工业锅炉燃烧醇基燃料与燃煤的烟气特性比较

周春霄，刘柏谦

（北京科技大学，北京 100083）

引 言

燃煤工业锅炉是北京市大气颗粒物的重要来源之一[1]。其他省份，如河北、山西、内蒙等北京上风地区的燃煤量远远大于北京，燃煤对雾霾的贡献率也会远远大于北京[2]。

雾霾的来源，除了自然原因外，主要是机动车和燃煤。其中最难控制的是散煤燃烧，包括供热和炊事用煤。在没有替代的清洁燃料前，燃煤对雾霾的贡献无法削减，每到冬季雾霾就成为重要的社会议题。

甲醇是一种廉价的碳氢化合物，燃烧产物是二氧化碳和水，被认为是可以取代燃煤的清洁燃料。从甲醇燃料的发展看，目前其已经大量用作炊事燃料[3]，使用结果表明，这种燃料清洁方便，和液化石油气没有大的差别。

理论上讲，甲醇作为锅炉燃料使用是没有问题的，一些工业实践已经证明其作为锅炉燃料的可行性[4-6]。由于甲醇刚刚进入燃料角色，作为锅炉燃料的一些基本特征还缺少必要的基础研究。本文比较了煤和醇基燃料两种燃料锅炉的结构和燃料烟气的特性，并在现有炉膛设计方法基础上，给出了醇基燃料锅炉炉膛的设计思路，对于设计专门燃烧醇基燃料的工业锅炉具有一定的参考意义。

1 醇基燃料锅炉与燃煤锅炉的比较

1.1 比较的燃料

以经过热值调整后的醇基燃料为例，热值3.348×104kJ/kg（8 000 kcal/kg）。燃煤的烟气特性取文献[7]中的例题，低位发热量 Qar，net为 1.818×104kJ/kg（4 344 kcal/kg）。燃煤为京西安家滩无烟煤，其成分分析见表1。

表1 京西安家滩无烟煤成分分析%

1.2 锅炉结构

比较以文献[7]给出的链条锅炉为对象，将其改造成燃烧醇基燃料的锅炉。锅炉结构不变，即锅炉改造不动承压部件和炉膛结构，全部改造内容为撤销链条炉排、除渣设备和除尘装置，安装醇基燃料燃烧器。其余改造内容不涉及烟气特性，不赘述。详细锅炉结构见文献[7]中的例题，锅炉规范如下：锅炉型号SHL10-13/350；蒸发量10 t/h；蒸汽压力12.7 MPa（13 kg/cm2）；过热蒸汽温度350℃；给水温度105℃；冷空气温度30℃。

2 燃煤和醇基燃料燃烧产物的比较

尽管可燃物燃烧产物种类较多，但锅炉热力计算时主要关注理论空气量、三原子气体量（主要指二氧化碳）、理论氮气量和理论水蒸气量。在实际运行时，考虑空气过剩系数及漏风，会有更多空气进入炉本体，但上述气体理论量体积是受热面计算的基础。

2.1 甲醇的燃烧产物

甲醇燃烧的化学反应式为式（1）：

根据式（1）得到的燃烧产物产生率见表2。

表2 1 kg甲醇的燃烧产物

醇基燃料燃烧产物与燃煤燃烧产物的比较见表3。由表3可见，两种燃料的理论空气量几乎相同，但燃烧产物相差较大。烟气量的差别主要在于醇基燃料燃烧产生了较大的水蒸气量，是燃煤烟气水蒸气量的5倍；两者理论干烟气量十分接近，由于水蒸气的缘故，醇基燃料的理论烟气量比燃煤大0.784 m3/kg。

表3 燃煤与醇基燃料的理论燃烧产物比较m3/kg

2.2 燃烧产物焓值比较

在制作烟气焓温表时，需要计算所有烟气成分的烟气焓。气体焓值是气体比焓与气体成分产率的乘积。燃煤和燃烧醇基燃料的理论空气焓比较见图1。由图1可知，两种燃料燃烧的理论空气焓在计算范围内几乎完全相等。

不同烟气温度下，两种燃料燃烧产物中的理论氮气焓值见图2。由图2可见，这两种燃料的氮气焓值几乎完全相等，这是因为这两种燃料燃烧产生的理论氮气量几乎相等（醇基燃料3.95 m3/kg，燃煤3.972 m3/kg）。

