周春霄，劉柏謙

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

引 言

燃煤工業(yè)鍋爐是北京市大氣顆粒物的重要來源之一[1]。其他省份，如河北、山西、內(nèi)蒙等北京上風(fēng)地區(qū)的燃煤量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北京，燃煤對(duì)霧霾的貢獻(xiàn)率也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北京[2]。

霧霾的來源，除了自然原因外，主要是機(jī)動(dòng)車和燃煤。其中最難控制的是散煤燃燒，包括供熱和炊事用煤。在沒有替代的清潔燃料前，燃煤對(duì)霧霾的貢獻(xiàn)無(wú)法削減，每到冬季霧霾就成為重要的社會(huì)議題。

甲醇是一種廉價(jià)的碳?xì)浠衔铮紵a(chǎn)物是二氧化碳和水，被認(rèn)為是可以取代燃煤的清潔燃料。從甲醇燃料的發(fā)展看，目前其已經(jīng)大量用作炊事燃料[3]，使用結(jié)果表明，這種燃料清潔方便，和液化石油氣沒有大的差別。

理論上講，甲醇作為鍋爐燃料使用是沒有問題的，一些工業(yè)實(shí)踐已經(jīng)證明其作為鍋爐燃料的可行性[4-6]。由于甲醇剛剛進(jìn)入燃料角色，作為鍋爐燃料的一些基本特征還缺少必要的基礎(chǔ)研究。本文比較了煤和醇基燃料兩種燃料鍋爐的結(jié)構(gòu)和燃料煙氣的特性，并在現(xiàn)有爐膛設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，給出了醇基燃料鍋爐爐膛的設(shè)計(jì)思路，對(duì)于設(shè)計(jì)專門燃燒醇基燃料的工業(yè)鍋爐具有一定的參考意義。

1 醇基燃料鍋爐與燃煤鍋爐的比較

1.1 比較的燃料

以經(jīng)過熱值調(diào)整后的醇基燃料為例，熱值3.348×104kJ/kg（8 000 kcal/kg）。燃煤的煙氣特性取文獻(xiàn)[7]中的例題，低位發(fā)熱量 Qar，net為 1.818×104kJ/kg（4 344 kcal/kg）。燃煤為京西安家灘無(wú)煙煤，其成分分析見表1。

表1 京西安家灘無(wú)煙煤成分分析%

1.2 鍋爐結(jié)構(gòu)

比較以文獻(xiàn)[7]給出的鏈條鍋爐為對(duì)象，將其改造成燃燒醇基燃料的鍋爐。鍋爐結(jié)構(gòu)不變，即鍋爐改造不動(dòng)承壓部件和爐膛結(jié)構(gòu)，全部改造內(nèi)容為撤銷鏈條爐排、除渣設(shè)備和除塵裝置，安裝醇基燃料燃燒器。其余改造內(nèi)容不涉及煙氣特性，不贅述。詳細(xì)鍋爐結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[7]中的例題，鍋爐規(guī)范如下：鍋爐型號(hào)SHL10-13/350；蒸發(fā)量10 t/h；蒸汽壓力12.7 MPa（13 kg/cm2）；過熱蒸汽溫度350℃；給水溫度105℃；冷空氣溫度30℃。

2 燃煤和醇基燃料燃燒產(chǎn)物的比較

盡管可燃物燃燒產(chǎn)物種類較多，但鍋爐熱力計(jì)算時(shí)主要關(guān)注理論空氣量、三原子氣體量（主要指二氧化碳）、理論氮?dú)饬亢屠碚撍魵饬俊Ｔ趯?shí)際運(yùn)行時(shí)，考慮空氣過剩系數(shù)及漏風(fēng)，會(huì)有更多空氣進(jìn)入爐本體，但上述氣體理論量體積是受熱面計(jì)算的基礎(chǔ)。

