浅析燃气导热油锅炉节能改造的经济性和安全性

沈 俊 江苏省特种设备安全监督检验研究院常州分院

韩 钧 常州市武进质量技术监督局

浅析燃气导热油锅炉节能改造的经济性和安全性

沈 俊 江苏省特种设备安全监督检验研究院常州分院

韩 钧 常州市武进质量技术监督局

有机热载体锅炉具有低压高温、无水处理环节、加热温度稳定、调节方便、投资少等优点，广泛应用于纺织印染、建材、石化、合成纤维等行业。然而普遍排烟温度高，烟气余热未能得到利用，热效率较低。TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》第八条对有机热载体锅炉的排烟温度提出了要求，因此节能改造成为在用有机热载体锅炉的大势所趋。

由于能源结构调整，相当一部分有机热载体锅炉已经采用气体燃料。燃气锅炉自动化程度很高，在系统上有很多安全保护装置，在改造时如处置不当，会引起事故。

某单位对一台燃气导热油锅炉进行了节能改造，造成了炉膛爆炸。本文试从经济性和安全性两个方面对此案例进行分析和探讨。

1 事故过程

一台型号为YYW-6000Y(Q)的燃气锅炉进行了节能改造，增加了空气预热器，并对燃烧器进行工况适应性调整。2013年5月24日交付使用后燃烧器多次报警，6月1日再次发生报警后，操作人员点火时发生炉膛爆燃，造成锅炉烟箱盖板发生严重变形。

2 本案例的节能措施经济性分析

2.1 增加空气预热器以提高热效率

● 2.1.1 锅炉热效率分析

锅炉热效率η=100-Σq(%)[1]

Σq=q2+q3+q4+q5+q6(%)

燃气锅炉，因此q4=0；由于燃气锅炉的含灰量很小，q6可以忽略;

所以影响燃气锅炉热效率的因素主要为q2、q3、q5。

● 2.1.2 影响锅炉热效率的因素分析

查手册[2]知q5一般为1.5%～2%;气体燃料燃烧时，气体不完全燃烧热损失，q3＜0.5%，一般情况可以忽略；而q2排烟损失是燃气锅炉主要热损失，尤其对于有机热载体锅炉，出口介质温度一般可达300～320℃，排烟温度可达300℃,排烟损失更为突出。

按照排烟热损失现场快捷计算公式

计算出冷空气25℃(t1k＝25)时不同过量空气系数和排烟温度下的排烟热损失q2(%)，如表1所示[3]：

表1 冷空气25℃时不同过量空气系数和排烟温度下的排烟热损失q2（%）

由式（1）及表1可知，冷空气温度一定的情况下过量空气系数越大，排烟损失越大；排烟温度越高，排烟损失越大。而为保证完全燃烧，过量空气系数一般应在1.1～1.2左右，因此降低排烟温度成为减少排烟损失的重要途径之一。

● 2.1.3 降低排烟温度的方式

要降低排烟温度，必须对增加尾部受热面，以余热来提高能效利用率。余热利用包括只利用显热以及显热加潜热合并利用，对于有机热载体锅炉来说,可以采用空气预热器余热吸收法、蒸汽发生器余热吸收法、省煤器余热吸收法等几种形式。

在实践生产中，降低排烟温度的方法还取决于工艺流体的温度，所需的低品味热能的数量等。在本案例中，采用了空气预热器余热吸收法，在烟道中加装空气预热器，将排烟温度从300℃左右降低到160℃，当过量空气系数为1.1时，从表1中可知，排烟热损失从12.53%下降到6.23%，效率提高6.3%。此外，采用热空气燃烧后，可以提升炉内温度，辐射传热加强，可节省辐射受热面，相当以廉价的空气预热器受热面，起到了部分价格较高的辐射受热面的效果。

2.2 调整燃烧器适应工况以提高利用率

● 2.2.1 利用率及其意义

燃烧效率是指在锅炉中只考虑烟气损失而得到的效率，反映了燃料燃烧充分程度；锅炉效率是在燃烧效率的基础上,反映了燃料送入的热量中有效热量所占的百分数，而利用率则表示了有效热量的利用与消耗之比。

