧，直到燃烬。
2、油粒直径越小，油粒的燃烧愈快。同样，油粒燃烧所需的氧能及时地供给，油粒的燃烧也愈快。因此要强化油的燃烧必须做到以下几点：1） 、提高雾化质量，减小油粒直径；2） 、增大空气与油粒的相对速度；3） 、合理配风。1.2、燃油燃气锅炉结构特点及类型1） 、燃油燃气锅炉结构特点燃油燃气锅炉不同于燃煤锅炉，它需要使用燃烧器将燃料喷入锅炉炉膛，采用火室燃烧而无须使用炉排设施。由于燃油燃气锅炉燃烧后均不产生燃料灰渣，故燃油燃气锅炉无须排渣设施。喷入炉内的油气如果与空气在一定范围内混合或熄灭，就容易爆炸。因此燃油燃气锅炉均需采用自动化的燃烧与控制系统。燃油燃气锅炉结构紧凑，小型的锅炉本体及其通风、给水、控制与
3、辅助设备均设置在一个底盘上，大中型的也可组装出厂。现将燃油燃气锅炉的主要受压元件与连接方式分述如下：火管锅炉的主要受压元件：锅壳、管板、炉胆、烟管；水管锅炉的主要受压元件：锅筒（汽包） 、水冷壁、锅炉管束、蛇形管、集箱；燃油燃气锅炉的主要受压元件的连接方式：主要为焊接，部分也可胀接。2)、燃油燃气锅炉类型a、卧式内燃火管锅炉锅壳纵向轴平等于地面且燃烧室包含在本体里面的火管锅炉称卧式内燃火管锅炉。卧式内燃火管锅炉的特点:炉胆是该类型锅炉的燃烧室。燃烧器喷嘴置于炉胆前部，燃烧产生的高温烟气延伸到后部，离开炉胆后折返空间（回燃室） ，近返后进入第二回程（烟管） ，如折返一次则称二回程锅炉，如折返二次
4、则称三回程锅炉，以此类推，一般折返次数不超过四次，最常见的是三回程锅炉。此类型锅炉根据炉胆后部烟气折返空间的结构型式可分为干背式锅炉和全湿背式锅炉（干背式锅炉和全湿背式锅炉的结构简图见蒸汽锅炉安全技术监察规程 。干背式锅炉的烟气折返空间是由耐火材料转围成的；全湿背式锅炉的烟气折返空间是由浸在水中的回燃室组成的。另外有一种中心回燃锅炉：即炉胆后壁密封在锅壳里面，烟气碰到后由炉胆四周内壁折回前部。此类锅炉也可视为全湿背式锅炉。干背式锅炉虽然结构简单，但炉胆后部的耐火材料容易损坏，且后管板经常受到高温烟气的直接冲刷，温差较大，所以干背式锅炉属于淘汰型，目前基本上很少有厂家生产；全湿背式锅炉虽然结构复
5、杂一点，但避免了折返空间的烟气密封问题，更适合于微正压燃烧，所以目前大多数厂家的此种类型的锅炉均为全湿背式。卧式内燃火管锅炉的技术限制：卧式内燃火管锅炉的锅壳和炉胆都是圆筒形元件，为保证安全运行，它们都必须有足够的强度和钢度。由于圆筒形元件的壁厚与筒体直径和压力的乘积成正比，所以无论锅壳或是炉胆，直径的增大和压力的提高，都意味着壁厚的增加。通过技术经济比较，若锅壳直径太大，其制造成本会超过同等容量和压力的水管锅炉，是不经济的；对于炉胆，若壁厚超过 21-22mm，则将导致热应力过大，危及锅炉运行安全。因此，燃油燃气卧式内燃火管锅炉的工作压力一般都不超过 2.0MPa；锅炉的出力，单炉胆锅炉一般
6、不超过 15t/h；双炉胆锅炉一般不超过 30t/h。b、水管锅炉当锅炉容量30 t/h 时，水管锅炉的各项指标明显优于火管锅炉，唯一需要注意的是燃油气的燃烧特性要求微正压通风，所以对炉墙的强度和密封要求都很高。水管锅炉的主要型式有 D 型、A 型和 O 型。三种型式的共同特点是：卧式布置，燃烧器水平安装，操作检修方便，宽高度尺寸较小，长度伸缩性较大，适合于锅筒系列化生产。其中 D 型锅炉是双锅筒纵置式，右（左）侧为水冷壁，左（右）是上锅筒之间的对流管束，根据需要可布置过热器或省煤器；O 型也是双锅筒纵置式，上锅筒长，下锅筒短，前部炉膛两侧的水冷壁管在下部弯向对方并与其下集箱相连，燃烧器前部布