2.1 甲醇的燃燒產(chǎn)物

甲醇燃燒的化學(xué)反應(yīng)式為式（1）：

根據(jù)式（1）得到的燃燒產(chǎn)物產(chǎn)生率見表2。

表2 1 kg甲醇的燃燒產(chǎn)物

醇基燃料燃燒產(chǎn)物與燃煤燃燒產(chǎn)物的比較見表3。由表3可見，兩種燃料的理論空氣量幾乎相同，但燃燒產(chǎn)物相差較大。煙氣量的差別主要在于醇基燃料燃燒產(chǎn)生了較大的水蒸氣量，是燃煤煙氣水蒸氣量的5倍；兩者理論干煙氣量十分接近，由于水蒸氣的緣故，醇基燃料的理論煙氣量比燃煤大0.784 m3/kg。

表3 燃煤與醇基燃料的理論燃燒產(chǎn)物比較m3/kg

2.2 燃燒產(chǎn)物焓值比較

在制作煙氣焓溫表時(shí)，需要計(jì)算所有煙氣成分的煙氣焓。氣體焓值是氣體比焓與氣體成分產(chǎn)率的乘積。燃煤和燃燒醇基燃料的理論空氣焓比較見圖1。由圖1可知，兩種燃料燃燒的理論空氣焓在計(jì)算范圍內(nèi)幾乎完全相等。

不同煙氣溫度下，兩種燃料燃燒產(chǎn)物中的理論氮?dú)忪手狄妶D2。由圖2可見，這兩種燃料的氮?dú)忪手祹缀跬耆嗟?，這是因?yàn)檫@兩種燃料燃燒產(chǎn)生的理論氮?dú)饬繋缀跸嗟龋ù蓟剂?.95 m3/kg，燃煤3.972 m3/kg）。

圖1 燃煤和燃燒醇基燃料的理論空氣焓

圖2 不同煙氣溫度下的理論氮?dú)忪?/p>

不同煙氣溫度下的理論二氧化碳焓見圖3。由圖3可知，隨著煙氣溫度升高，兩種燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳的焓差越來越大，100℃時(shí)兩者理論二氧化碳焓十分接近，1 600℃時(shí)的理論二氧化碳焓差為1 230.63 kJ/kg。由于醇基燃料爐膛溫度較低，醇基燃料理論二氧化碳焓比燃煤二氧化碳焓低，爐膛溫度1 000℃時(shí)兩種燃料二氧化碳焓值差為719.12 kJ/kg。

圖3 不同煙氣溫度下的理論二氧化碳焓

不同煙氣溫度下兩種燃料理論水蒸氣焓的比較見圖4。由圖4可見，1 600℃時(shí)兩種燃料燃燒產(chǎn)生的水蒸氣焓差達(dá)到3 348.64 kJ/kg。比較圖1～圖4的煙氣成分焓值可見，兩種燃料的煙氣焓值差異的主要貢獻(xiàn)來自于煙氣水蒸氣焓差，其次是二氧化碳焓差。

兩種燃料燃燒產(chǎn)物構(gòu)成的理論煙氣焓見圖5。由圖5可見，醇基燃料煙氣焓明顯高于燃煤煙氣焓。1 600℃時(shí)兩者煙氣焓值差高達(dá)2 121 kJ/kg。這樣的煙氣特性差別將造成鍋爐熱力計(jì)算的巨大困難，即相同的煙氣焓值對(duì)應(yīng)的絕熱燃燒溫度相差很大，如煙氣焓值10 090 kJ/kg時(shí)，燃煤煙氣的絕熱燃燒溫度約為1 200℃，而醇基燃料的約為950℃，這將造成鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，爐膛出口煙氣溫度選擇的困難。

圖4 不同煙氣溫度下的理論水蒸氣焓

圖5 燃煤和燃燒醇基燃料理論煙氣焓

2.3 燃燒產(chǎn)物對(duì)爐膛設(shè)計(jì)的影響比較

為比較燃燒產(chǎn)物對(duì)鍋爐爐膛的影響，需要作很多假設(shè)。這些假設(shè)目前還沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，因此需要參照其他燃料種類選取，如受熱面的灰污特性等。表4給出了爐膛熱力計(jì)算的一些結(jié)果，其中燃煤的爐膛熱力計(jì)算由文獻(xiàn)[7]中算例給出，醇基燃料結(jié)果為本文計(jì)算所得。