图1 燃煤和燃烧醇基燃料的理论空气焓

图2 不同烟气温度下的理论氮气焓

不同烟气温度下的理论二氧化碳焓见图3。由图3可知，随着烟气温度升高，两种燃料燃烧产生的二氧化碳的焓差越来越大，100℃时两者理论二氧化碳焓十分接近，1 600℃时的理论二氧化碳焓差为1 230.63 kJ/kg。由于醇基燃料炉膛温度较低，醇基燃料理论二氧化碳焓比燃煤二氧化碳焓低，炉膛温度1 000℃时两种燃料二氧化碳焓值差为719.12 kJ/kg。

图3 不同烟气温度下的理论二氧化碳焓

不同烟气温度下两种燃料理论水蒸气焓的比较见图4。由图4可见，1 600℃时两种燃料燃烧产生的水蒸气焓差达到3 348.64 kJ/kg。比较图1～图4的烟气成分焓值可见，两种燃料的烟气焓值差异的主要贡献来自于烟气水蒸气焓差，其次是二氧化碳焓差。

两种燃料燃烧产物构成的理论烟气焓见图5。由图5可见，醇基燃料烟气焓明显高于燃煤烟气焓。1 600℃时两者烟气焓值差高达2 121 kJ/kg。这样的烟气特性差别将造成锅炉热力计算的巨大困难，即相同的烟气焓值对应的绝热燃烧温度相差很大，如烟气焓值10 090 kJ/kg时，燃煤烟气的绝热燃烧温度约为1 200℃，而醇基燃料的约为950℃，这将造成锅炉设计时，炉膛出口烟气温度选择的困难。

图4 不同烟气温度下的理论水蒸气焓

图5 燃煤和燃烧醇基燃料理论烟气焓

2.3 燃烧产物对炉膛设计的影响比较

为比较燃烧产物对锅炉炉膛的影响，需要作很多假设。这些假设目前还没有相应的实验数据支持，因此需要参照其他燃料种类选取，如受热面的灰污特性等。表4给出了炉膛热力计算的一些结果，其中燃煤的炉膛热力计算由文献[7]中算例给出，醇基燃料结果为本文计算所得。

由表4可见：（1）由于入炉热量差别很大，燃煤与醇基燃料的绝热燃烧温度的差别也很大，由此造成烟气平均热容相差很大。（2）二者火焰黑度相差很大，醇基燃料火焰黑度0.878 4，而燃煤火焰黑度只有0.285。醇基燃料的波尔兹曼数达到1.5，而燃煤只有0.49。这些结果直接影响到炉膛出口无因次温度的计算。

表4 炉膛中烟气的部分热力计算结果

由表4可知，相同锅炉结构在烧煤时的炉膛出口烟气温度965℃，改烧醇基燃料后炉膛出口烟气温度降低到728℃。这个计算结果对下游受热面设计影响很大。根据表3，改烧醇基燃料后烟气中的水蒸气含量增加了约4倍，锅炉烟气下游受热面不变的前提下，水蒸气可能提前凝结。因此，锅炉改造要做好凝结水收集和最后一级受热面的防腐准备。

醇基燃料炉膛出口温度计算满足了假设值与计算值（炉膛出口烟温和假设的炉膛出口烟温）之差小于100℃的合格标准（见表4），但醇基燃料锅炉热力计算采用的是燃煤锅炉的热力计算方法，其误差目前还不知道。另外，醇基燃料锅炉热力计算中一些重要参数，如热有效系数、灰污系数等都是直接影响锅炉热力计算的重要基础参数，目前还没有工业测试数据的支持，只能参照燃油、燃气和燃煤锅炉的经验选取。但从几台4 t/h～8 t/h醇基燃料锅炉的运行效果看，采用燃煤锅炉热力计算方法计算醇基燃料锅炉结果尚可[4]。

3 建议和展望

醇基燃料是一种来源广泛、经济方便的清洁燃料。由于醇基燃料历史短，一些设计参数没有像燃煤锅炉一样的试验数据支持，最重要的是没有像燃煤锅炉一样的炉膛设计方法。在锅炉热学基础理论基础上，借鉴其他燃料的设计参数，加上对一些参数基本物理意义的深刻理解，并对照醇基燃料燃烧表现来选择设计参数（如灰污系数、热有效系数等），是目前醇基燃料锅炉设计的可行方法。

根据几台燃煤锅炉（4 t/h～8 t/h）改造成醇基燃料锅炉的经验，参照燃煤锅炉经验进行的锅炉改造已经显示出醇基燃料作为工业锅炉燃料的巨大优势。这些优势一方面显示在环境效应上，几台锅炉排放的NOx质量浓度测试结果均低于20 mg/m3，粉尘和二氧化硫为可忽略量级；另外，醇基燃料锅炉的节能性和经济性相对于燃气锅炉都有很大优势[8]。

推广醇基燃料是消除雾霾的有效能源对策，值得政府和社会各界关注。