7、置；A 型单锅筒纵置式，炉膛和对流管束均由上锅筒和两侧下集箱之间的管子构成，前部布置燃烧器，本锅炉尾部可设过滤器。c、小型立式锅炉锅壳纵向轴线垂直于地面的锅炉为立式锅炉。其燃烧器一般布置在炉顶。中心是一个炉胆，烟气在炉底折返向上流动，冲刷翘片管形成的夹套中被加热，在上部分离出蒸汽；燃烧器也可布置在下部侧面，在炉胆中燃烧后向上冲刷烟管，水在烟管外锅壳里被加热。1. 3 燃油燃气锅炉的选择原则燃油燃气锅炉的选型除按技术与经济相结合的原则来考虑外，还应综合考虑业主的意图，并结合环保、消防、劳动部门的意见，以安全、环保为主。下面列出几条需注意的选用原则：a、应自动化运行，安全有保障，有可靠的自控和保护
8、装置。b、选择信誉好，售后服务好的锅炉产品厂家。c、锅炉性能需与用户用热用汽特性一致，适应性好。用户负荷有较大变化时，敏感性要高，追踪性要快，压力要稳定。d、视锅炉布置位置及要求，选择立式或卧式锅炉。e、视用户供汽时间要求，可选择快速锅炉，一般在 3-5 分钟可体供汽。f、要求用户提供负荷曲线，以便核实所选锅炉的出力和性能。1.4 燃油燃气锅炉的优点a、具有显著的环境效益燃油、天然气在锅炉炉膛内燃烧迅速、完全, 热效率高。在当前市场上的各类锅炉中, 烧天然气锅炉的热效率不容置疑地为最高, 最先进的已高达94%。燃烧越彻底, 排放的有害物质也就越少。油、气燃烧后几乎不产生灰渣, 二氧化硫、二氧化
9、碳的排放量也极少, 因此被称为清洁燃料或绿色燃料或环保燃料, 燃油燃气锅炉因此被称为环保型锅炉。此外, 燃煤改烧燃油燃气后, 锅炉房司炉工的工作环境大大改善, 摆脱了原来灰尘弥漫的境地。用司炉工的话说, 就是从“地狱”到“天堂” 。b、自动化程度高, 安全可靠性高,燃油燃气锅炉自控程度高, 进口设备还配有微电脑控制设备, 实现了锅炉启动、停炉程序控制, 燃烧、给水、油压和油温、气压的自动调节以及高低水位、熄火、超压和低油压的自动保护 。因此, 司炉工工作强度大大降低, 操作可靠性增加, 杜绝了锅炉运行重大事故发生的可能性, 也为锅炉房减员增效创造了有利条件。C、体积小, 结构紧凑, 外形美观燃
10、油燃气锅炉不用像燃煤锅炉那样设置复杂庞大的破碎、输送燃煤设施和燃烧及除尘设备。因此在同样的热负荷下, 燃油燃气锅炉结构紧凑、体积小、重量轻、占地面积小, 可减少建筑投资。燃油燃气锅炉外形比燃煤锅炉更新颖、美观, 可满足现代人越来越高的审美需求。我国自 20 世纪 80 年代以来, 大中城市的高层民用建筑有了较大的发展。如上海自 1998 年以来, 平均每年约建一百五十幢高楼, 目前已有高层建筑二千一百余幢。各地众多高层建筑的出现, 给与之配套的锅炉房设置带来一系列新问题, 而安装灵活、操作方便的燃油燃气锅炉在这些场合显示出极大优越性。1.5、燃油燃气锅炉的现状1、国产、进口燃油燃气锅炉并存国内
