冷凝式鍋爐與傳統鍋爐熱效率的差別化分析

楊曉菁

(云南省節能監察中心，昆明 650041)

0 引 言

近年來，在工業和民用領域，出現一些鍋爐，標稱熱效率接近甚至超過百分之百，而且在實際工況的熱平衡測試中，測試結果也基本符合鍋爐標稱情況。在這種情況下，測試人員或鍋爐使用方往往會對測試結果產生疑惑。這種情況是如何出現的，文中將與大家一起進行分析。

以單一工質飽和蒸汽鍋爐為例，在《工業鍋爐熱工性能試驗規程》(GB/T 10180-2017)中，鍋爐正平衡熱效率為：

其中分子部分為鍋爐有效輸出熱量，影響因素有給水流量、汽水參數、取樣取水量等，均通過實際測試計算得出；分母部分為B(燃料消耗量)×Qin(單位燃料輸入熱量)得到輸入熱量。按標準規定，

Qin=Qnet，v，ar+Qex+Qf+Qpu

其中影響因素Qex、Qf、Qpu分別是加熱燃料或外來熱量、燃料物理熱、自用蒸汽帶入熱量，Qnet.ν.ar為燃料收到基低位發熱值。加熱燃料外來熱量、燃料物理熱、自用蒸汽帶入熱量等均為現場測試計算準確量，這里重點對燃料的發熱值進行分析。

按我們國家的規定，煤的發熱量分為彈筒發熱量、高位發熱量和低位發熱量。一般，我們在實驗室利用氧彈熱量計對空氣干燥基煤樣進行測定，計算得出空干基煤樣彈筒發熱量Qb，ad。再扣減實驗過程中的硝酸形成熱和硫酸校正熱后，得到空干基煤樣的恒容高位發熱量Qgr，v，ad。在實際燃料使用中，入爐燃煤并非干燥燃煤，是含有外在水分和內在水分的。這部分水分在鍋爐燃燒中吸收煤燃燒產生的熱量，形成水蒸氣，并和燃煤中的有機物燃燒產生的水蒸氣一起隨煙氣排放，其中所含的汽化潛熱是無法利用的。這種情況下，高位發熱量就不能真實體現實物燃煤在鍋爐中的有效輸入熱量。所以在實際應用中，我們計算、平均通常采用煤的是收到基恒容低位發熱量Qnet，v，ar，既高位發熱量扣減掉燃煤中有機物燃燒產生的水及煤的收到基全水分的汽化潛熱。

燃煤中含有一定量的硫。硫在鍋爐燃燒時會參加反應，主要生成SO2，還有部分的SO3。SO3在煙道內極易與煙氣中的水蒸氣結合生成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽的露點溫度大大高于純水的露點溫度，煙氣的露點與硫酸蒸汽濃度密切相關。當硫酸蒸汽濃度在10%時，露點可達190 ℃左右。在我國傳統的鍋爐設計及實際運行操作中，為避免硫酸蒸汽在煙道尾部受熱面凝結形成硫酸，對受熱面產生嚴重腐蝕，都須將鍋爐排煙溫度嚴格控制在露點溫度以上。鍋爐運行中，當排煙溫度高于露點溫度，燃煤中有機物燃燒產生的水蒸氣和水分吸收熱量形成的水蒸氣都以水蒸氣形態排放，其中所含的熱量隨之帶走，未能利用。這部分能量雖然入爐，但是在設計和使用過程中本身就是不考慮利用的。所以，在實際測定和計算反映能量有效轉換的鍋爐熱效率時，以低位發熱值Qnet，v，ar來計算入爐熱量，是符合實際情況的。

近年來，隨著裝備技術的發展和大面積使用燃氣、燃油鍋爐替代燃煤鍋爐，冷凝式鍋爐開始頻頻出現在工業領域。目前冷凝式鍋爐多為燃氣和燃油鍋爐。和傳統燃煤鍋爐相比，由于燃料成分的不同，硫含量都遠低于燃煤，部分產地的天然氣甚至完全不含硫；同時隨著技術的進步和材料技術的發展，有效避免了煙道受熱面受到酸性腐蝕，實現了低于露點的排煙溫度運行，一些鍋爐排煙溫度可以控制到40～50 ℃運行。這時，煙氣中水蒸氣凝結為水，充分釋放汽化潛熱，這部分熱量并未排放，而是被冷凝器回收利用了，從而提高了鍋爐的熱利用率。特別在天然氣鍋爐中效果較為明顯。

天然氣是多種氣體組成的混合氣體，其主要成分是甲烷CH4，其占比通常在90%以上。甲烷完全燃燒的化學反應方程式為:

CH4+2O2=CO2+2H2O

通過分子量計算可知，在甲烷的完全燃燒產物中，水的質量占比達45%。所以，充分回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱在天然氣鍋爐上效益尤為明顯。

針對這一類型的鍋爐，《工業鍋爐熱工性能測試規程》(GB/T 10180-2017)中專門新增加了《附錄A 在鍋爐熱平衡系統邊界內發生煙氣冷凝且熱量回收利用的鍋爐熱效率計算》。為直觀地分別反映鍋爐本體熱效率和冷凝器熱效率，其中規定了該類鍋爐熱效率η由鍋爐本體熱效率η1和冷凝器熱效率ηln相加而得，且在試驗報告中應分別表述。實際上，標準中對于該類鍋爐熱效率的測試、計算與其他鍋爐并無根本差別，采用的仍是相同的測試、統計和計算方法，只是增加了鍋爐本體和冷凝器分開進行了表述的要求。該類鍋爐熱效率計算中，鍋爐輸入熱量仍為B(燃料消耗量)×Qin(單位燃料輸入熱量)，其中：Qin=Qnet，v，ar+Qex+Qf+Qpu，仍以燃料收到基低位發熱值Qnet.ν.ar計算輸入熱量。

前面已經分析，甲烷燃燒后煙氣中水蒸氣的質量占比達45%，其中含有大量汽化潛熱。按《工業鍋爐熱工性能測試規程》(GB/T 10180-2017)規定，計算此類鍋爐熱效率時，輸入熱量按低位發熱值進行計算。既在天然氣燃燒產生的總熱量(高位熱量)中，扣除其燃燒產生的水蒸氣所含汽化潛熱。而在該類鍋爐中，這部分汽化潛熱并非不予利用直接排出，而是進行充分回收利用，作為有效輸出熱量輸出使用。同時由于天然氣燃燒產物中水分占比較大，高低位發熱值相差較大。這種情況下按標準規定，在回收利用煙氣中水蒸氣的汽化潛熱并有效輸出的同時，仍以低位發熱值計算輸入熱量，就出現了測試計算中鍋爐有效輸出熱量大于輸入熱量，既鍋爐熱效率大于100%的情況。

綜上所述，在面對一些標稱熱效率超過100%的鍋爐時，雖然與常規理解的效率概念有所沖突，但這只是相關標準規范的局限性所致。作為能源工作者應對其理性看待，在肯定工藝技術先進性的同時，也不盲目夸大其辭。相信隨著技術的不斷發展和相關標準規范的不斷完善，對這一類的情況也會有更準確、直觀的要求和表述。