孙燕锋，侯云辉

（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100176）

随着社会快速发展，节能和减排[1]在热媒炉领域变得越来越重要，热媒炉是一种典型的有机热载体锅炉；热媒炉主要应用于化工、化纤、焦油和印染等工业生产领域中，它的特性是“低压高温”——炉膛处于微正压状态，排烟温度较高；能量回收潜力巨大，节能是有机热载体炉的重要目标，对热媒炉能效测试方法进行分析研究很有必要。随着全球气候变暖，国家能源结构的调整，太阳能、风能、煤改电、天然气的消费量也在逐年上升。在热媒炉行业中，由于以煤炭为燃料的热媒炉污染严重并且耗能高，因此将逐步被以天然气为燃料的热媒炉所取代，但是燃气热媒炉在使用中同样存在氮氧化物（NOx）排放高的问题。

节能是首要考虑的因素，更加节能的设计方案能大大降低热媒炉的运行成本。对于燃气热媒炉来说，一般通过降低排烟热损失和散热损失来提高热效率，进而降低运行成本。具体措施有：降低排烟温度、降低过量空气系数、优化设备保温等。

我国已进入工业化迅速发展阶段，严峻的环境现状促使我国节能环保产业迅速发展。国家对有机热载体炉的排放标准要求越来越严格，对于燃气有机热载体锅炉来说，NOx的排放标准越来越严格，很多地方标准的NOx排放标准已达到30 mg/m3。对于燃气有机热载体炉来说，除了设计专用的低氮氧燃烧器之外，一般还会采用烟气外循环技术来辅助降低氮氧化物排放。采用烟气外循环技术时，烟气外循环比例越高，降低氮氧化物的效果越好，但是当烟气外循环比例高于30%之后效果不会更好，反而会增加运行成本，所以一般烟气外循环比例低于30%。

1 有机热载体锅炉能效计算

本文主要研究过量空气系数和烟气外循环比例对系统能效的影响规律。

根据TSG G0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》和GB/T 10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》，可用反平衡法计算热媒炉系统热效率[2-3]。对于热媒炉系统，燃料为天然气时，其热效率计算公式如下：

式中：η—热媒炉系统热效率，%

q2—排烟热损失，%

q3—气体不完全燃烧热损失，%

q5—散热损失，%

排烟热损失计算公式如下：

式中：αpy—排烟处过量空气系数

tpy—排烟温度，℃

tlk—冷空气温度，℃

燃料为天然气时，气体不完全燃烧热损失可取q3=0.2%。

散热损失计算公式如下：

式中：F—散热总面积，包括系统内的炉本体、余热回收装置、烟道等部件，m2

B—燃料消耗量，m3/h

Qin—燃料低位热值，kJ/m3

2 热媒炉及余热回收系统介绍

本文研究的热媒炉及余热回收系统包括热媒炉、空气预热器及烟囱，如图1所示。

图1 热媒炉及余热回收系统示意图

热媒炉及余热回收系统的设计指标见表1。

根据表1中的设计指标，设计的热媒炉及余热回收系统的参数见表2。

表1 热媒炉及余热回收系统设计指标

表2 热媒炉及余热回收系统设计参数

3 系统能效的影响因素

系统能效的影响因素有很多，如空气过剩系数、热负荷、燃料成分、炉膛形状等。其中空气过剩系数和热负荷对系统能效影响最大。通常在热媒炉实际运行的过程中根据实际热媒炉下游用热量的需要对热负荷进行动态调节，炉膛内热媒的流动状况、温度的分布、NOx的产生都会对热负荷有影响；为保证燃料气充分燃烧，往往通过增加鼓风机的风量来提供比理论空气量多的空气进入炉膛，因此研究空气过剩系数对炉内的流场分布、炉膛的温度分布有实际意义。还需要通过引入烟气回流调节风机使烟气再循环，从而减少NOx产生。本文主要探讨过量空气系数、烟气外循环比例等对系统能效的影响规律。

3.1 空气过剩系数对系统能效的影响

空气过剩系数是热媒炉运行能效的一个重要的参数，也是燃烧器设计的一个重要参数。空气过剩系数的大小对炉膛内参与燃烧的各组分的浓度、NOx的产生和炉膛内的最高温度都会产生直接影响。基于经验判断和热媒炉运行的经济性来考虑，选取空气过剩系数为1.15~1.25来进行研究，因为过低的空气过剩系数会造成燃气燃烧不充分，而过高的空气过剩系数则需增加风量，从而导致风机运行功率的增加，同时多余的氧气也会增加排烟损失，降低热媒炉的热效率。

热媒炉的负荷是通过燃气量来决定的，通入的燃气量少，热媒炉的负荷就低一些，反之热媒炉的负荷就会高一些。所以在模拟这些工况的时候，需要保持燃气进入炉膛的量不变，从而保证热媒炉负荷基本不变，只改变进入炉膛空气量的多少，用燃气组分可以计算出理论的空气量，用理论的空气量乘以空气过剩系数就可以得到实际需要提供的空气量。

以上述的热媒炉及余热回收系统为基础，在热媒炉、空气预热器结构不变的情况下，计算空气过剩系数分别为1.15、1.2、1.25时的运行参数，见表3。

表3 不同空气过剩系数下计算运行参数

热损失和热效率随空气过剩系数的变化趋势如图2和图3所示。随着空气过剩系数增大，排烟热损失增大，散热损失减小，总体热损失增大，系统热效率降低。因此，从节能角度考虑，应该尽量降低系统运行时的空气过剩系数。

图2 热损失随空气过剩系数变化趋势图

图3 热效率随空气过剩系数变化趋势图

3.2 烟气外循环比例对系统能效的影响

引入烟气循环风机使排烟烟气再循环能降低NOx生产的原理在于：在可燃物充分燃烧的情况下，烟气的主要成分有CO2、水蒸气、燃烧后空气中剩余大量的N2以及少量的O2和NOx。这些烟气的组分大多数都不支持燃烧，只有少量的氧气除外，将烟气中不支持燃烧的成分通过循环风机引入到炉膛中进行再燃烧，这样必然会稀释助燃空气中氧的浓度，从而使燃烧强度降低，进而达到降低NOx生产的目的。

以上述的热媒炉及余热回收系统为基础，在热媒炉、空气预热器结构不变的情况下，不同烟气外循环比例下的计算运行参数如表4所示。

热损失和热效率随烟气外循环比例变化的曲线如图4和图5所示，随着过量空气系数增大，排烟热损失增大，散热损失减小，总体热损失增大，系统热效率降低。因此，从节能角度考虑，应该尽量降低烟气外循环比例。但是，从减排角度考虑，应该增加烟气外循环比例。此时，应该从节能和减排两方面综合考虑，选择适中的烟气外循环比例。

表4 不同烟气外循环比例下计算运行参数

4 结论

图5 热效率随烟气外循环比例变化趋势图

（1）保持燃气量不变、热负荷基本不变的情况下，分析了不同空气过剩系数对燃烧效率的影响，随着过量空气系数增大，排烟热损失增大，散热损失减小，总体热损失增大，系统热效率降低。从节能角度考虑，应该尽量降低系统运行时的过量空气系数。

（2）保持空气过剩系数为1.15和热媒炉负荷为满负荷不变，引入0到20%的烟气外循环，随着烟气外循环比例增大，排烟热损失增大，散热损失减小，总体热损失增大，系统热效率降低。应从节能和减排两方面综合考虑，选择适中的烟气外循环比例。

（3）综合考虑节能、减排、成本等因素，合理设计热媒炉及余热回收系统并选择合理的运行参数。