由表4可見：（1）由于入爐熱量差別很大，燃煤與醇基燃料的絕熱燃燒溫度的差別也很大，由此造成煙氣平均熱容相差很大。（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。醇基燃料的波爾茲曼數(shù)達(dá)到1.5，而燃煤只有0.49。這些結(jié)果直接影響到爐膛出口無(wú)因次溫度的計(jì)算。

表4 爐膛中煙氣的部分熱力計(jì)算結(jié)果

由表4可知，相同鍋爐結(jié)構(gòu)在燒煤時(shí)的爐膛出口煙氣溫度965℃，改燒醇基燃料后爐膛出口煙氣溫度降低到728℃。這個(gè)計(jì)算結(jié)果對(duì)下游受熱面設(shè)計(jì)影響很大。根據(jù)表3，改燒醇基燃料后煙氣中的水蒸氣含量增加了約4倍，鍋爐煙氣下游受熱面不變的前提下，水蒸氣可能提前凝結(jié)。因此，鍋爐改造要做好凝結(jié)水收集和最后一級(jí)受熱面的防腐準(zhǔn)備。

醇基燃料爐膛出口溫度計(jì)算滿足了假設(shè)值與計(jì)算值（爐膛出口煙溫和假設(shè)的爐膛出口煙溫）之差小于100℃的合格標(biāo)準(zhǔn)（見表4），但醇基燃料鍋爐熱力計(jì)算采用的是燃煤鍋爐的熱力計(jì)算方法，其誤差目前還不知道。另外，醇基燃料鍋爐熱力計(jì)算中一些重要參數(shù)，如熱有效系數(shù)、灰污系數(shù)等都是直接影響鍋爐熱力計(jì)算的重要基礎(chǔ)參數(shù)，目前還沒有工業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)的支持，只能參照燃油、燃?xì)夂腿济哄仩t的經(jīng)驗(yàn)選取。但從幾臺(tái)4 t/h～8 t/h醇基燃料鍋爐的運(yùn)行效果看，采用燃煤鍋爐熱力計(jì)算方法計(jì)算醇基燃料鍋爐結(jié)果尚可[4]。

3 建議和展望

醇基燃料是一種來源廣泛、經(jīng)濟(jì)方便的清潔燃料。由于醇基燃料歷史短，一些設(shè)計(jì)參數(shù)沒有像燃煤鍋爐一樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，最重要的是沒有像燃煤鍋爐一樣的爐膛設(shè)計(jì)方法。在鍋爐熱學(xué)基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)上，借鑒其他燃料的設(shè)計(jì)參數(shù)，加上對(duì)一些參數(shù)基本物理意義的深刻理解，并對(duì)照醇基燃料燃燒表現(xiàn)來選擇設(shè)計(jì)參數(shù)（如灰污系數(shù)、熱有效系數(shù)等），是目前醇基燃料鍋爐設(shè)計(jì)的可行方法。

根據(jù)幾臺(tái)燃煤鍋爐（4 t/h～8 t/h）改造成醇基燃料鍋爐的經(jīng)驗(yàn)，參照燃煤鍋爐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的鍋爐改造已經(jīng)顯示出醇基燃料作為工業(yè)鍋爐燃料的巨大優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)一方面顯示在環(huán)境效應(yīng)上，幾臺(tái)鍋爐排放的NOx質(zhì)量濃度測(cè)試結(jié)果均低于20 mg/m3，粉塵和二氧化硫?yàn)榭珊雎粤考?jí)；另外，醇基燃料鍋爐的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性相對(duì)于燃?xì)忮仩t都有很大優(yōu)勢(shì)[8]。

推廣醇基燃料是消除霧霾的有效能源對(duì)策，值得政府和社會(huì)各界關(guān)注。