燃?xì)忮仩t不完全燃燒原因分析與改進(jìn)措施

陳曉梅

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院泉州分院）

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，工業(yè)鍋爐作為高耗能、高排放裝置，節(jié)能減排問題引起了國(guó)家相關(guān)部門的高度重視。 天然氣作為清潔能源，逐漸開始代替煤油作為鍋爐燃料，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。 然而鍋爐運(yùn)行中，燃?xì)獠煌耆紵龁栴}客觀存在，不但不利于節(jié)能環(huán)保，也會(huì)在很大程度上影響鍋爐的安全運(yùn)行。

1 燃?xì)忮仩t不完全燃燒的原因與危害

燃?xì)忮仩t不完全燃燒不但會(huì)影響其熱效率，還會(huì)帶來諸多危害［1］。

燃?xì)忮仩t不完全燃燒的原因分析如下：

a. 燃?xì)饬亢惋L(fēng)量不匹配。 燃?xì)忮仩t運(yùn)行過程中， 鼓風(fēng)機(jī)將空氣加壓后送入爐內(nèi)與燃?xì)饣旌稀⑸郎亍⑷紵?，如果鍋爐燃燒調(diào)整不正常，燃?xì)饬亢惋L(fēng)量匹配不合理，將造成燃?xì)馊紵煌耆?，從而降低鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

b. 火焰溫度降低。 為確保燃?xì)饪梢猿掷m(xù)穩(wěn)定燃燒且形成完整火焰，應(yīng)當(dāng)確?；鹧婢S持在標(biāo)準(zhǔn)溫度， 如果火焰和低溫物體接觸導(dǎo)致其溫度降低，就會(huì)發(fā)生不完全燃燒現(xiàn)象。

c. 排煙不充分。 燃?xì)忮仩t運(yùn)行所產(chǎn)生的煙氣必須及時(shí)順暢地排出才能保證燃燒效率，如果沒有控制好煙氣排出導(dǎo)致部分煙氣停留在爐膛內(nèi)，從而讓燃燒所需空氣供給不足，也會(huì)發(fā)生不完全燃燒現(xiàn)象。

d. 爐膛內(nèi)燃?xì)馀c空氣未有效混合也容易導(dǎo)致燃燒不充分。

對(duì)燃?xì)忮仩t不完全燃燒的危害進(jìn)行總結(jié)，具體如下：

a. 降低熱效率。由于不完全燃燒現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致鍋爐爐膛內(nèi)形成還原性環(huán)境， 加之高溫環(huán)境下燃?xì)鈨?nèi)的高C分子成分開始碳化集結(jié)，滯留在煙管內(nèi)壁或水管外側(cè)，長(zhǎng)期就會(huì)形成較多煙灰，導(dǎo)致鍋爐受熱面熱阻提升，換熱率降低，排煙溫度逐步提高，排煙環(huán)節(jié)的熱損失過大，影響燃?xì)忮仩t的運(yùn)行效率。

b. 產(chǎn)生大量CO。 燃?xì)獠煌耆紵龝?huì)產(chǎn)生大量CO，如有泄漏，將對(duì)司爐工的身體健康甚至生命產(chǎn)生極大的威脅, 而且會(huì)增加鍋爐爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)鍋爐吹掃提出了更高要求，具有較大的安全隱患。

c. 燃?xì)獯罅肯摹?由于不完全燃燒導(dǎo)致爐膛內(nèi)一些燃?xì)馍形凑嬲齾⑴c燃燒，致使燃?xì)庀牧刻嵘?，?yán)重影響鍋爐的熱效率和經(jīng)濟(jì)性。

d. 產(chǎn)生碳黑。 燃?xì)忮仩t處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，火焰區(qū)兩側(cè)燃?xì)馀c氧化劑受熱， 燃?xì)鉄岱纸膺^程中，原始化合物的脫氫與碳原子逐漸集聚而產(chǎn)生重碳?xì)浠衔?，甚至出現(xiàn)較小的碳粒。 碳粒燃燒需要一定的時(shí)間，因?yàn)槿細(xì)獠煌耆紵龑?dǎo)致碳粒在尚未燃燼的情況下被燃燒產(chǎn)物帶走，最終產(chǎn)生碳煙，給生態(tài)環(huán)境帶來較大污染。