11、目前已有五十多家锅炉厂生产燃油燃气锅炉, 产品品种规格齐全。蒸汽锅炉的单台蒸发量最低为 0. 2t h, 最高可达 65t h; 压力有 0 1 4M Pa、0. 7M Pa、1. 0M Pa、1 1 25M Pa、2. 45M Pa、3. 82M Pa 等六种; 可生产饱和蒸汽、过热蒸汽, 温度有 250、350、400、450等五种。热水锅炉单台供热功率最低为 0. 3MW , 最高可达 21MW ; 压力有常压 0. 7M Pa、1. 0M Pa、1. 25M Pa; 供热温度有 80、95、115、130等。我国燃油燃气锅炉的产量和质量均能满足国内锅炉房建设的需要, 但是大部分锅炉还是
12、配用进口的燃烧器, 配用国内燃烧器的比例较小 3 。进口燃油燃气锅炉主要来自德国、美国、英国、瑞士、意大利、日本、韩国等七个国家。据统计, 仅上海就约有一千多台进口锅炉。与锅炉配套的进口燃烧器有德国、美国、英国、法国、意大利、日本、瑞典、韩国等八个国家的几十种品牌, 其中应用最多的是德国威索牌燃烧器。2、 燃油锅炉使用较多, 燃气锅炉使用较少目前的燃油燃气锅炉中, 燃油锅炉较多, 燃气锅炉较少。主要有两方面的原因妨碍燃气锅炉的应用。一是天然气产量与需求量的矛盾, 地区性气源的制约成为燃气锅炉推广的障碍。随着我国“西气东输”工程的全面启动及国家能源政策向燃气事业的倾斜,天然气供应量将进一步提高。
13、二是燃气锅炉管网的铺设成本比较高, 使天然气供热收费较高, 在当前用户的收入条件下存在收费困难的问题。燃油锅炉中, 电站等行业用的大容量锅炉常以燃用重油为主, 中小型锅炉通常燃用轻柴油。燃油锅炉因不受使用条件的限制, 成为众多用户替换燃煤锅炉的理想产品。但燃油锅炉初投资大, 且油价不断上涨, 很多用户已感到使用燃油锅炉的代价实在昂贵。一些用户把购买热点转向既清洁无污染又使用方便的以电力作为能源的供热采暖产品。但是, 从我国目前的电力结构来看, 燃煤发电约占 75%。虽然电站锅炉烧煤粉比工业锅炉热效率高, 但仍存在对整个大气环境的污染问题。所以, 对电锅炉用户看似清洁无污染的电能, 从发电根源上
14、看还是有污染环境的危害。3、 国产燃烧器性能有待提高如前所述, 目前国内生产的燃油燃气锅炉上的关键部件燃烧器仍主要依赖进口。进口燃烧器自控程度高, 性能稳定。国产的燃烧器性能不够完善 , 自控程度有限, 用户信赖程度低。为此, 笔者建议, 我国锅炉和供暖行业有关专家应对燃烧器进行深入细致的研究, 锅炉制造厂家应该针对燃烧器增强设计、生产技术力量, 以提高燃油燃气锅炉用燃烧器的国产化率。4、 燃油燃气锅炉的前景展望来自全国经济、能源和中国暖通空调委员会的专家学者们已达成共识, 认为发展天然气是至关重要的。 “西气东输”工程一旦建成, 就能向上海地区供气 550 万方 日(相当于 20 亿方 年)
15、 , 沿途省(区) 市的用气也有充分保障。这就为燃气锅炉的未来发展奠定了燃料基础。另外, 小型壁挂式环保型锅炉, 因为燃用油、煤气和天然气使用方便且清洁高效, , 颇受中高档房地产市场的青睐, 尤其是在天然气供应充足的城市 , 如北京和 “西气东输”受益城市。我国建筑市场巨大, 据统计, 至 2010 年燃天然气供热的房屋建筑面积将会以每年约 6000 万 m2 的速度增长。目前 , 虽然燃油燃气供热的发展由于天然气和燃油的费用比电能高而受到限制, 国家和一些城市采取了优惠政策鼓励使用天然气等清洁能源。随着“西气东输”工程的建设, 天然气的价格将有所下降, 由此将大大推动燃油燃气锅炉, 尤其是