在锅炉效率的测定中，都是假定利用率为100%，有效热量被完全利用，而在实践生产中，这只是一种理想状态，锅炉的动态实时工况可能出厂热工测试时工况完全不同，甚至和在用热工测试时稳定工况也完全不同，作为能量的最终使用环节，必须考虑利用率。

● 2.2.2 提高利用率方式及途径

锅炉选型时要考虑锅炉利用率，既要考虑总的负荷范围；又要考虑负荷的高峰情况，包括高峰负荷持续时间，高峰的频率。一般锅炉的经济负荷在额定负荷75%以上，所以经常应使在用的锅炉的实际负荷应在本身额定负荷50%以上，也就是说制造厂提供的设备在额定出力50%～100%间应保持稳定的高效。生产使用上连续性要求较高须考虑备用设备。

燃气燃烧器的运行方式有单段火、两段火、两段渐进式以及比例调节式。同等条件下，优先采用比例调节式；经常较低负荷运行的锅炉，应针对燃烧工况进行适应性调整。尽量避免燃烧器反复起停，减少准备热损失。

燃烧器调节幅度要大，能适应锅炉负荷变化的需要，保证在不同工况下完全稳定地燃烧。

在本案例中，对燃烧器烧嘴、控制程序进行了调整，把分段运行改为比例调节式；针对实际工况对燃烧器运行工况进行优化，以更好的适应实际情况。

3 安全性分析

3.1 预热空气降低排烟温度的安全性分析

● 3.1.1 空气预热器安全性分析

积灰积碳和磨损。本案例中采用热管空气预热器，管箱的热管均装有较密集的翅片，翅片增加了传热面积。燃气虽不含有灰分，燃烧不完全时也会产生碳黑，来自空气中的灰尘也会沉积在表面，烟气侧翅片存在积灰及堵塞，应及时清理；空气预热器入口经长期冲刷，易产生磨损，应加装耐磨瓦。

● 3.1.2 高温空气的安全分析

本案例中，空气被预热到200℃运入炉膛，有助于改善燃烧和辐射条件，但同时也带来了燃爆风险。爆炸性气体混合物的原始温度越高,则爆炸极限范围越大,即爆炸下限降低而爆炸上限增高。因为系统温度升高,其分子内能增加,使更多的气体分子处于激发态,原来不燃的混合气体成为可燃、可爆系统,所以温度升高使爆炸危险性增大。表2为通过测定燃气的主要成分CH4在常温（18℃)、50℃、100℃、150℃、200℃下的爆炸极限[6]。

表2 CH4爆炸极限测定结果(√表示发生爆燃.×表示未发生爆燃)

从表2中可见，常温（18℃）时CH4爆炸极限为7%～15%，而200℃下爆炸极限为5%～17%，爆炸极限范围扩大了50%。而在工程实际中，炉膛及燃烧气混合温度、空气预热器烟气侧局部温度均在200℃以上。实际工况中，CH4不完全燃烧就会产生CO，而CH4与CO混合后，爆炸极限范围同样变大，见表3。

表3 CH4和CO的混合气体比例为3:1时爆炸极限测定结果

说明在熄火后，如果此时不进行吹扫就点火或者炉膛内存在高温点火源就更容易发生爆炸事故。

● 3.1.3 炉膛阻力增加的安全性分析

对鼓风、引风能力的验证。因加装空气预热器，锅炉烟气总阻力增加，应根据空气预热器的阻力，进行计算校核对鼓风、引风能力进行验证并以免，过量空气系数不恰当，燃烧不完全。

前吹扫风量测量和吹扫能力验证。锅炉烟气总阻力增加后，应按照TSG ZB001-2008《燃油(气)燃烧器安全技术规则》及TSG ZB002-2008《燃油(气)燃烧器型式试验规则》相关规定进行测量，以原额定输入热功率下的空气流量进行前吹扫，吹扫时间不小于20s；以小于原额定输入热功率下的空气流量进行前吹扫，应相应延长前吹扫时间。当实际吹扫空气流量低于原额定空气流量的50%，应对吹扫空气能力作调整，以符合规范要求。考虑到从炉膛到烟囱进口烟道总容积增加，总通风量也应相应增加，必要时应对原额定输入热功率下的空气流量进行修正，再进行前吹扫风量的测量。