2 案例分析

燃?xì)忮仩t在正常運(yùn)行負(fù)荷工況下， 按照TSG G000 3—2010、TSG G0002—2010和GB/T 10180—2003的要求，采用反平衡法測(cè)量；測(cè)點(diǎn)位于鍋爐最后一節(jié)受熱面1 m內(nèi)的排煙出口處， 選用testo 340型煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)量。 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一臺(tái)WNS3-1.25-YQ型的天然氣鍋爐進(jìn)行熱效率簡(jiǎn)單測(cè)試，結(jié)果顯示：一氧化碳含量偏高，從21 458 ppm（1 ppm=0.001‰） 快速上升直至儀器的保護(hù)上限（表1），燃料不完全燃燒現(xiàn)象異常嚴(yán)重。

表1 某WNS3-1.25-YQ型鍋爐能效測(cè)試原始記錄

根據(jù)第1節(jié)所述原因分析， 發(fā)現(xiàn)天然氣不完全燃燒的主要原因是氧氣供應(yīng)不足。

該鍋爐的燃料是新奧天然氣， 其主要成分是CH4，含量達(dá)95.530 2%（圖1），甲烷完全燃燒時(shí)產(chǎn)生二氧化碳（化學(xué)反應(yīng)式CH4+2O2=CO2+2H2O），不完全燃燒則產(chǎn)生一氧化碳（化學(xué)反應(yīng)式2CH4+3O2=2CO+4H2O）。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，從3個(gè)方面可以判斷出造成天然氣不完全燃燒的原因是氧氣供應(yīng)不足：

圖1 甲烷含量截圖

a. 觀察火焰。 天然氣完全燃燒時(shí)，火焰處于爐膽中部，充滿度好，火色光亮清晰。 而現(xiàn)場(chǎng)火焰紊亂，不穩(wěn)定，火焰呈黃色且產(chǎn)生碳黑（圖2），可見配風(fēng)不良，空氣量過少，碳粒來不及燃燼就被燃燒產(chǎn)物帶走。

圖2 鍋爐火焰顏色

b. 燃?xì)庀牧糠治觥?從經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，一般1 t/h的蒸汽鍋爐， 在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)約需消耗70～80 m3/h（標(biāo)況）天然氣，測(cè)試時(shí)該鍋爐燃?xì)獗盹@示的耗氣量為194 m3/h（標(biāo)況），耗氣量并未超過鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所需的天然氣量。 可見，造成該鍋爐燃料不完全燃燒的原因是進(jìn)風(fēng)量不足而不是燃?xì)廨斎脒^多。

c. 煙氣分析儀檢測(cè)結(jié)果分析。 計(jì)算得出，該鍋爐排煙處過量空氣系數(shù)為0.98， 滿足TSG G0002—2010第九條第（三）點(diǎn)過量空氣系數(shù)不大于1.15的要求。 但從測(cè)試數(shù)據(jù)來看，O2和CO2的風(fēng)配比顯然不合適，且從煙氣中CO含量過高可以判斷，有大量天然氣不完全燃燒，這顯然是空氣中氧氣供應(yīng)不足造成的。 在工業(yè)設(shè)備中過量空氣系數(shù)一般控制在1.05～1.20［2］。

針對(duì)案例情況， 建議使用單位采取以下措施：

a. 配備氧量計(jì)或空氣過量系數(shù)表，以便司爐工及時(shí)察看鍋爐尾部煙氣中氧含量的變化情況，及時(shí)調(diào)整氣量和風(fēng)量配比［3］，保證充分燃燒；

b. 可加裝風(fēng)機(jī)變頻裝置，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 燃?xì)忮仩t不完全燃燒的技改措施