16、燃气锅炉的快速发展。5、燃油燃气锅炉的发展趋势随着我国改革开放的不断深化，全国各地经济建设的迅速发展，城市高层民用建筑的快速崛起，国家对环保工作提出更高要求，油气资源的大力开发，燃油燃气锅炉应用逐年上升。综观最近几年燃油燃气锅炉的发展炮，我们可以总结出未来的发展趋势如下：1） 、锅炉的高效率。2） 、结构简单。3） 、使用简易配套的辅机。4） 、全智能化自动控制并配有多级保护系统。5） 、配备燃烧器（送风机）和烟道消音系统，降低锅炉运行的噪音。6） 、应装备自动加药装置，水处理装置。7） 、配备其它监测和限制装置，至少应保证锅炉 24 小时无监督安全运行。2、燃油锅炉热效率21、燃油锅炉热效率
17、及影响因素分析工业锅炉作为目前大量使用的一种高耗能设备，在我国能源消费中占据着举足轻重的地位。近年来，随着我国国民经济的高速发展以及环保要求的提高和能源供应的逐渐多样化，在用工业锅炉中燃油锅炉的比例逐年上升，然而，随着油价的不断上涨及能源利用率的提高，怎样提高锅炉的热效率显得十分重要。因此，开展工业锅炉热工测试，保证燃油锅炉高效率运行，对节能减排具有十分重要的意义。由某燃油锅炉运行厂所测试燃油锅炉的热效率为 84. 15%90. 58% ; 排烟损失 q 2 为9. 07%15. 45%，气体未完全燃烧热损失 q 3 为 0. 002%0. 018% ; 散热损失 q 5 为 0. 34%1.
18、 76%。在所有热损失中，排烟热损失 q 2 占有极大比例，占总损失的 84. 73%97. 44%。因此，燃油锅炉主要的热损失是排烟热损失 q 2 。锅炉的各项热损失对锅炉的热效率都有着不同程度的影响，因此找出影响锅炉热效率的主要因子，对提高锅炉热效率具有一定的指导意义。燃油锅炉热平衡中减去有效利用的部分即为锅炉的热损失，主要包括以下几个部分: 排烟热损失(q2) 、气体未完全燃烧热损失(q3) 、散热损失(q5)。影响锅炉热效率的因素主要有排烟温度、排烟处干烟气体积、排烟处水蒸气体积、排烟处过剩空气系数、排烟处 RO 2、排烟处 CO 进风温度等。2.2 利用 spss 软件对锅炉热效率与
19、影响因素进行相关性分析。锅炉热效率与排烟热损失、排烟温度、排烟处干烟气体积、排烟处过量空气系数、排烟处 O 2 和排烟处 CO 呈极显著负相关 ; 与进风温度呈极显著正相关，进风温度影响锅炉炉膛温度，并影响着燃料的消耗量，风温越低，则达到相同的条件所需的燃料就会越多，同时，造成的排烟热损失增加，热效率降低。排烟热损失指烟气离开锅炉末级受热面时带走的部分热量，是燃油锅炉最主要的热损失。因此提高燃油锅炉热效率的主要途径是尽量减少排烟热损失 q 22 。排烟热损失与排烟温度、排烟处干烟气体积、排烟处过量空气系数、排烟处 O 2 和排烟处 CO 呈极显著正相关。排烟带走的热量，取决于排烟温度和烟气中各