在本案例中，再次发生报警后，操作人员重新启动锅炉，点火时发生炉膛爆燃，前吹扫的总通风量不足，是重要原因之一。

3.2 调整燃烧器适应工况的安全性分析

● 3.2.1 燃烧器经充分调试方可投入运行

本案例中，交付使用后燃烧器多次报警，说明未能在规定的燃料条件下正常运行，燃烧器调试存在严重缺陷，不符合TSG ZB001-2008《燃油（气）燃烧器安全技术规则》的规定。

● 3.2.2 燃烧器故障未排除不得使用

本案例中，交付使用后该燃烧器多次报警，一直未能排除隐患，仍在“带病运行”，直至事故发生，说明锅炉的运行管理存在严重缺陷。应对燃烧器的各个安全与控制装置进行检查，特别针对报警的原因和故障代码进行排除，以确保各项联锁保护功能和运行程序正常工作。

● 3.2.3 燃烧器其他管理要求

TSG ZB001-2008《燃油（气）燃烧器安全技术规则》规定型号发生改变的情况有：设计燃料范围发生改变；燃烧器结构尺寸发生改变；程序控制器、点火变压器、火焰监测器、安全切断阀、燃油油泵、电机、燃油预热装置、伺服马达等主要配件及其型号、参数、制造单位发生改变。型号变化需制造单位经过型式试验，有相应的型式试验证书，否则属于不符合安全技术规范的要求。

4 结束语

1）降低排烟热损失是提高燃气锅炉热效率的主要途径之一，降低排烟温度是降低排烟热损失的有效方法。

2）对于排烟温度较高的有机热载体锅炉，节能潜力更大。对于有机热载体锅炉来说,可以采用空气预热器余热吸收法、蒸汽发生器余热吸收法、省煤器余热吸收法等几种形式。

3）与燃烧效率和锅炉效率不同，利用率表示了有效热量的利用与消耗之比。而在实践生产中，作为能量的最终使用环节，必须考虑利用率。

4）对于气体燃料，特别是天然气，空气预热器的主要失效形式为积灰积碳和磨损。

5）空气被预热后燃烧，有助于改善燃烧和辐射条件，但同时爆炸极限范围增大，爆燃风险大大增加。因此前吹扫变得更加重要。

6）空气预热器安装后炉膛阻力增加，要对前吹扫风量测量和吹扫能力进行验证。

7）燃烧器要经过调试在工作范围正常运行，故障未排除，燃烧器不得投入使用。燃烧器的维护与调整必须符合相关安全技术规范的要求，遵守燃烧器型号的规定，变更型号需在型式试验的覆盖范围内。

8）使用单位应加强管理，操作人员应按章操作。燃烧器发出报警信号后，操作人员应按照规定，立即报告并排除故障；设备不能带病使用。

9）节能改造的前提是安全性必须满足。经济性和安全性须取得平衡。

1 李奇贺,朱倍芳.提高纺织印染工业有机热载体锅炉效率的有效方法.南京工业职业技术学院学报,2009.04

2 洪向道,等.锅炉房实用设计手册.北京:机械工业出版社, 2001,2

3 吴从容,黎华,李茂东,张振顶,叶向荣.天然气工业锅炉排烟热损失在线仿真计算.能源与节能,2002(1)

4 车得福.冷凝式锅炉及其系统.北京:机械工业出版社,2002(1)

5 郭全,史永征,潘树派.燃气锅炉的效率与利用率,中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会2007年年会论文集

6 李辉,李娜,黄思嘉,张勇,周屈兰.燃油/燃气锅炉爆燃特性实验研究.中国工程热物理学会多相流学术会议论文,编号: 1206138

2013－10－21）