燃?xì)忮仩t不完全燃燒容易帶來較嚴(yán)重的后果，上述案例雖然提出少量建議，但實(shí)際使用中還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做如下改進(jìn)措施：

a. 送風(fēng)量控制改進(jìn)。送風(fēng)量控制改進(jìn)的主要目標(biāo)是確保送風(fēng)量與燃?xì)饬烤S持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，促進(jìn)燃?xì)忮仩t運(yùn)行熱效率提升。 作業(yè)人員能夠?qū)λ惋L(fēng)機(jī)的動(dòng)葉進(jìn)行合理調(diào)整，送風(fēng)量需根據(jù)燃燒率需求和燃?xì)饬勘壤P(guān)系計(jì)算。 如果燃?xì)饬孔兓?，送風(fēng)量也應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。 由于爐膛含氧量實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量往往具有一定的滯后性，因此可以運(yùn)用智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制，送風(fēng)量調(diào)節(jié)器和調(diào)風(fēng)門可設(shè)置為快速反應(yīng)系統(tǒng)，依靠氧量調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正， 確保爐膛內(nèi)部含氧量處在穩(wěn)定值，進(jìn)而讓作業(yè)人員能夠合理確定送風(fēng)量。

b. 引風(fēng)量控制改進(jìn)。借助引風(fēng)量控制改進(jìn)能夠確保鍋爐爐膛負(fù)壓穩(wěn)定在設(shè)定允許波動(dòng)的范圍內(nèi)，如果爐膛負(fù)壓過低，很容易導(dǎo)致其中的火焰與煙氣外溢，對(duì)鍋爐設(shè)備與作業(yè)人員帶來極大安全威脅；如果爐膛負(fù)壓過高，會(huì)導(dǎo)致冷空氣進(jìn)入，從而使引風(fēng)機(jī)過快運(yùn)轉(zhuǎn)，也容易出現(xiàn)安全事故。 對(duì)此，作業(yè)人員需確保爐膛負(fù)壓穩(wěn)定在-200 Pa左右，對(duì)引風(fēng)量實(shí)施調(diào)節(jié)，通常情況下可選擇單一回路調(diào)節(jié)方式，依靠設(shè)置前反饋來實(shí)現(xiàn)有效控制。

c. 煙氣中含氧量控制改進(jìn)。 在燃燒控制系統(tǒng)中增加煙氣含氧量閉環(huán)控制回路，以便在不同生產(chǎn)作業(yè)中合理調(diào)整煙氣中的含氧量，保證燃料的完全燃燒。 鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，煙氣含氧量應(yīng)控制在2%～4%。通過監(jiān)視爐膛火焰顏色和鍋爐含氧量表數(shù)值的變化， 及時(shí)調(diào)整鍋爐燃?xì)夂涂諝饬颗浔?，降低鍋爐不完全燃燒導(dǎo)致的熱損失。

d. 提高鍋爐熱風(fēng)溫度。 合理配風(fēng)，提高爐膛入口風(fēng)溫，既有利于燃料迅速燃燒又不會(huì)造成爐膛溫度波動(dòng)。 具體操作方法是，通過調(diào)整熱風(fēng)再循環(huán)閥開度，適當(dāng)提高送風(fēng)機(jī)吸入口風(fēng)溫；根據(jù)燃燒情況進(jìn)行配風(fēng)調(diào)整，不參與燃燒的燃燒器配風(fēng)減至最小，確保燃燒穩(wěn)定，有利于提高爐膛溫度［4］。

e. 加強(qiáng)節(jié)能管理。 加強(qiáng)節(jié)能管理意識(shí)，做好設(shè)備日常維護(hù)，完善以各級(jí)責(zé)任人員的節(jié)能崗位責(zé)任制為核心的各項(xiàng)鍋爐節(jié)能管理制度；加強(qiáng)對(duì)各級(jí)管理人員和操作人員的節(jié)能知識(shí)培訓(xùn)，提高節(jié)能意識(shí)和操作水平；通過對(duì)能耗的監(jiān)測(cè)、計(jì)量、統(tǒng)計(jì)、記錄和分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)化管理；定期對(duì)鍋爐進(jìn)行燃燒測(cè)試和燃燒調(diào)整，保證鍋爐運(yùn)行在合理工況［5］。

4 結(jié)束語

燃?xì)忮仩t不完全燃燒產(chǎn)生的煙灰和碳黑不僅會(huì)降低鍋爐熱效率還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染；不完全燃燒也會(huì)引起燃?xì)獾拇罅肯?，影響鍋爐的節(jié)能性；產(chǎn)生的CO更不利于燃?xì)忮仩t的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 筆者結(jié)合鍋爐不完全燃燒問題產(chǎn)生的原因，提出有效的技改措施，實(shí)現(xiàn)了鍋爐燃?xì)獾某浞秩紵?，提升了鍋爐運(yùn)行的節(jié)能性、環(huán)保性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。