20、组分的容积和比热，而排烟中各组分的容积除与燃料的成分有关外，主要决定于排烟处过量空气系数的大小。干烟气体积增加与排烟温度增加一样，同样会使排烟热损失提高，而且在某种程度上不亚于排烟温度。影响锅炉热效率的主要影响因子为排烟温度、排烟处干烟气体积和排烟处过量空气系数。排烟热损失是燃油锅炉热损失中的最大一项，排烟热损失的大小主要取决于排烟温度及排烟处干烟气体积，所以首先应降低排烟温度。有资料表明，排烟温度降低 1217 ，锅炉热效率提高 1%左右。2.3 降低排烟温度的主要措施目前，降低排烟温度主要措施有: 采用吹灰器对附在受热面上的积灰定期吹扫，未设置吹灰器的锅炉应定期清理受热面上积灰; 加大锅炉
21、尾部受热面，以降低排烟温度，如装设省煤器、空气预热器等。其次，降低排烟处干烟气体积和合理控制过量空气系数，尽可能减少过量空气使燃油在近于理论空气量下燃烧，即低氧燃烧。干烟气体积增大，排烟热损失也增大。影响干烟气体积的因素主要是过量空气系数。过剩空气系数过高，表示送风太多或者是漏风太多，使炉膛温度降低，这样将使烟气量增大，带出热量增多，降低了锅炉的热效率。减少过量空气系数可使排烟量减少，在排烟温度不变的情况下，使排烟热损失总量下降。降低过量空气系数，是燃油燃气锅炉降低热损失、提高热效率的重要途径，当过量空气系数降低 0. 1，烟气带走热量下降 2%3%，也就是锅炉的热效率可以提高 2%3%。因此
22、，合理控制过量空气系数对提高锅炉热效率，对节能减排具有重要意义。3、燃油锅炉出现的问题随着我国经济的发展和人们环保意识的提高，燃煤产生的烟尘、，等污染正逐渐被人们认识，因此油、气、电等清洁燃料被大力推广使用。烟台市政府颁布推广使用油、气、电等清洁能源以后，越来越多的企事业单位开始使用燃油设备。GB13271-2001锅炉大气污染物排放标准中已经规定了燃油锅炉污染物（包括烟气黑度、烟尘浓度、）的排放标准，以排放标准为基础 ，烟台市环境监测站对燃油锅炉的监测方法等方面积累了很多的经验。以油作燃料，不但发热量大，燃烧效率高，而且几乎没有灰分，操作、运行都很方便，自动化程度高，确实是一种比较经济、清洁
23、的方式。油的主要成分是碳氢化合物， 其中含有部分的硫、氮等，燃油产生的主要污染物是 ，和碳氢化合物 （包括未燃的碳氢化合物和燃烧过程生成的烟黑和其他有机碳氢化合物） 。在此就燃油锅炉的运行，对 GB 13271-2001 中烟气黑度、 ，的监测进行探讨 3.1 燃油锅炉的冒黑烟现象所谓的黑烟，实际上是直径大约在 0.010.15mm 的炭黑，它是由碳氢化合物不完全燃烧热分解产生的。在实际监测中，用黑度望远镜测试黑度一般为林格曼 3 5 级，冒黑烟现象不仅超过国家环境保护排放标准，而且造成不经济运行，损耗能源。黑烟（炭黑）的产生主要有两方面的原因，首先是雾化不良，要强化燃烧，必须要强化油的气化过
24、程，增加油燃烧反应的表面积，喷油嘴的好坏至关重要，喷油嘴是燃油锅炉的重要部件，现在燃油锅炉的燃油嘴大都是进口，以德国和意大利的为好。其次是混合不良、空气不足，只有混合均匀，油滴与氧充分的接触，才能完全燃烧。为此需要选择好调风器进行合理的配风，保证足够的空气与油混合。油的燃烧实际上是边蒸发、边混合、边着火燃烧，这样油在燃烧时，就不可能混合均匀，产生热分解往往是不可避免的，因此运行管理相当重要。另外，燃用以重油、渣油等碳氢比高的燃料，也容易出现冒黑烟。 但在 GB 13271-2001 中已经明确禁止在第时段（2001 年 1 月 1 日起）新建以重油、渣油为燃料的锅炉，所以日常环境管理非常重要。
