燃生物质气冷凝锅炉的设计分析和定型热效率测试探讨

朱荣全

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南郑州450000）

　　摘要：通过对生物质气特点的分析，明确了影响能效测试结果的主要因素，并通过对影响因素的分析提出了生物质气锅炉定型热效率的测试方法并举例实际计算过程。

　　引言

　　随着国家节能减排的工作推进，锅炉作为耗能和排放大户也在进行更新或改造，传统燃煤锅炉和生物质直燃锅炉正逐渐被淘汰。锅炉改造较为常见的方式采用“煤改气”或“煤改电”，由于“煤改气”较为经济，煤改电则相对较少执行。但随着天然气供应量的紧张，生物质气作为可替代的燃料成为“煤改气”的重要途径之一。

　　生物质在我国南方地区原材料丰富，生物质气化技术改变了直接燃烧生物质的利用方式，提高了废弃生物质的能源品位，对节约常规能源、降低环境污染、保护生态环境具有重要意义。笔者就燃生物质气锅炉的设计以及定型热效率测试提出自己的思路。

　　1锅炉设计分析

　　生物质气锅炉设计时除了需要考虑燃天然气锅炉的易燃易爆、燃烧方式、节能环保等因素外，还需要考虑生物质热解产生的液体燃料称为热解油，生物质气化成分以杨树板皮废料为例，其化验分析如表1。

　　热解生物油中乙酸、糠醛、羟基丙酮、丙酸、苯酚类物质含量比较多。生物质油的特性，黏度大，不易清理。结构设计时既要满足工业锅炉相关国家规范和技术标准的要求，也要利于生物质油的收集和清理。

　　生物质气的热值较天然气约35MJ/Nm³低很多，设计时考虑加大辐射和对流受热面以及尾部受热面；不建议采用常规的WNS结构。采用WNS结构生物质油不易清理，且烟管中容易积灰，不利于传热和节能。结构设计上可采用SZS型号的D型设计如图1，采用卧式三回程结构形式，燃烧方式采用微正压燃烧。燃料喷入炉膛中燃烧，高温烟气由炉膛进入对流管束第一回程，经前烟箱进入对流管束第二回程，最后由后烟箱、节能器、烟囱排向大气。燃烧室检查门可以很方便的打开检修清理炉膛。其结构简单、制造方便，其独特的设计使锅炉结构紧凑，扰流性强，传热效果好。在本体低处设计有焦油收集槽。

　　2定型热效率测试

　　2.1测试方法的选择

　　按TSGG0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》和GB/T10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》要求燃气锅炉热效率应同时采用正平衡法和反平衡法进行测试，在额定工况下，热效率测试不小于2次。取两次测试结果的算术平均值作为最终测试结果。对于锅炉热平衡系统边界内发生烟气冷凝且热量回收利用的锅炉试验时，锅炉本体部分应采用正反平衡测量法，冷凝段部分可仅采用正平衡测量法，然后计算锅炉热效率。

　　一般的智能气体流量计通过测出温度压力和流量，自动将工况流量转化为标准状态下的流量。首先通常燃气流量计的使用环境温度为-15℃～+55℃，温度传感器的测量范围-40℃～+100℃，而气化炉出口生物质气温度150℃左右；其次生物质气流量计的使用量少，研制成本高；再者热解产生的液体燃料称为热解油，具有水分含量大、氧含量高、黏度大、腐蚀性强等缺点，导致普通的燃气流量计测量数据不准确，同时降低了流量计的使用寿命，燃气流量测量不准确直接导致测量误差大而不能采用正平衡法测量。

　　当采用正平衡法进行测试，燃气热值和流量转化为标态下，由于生物质油的影响，测出的只是气体的热值，生物质油的热值和生物质气的物理热并没有包括进去，导致正平衡计算效率偏高。

　　因此，此类锅炉本体部分（锅炉主机和节能器）采用反平衡测量法，冷凝段部分采用正平衡测量法，最后计算锅炉整体热效率比较符合工作实际。

　　2.2锅炉热效率计算

　　2.2.1锅炉构成范围的确定

　　锅炉出力由锅炉本体（锅炉主机和节能器）和冷凝器两个部分有效吸收热量相加，其出力为锅炉本体部分的折算值加上锅炉冷凝器有效吸热量，并需扣除自用蒸汽量和锅水采样量。

　　锅炉构成范围如图2。

　　2.2.2具体计算过程

　　排烟温度低于80℃烟气冷凝，GB/T10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》的测试公式已不能满足要求。对于锅炉热平衡系统边界内发生烟气冷凝且热量回收利用的生物质气锅炉试验时，锅炉本体部分采用反平衡测量法。燃料消耗量按反平衡效率反推算的方法确定之后再采用正平衡法计算冷凝段部分的热效率，本体部分反平衡热效率平均值加上冷凝段正平衡效率即为锅炉热效率。根据TSGG0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》中3.2.2测试结果的确定条款中规定燃气锅炉各种平衡的效率之差均应当不大于1%，取两次测试结果的算术平均值作为锅炉热效率最终测试结果。计算出的锅炉热效率能否用作定型能效测试报告的结论需征得试验各方同意。

　　测试用仪器仪表本身存在误差，导致反平衡测试结果与标准值存在误差，利用锅炉本体部分的反平衡效率计算出的燃料消耗量及冷凝段正平衡存在误差，但是要比超出燃气仪表工况条件和测量范围测出的燃料消耗量数据以及计算出的最终结果更可靠。

　　3结束语

　　通过结构的优化使锅炉更适合生物质气的燃烧利用，提高了锅炉热效率。

　　采用正平衡法进行测试，生物质气流量计量困难且转化为标态数值不准确，测试时的计算输入热量仅为生物质气的热值，生物质油的热值和生物质气的物理热并没有包括进去，导致正平衡计算效率偏高，因此采用反平衡法计算本体热效率，在此基础上计算燃料消耗量后采用正平衡法计算冷凝段部分的热效率，最后计算整体热效率更为准确。

　　参考文献

　　[1]杨晴.烘焙对生物质热解产物特性的影响[J].农业工程学报,2013,29(20):214-218.

　　[2]TSGG0003-2010工业锅炉能效测试与评价规则[S].

　　[3]GB/T10180-2017工业锅炉热工性能试验规程[S].