25、3.2 燃油锅炉的烟尘污染由于燃料油中几乎没有灰分，所以在 GB 13271-2001 中提到的燃油锅炉排放烟尘实际上是指不完全燃烧产生的炭黑，在油炉运行正常情况下，一般烟尘（炭黑）浓度都能达到国家标准，但如果运行不正常，比如喷油嘴故障、风量调节不好，都能造成烟尘超标。当烟气量太大，空气过剩系数高，多余的空气不但不参加燃烧，反而吸热增加排烟热损失，运行不经济，烟尘实测浓度虽然低，但经过空气过剩系数折算后，反而升高。 当烟气量过低，空气过剩系数太少，空气不足造成不完全燃烧，生成炭黑，增大了烟尘排放浓度，甚至还会熄火，从而降低锅炉的热效率，所以合理的配风相当重要 。3.3 燃油锅炉的污染重油的含硫
26、量一般在 0.5% 5%，以重油做燃料，须先经过脱硫，工业上一般采用加氢脱硫。 汽油和柴油中油的含量一般为 0.25% 0.75%。 燃油排放的 SO 2 不仅与油的含硫量有关，而且还与炉温和空气过剩系数有关。 燃油锅炉排放的 SO 2 与空气过剩系数的关系如表 2。由图 2 可以看出，在燃烧过程中，随着空气过剩系数的增大，SO 2 浓度也逐渐增大，但是当过剩空气量达到一定数值时，一方面生成的 SO 2 被多余空气稀释， 另一方面，SO 2 在高温下发生如下反应 SO 2 +O 2 SO 3 ，因此 SO 2 浓度反而会下降。 在日常监测中， SO 2 浓度的监测数据差距很大也就是这个原因。3
27、.4 燃油锅炉的氮氧化物污染油燃烧生成 NOx 中的氮来源于燃料本身含氮的有机物和空气中的氮，因此 NOx 的生成浓度不仅与燃料的含氮量有关而且与过剩空气量有很大的关系。 实践证明，影响 NOx 生成的重要因素是温度、过剩空气系数、停留时间。 为了减少 NOx 的生成量，一般采用缩短烟气在高温区的停留时间。空气过剩系数越小，NOx 的产生量愈小，但是过剩系数不能太小，否则不完全燃烧容易产生炭黑，烟尘浓度升高。随着烟温的升高，空气量的增加，NOx 浓度增大，当空气量略大于理论空气量时，有较多的氧原子参加反应，NOx 浓度达到最大，随后虽然氧的浓度增大，由于温度下降的影响，NOx 生成量反而下降。
28、 所以，为避免 NOx 最大值出现，供给的空气应偏离理论空气量 。4、结论影响燃油锅炉热效率的主要因素是排烟温度，排烟处于烟气体积和排烟处 O 2 含量。SO 2 和 NOx 的监测还受监测分析方法、共存物质的影响，常用的 SO 2 分析方法是碘量法和定电位电解法，运用碘量法测试 SO 2 ，共存 H 2 S，NO 2 产生正干扰，O 2 产生负干扰，用仪器定电位电解法测试，共存 H 2 S 产生正干扰， NO 2 产生负干扰。 NOx 常用的分析 方法是盐酸萘乙二 胺 分 光 光 度 法 和 定 电 位电解法，SO 2 对 NOx 的测定产生正干扰。 用仪器法测定 SO 2 和 NOx 时，还受烟气湿度、测试烟道 形 状尺寸、仪器的性能 与 特 点 、测 试 人 员 自 身 的 经 验 等因素影响。掌握了燃油锅炉燃烧过程中排放污染物浓度与空气过剩系数、烟温和测试方法等因素的关系，在监测中，我们就能很好地控制锅炉运行工况，取得比较有代表性的数据， 并且对监测中出现的一些有疑问的数据， 我们都能通过以上各种影响因素进行分析比较，查找其中原因，找出合理的解释，保证监测数据的准确性、可靠性，为环境管理提供依据。
