燃氣鍋爐不完全燃燒原因分析與改進措施

陳曉梅

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院泉州分院）

近年來，隨著我國經濟的快速增長，環境污染問題日益嚴峻，工業鍋爐作為高耗能、高排放裝置，節能減排問題引起了國家相關部門的高度重視。 天然氣作為清潔能源，逐漸開始代替煤油作為鍋爐燃料，在工業生產中廣泛應用。 然而鍋爐運行中，燃氣不完全燃燒問題客觀存在，不但不利于節能環保，也會在很大程度上影響鍋爐的安全運行。

1 燃氣鍋爐不完全燃燒的原因與危害

燃氣鍋爐不完全燃燒不但會影響其熱效率，還會帶來諸多危害［1］。

燃氣鍋爐不完全燃燒的原因分析如下：

a. 燃氣量和風量不匹配。 燃氣鍋爐運行過程中， 鼓風機將空氣加壓后送入爐內與燃氣混合、升溫、燃燒，如果鍋爐燃燒調整不正常，燃氣量和風量匹配不合理，將造成燃氣燃燒不完全，從而降低鍋爐運行的經濟性。

b. 火焰溫度降低。 為確保燃氣可以持續穩定燃燒且形成完整火焰，應當確保火焰維持在標準溫度， 如果火焰和低溫物體接觸導致其溫度降低，就會發生不完全燃燒現象。

c. 排煙不充分。 燃氣鍋爐運行所產生的煙氣必須及時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致部分煙氣停留在爐膛內，從而讓燃燒所需空氣供給不足，也會發生不完全燃燒現象。

d. 爐膛內燃氣與空氣未有效混合也容易導致燃燒不充分。

對燃氣鍋爐不完全燃燒的危害進行總結，具體如下：

a. 降低熱效率。由于不完全燃燒現象的存在，導致鍋爐爐膛內形成還原性環境， 加之高溫環境下燃氣內的高C分子成分開始碳化集結，滯留在煙管內壁或水管外側，長期就會形成較多煙灰，導致鍋爐受熱面熱阻提升，換熱率降低，排煙溫度逐步提高，排煙環節的熱損失過大，影響燃氣鍋爐的運行效率。

b. 產生大量CO。 燃氣不完全燃燒會產生大量CO，如有泄漏，將對司爐工的身體健康甚至生命產生極大的威脅, 而且會增加鍋爐爆炸事故的風險，對鍋爐吹掃提出了更高要求，具有較大的安全隱患。

c. 燃氣大量消耗。 由于不完全燃燒導致爐膛內一些燃氣尚未真正參與燃燒，致使燃氣消耗量提升，嚴重影響鍋爐的熱效率和經濟性。

d. 產生碳黑。 燃氣鍋爐處于運行狀態時，火焰區兩側燃氣與氧化劑受熱， 燃氣熱分解過程中，原始化合物的脫氫與碳原子逐漸集聚而產生重碳氫化合物，甚至出現較小的碳粒。 碳粒燃燒需要一定的時間，因為燃氣不完全燃燒導致碳粒在尚未燃燼的情況下被燃燒產物帶走，最終產生碳煙，給生態環境帶來較大污染。

2 案例分析

燃氣鍋爐在正常運行負荷工況下， 按照TSG G000 3—2010、TSG G0002—2010和GB/T 10180—2003的要求，采用反平衡法測量；測點位于鍋爐最后一節受熱面1 m內的排煙出口處， 選用testo 340型煙氣分析儀進行測量。 現場對一臺WNS3-1.25-YQ型的天然氣鍋爐進行熱效率簡單測試，結果顯示：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上限（表1），燃料不完全燃燒現象異常嚴重。

表1 某WNS3-1.25-YQ型鍋爐能效測試原始記錄

根據第1節所述原因分析， 發現天然氣不完全燃燒的主要原因是氧氣供應不足。

該鍋爐的燃料是新奧天然氣， 其主要成分是CH4，含量達95.530 2%（圖1），甲烷完全燃燒時產生二氧化碳（化學反應式CH4+2O2=CO2+2H2O），不完全燃燒則產生一氧化碳（化學反應式2CH4+3O2=2CO+4H2O）。 現場測試過程中，從3個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不足：

圖1 甲烷含量截圖

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

圖2 鍋爐火焰顏色

b. 燃氣消耗量分析。 從經驗數據可知，一般1 t/h的蒸汽鍋爐， 在滿負荷運行時約需消耗70～80 m3/h（標況）天然氣，測試時該鍋爐燃氣表顯示的耗氣量為194 m3/h（標況），耗氣量并未超過鍋爐滿負荷運行時所需的天然氣量。 可見，造成該鍋爐燃料不完全燃燒的原因是進風量不足而不是燃氣輸入過多。

c. 煙氣分析儀檢測結果分析。 計算得出，該鍋爐排煙處過量空氣系數為0.98， 滿足TSG G0002—2010第九條第（三）點過量空氣系數不大于1.15的要求。 但從測試數據來看，O2和CO2的風配比顯然不合適，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不足造成的。 在工業設備中過量空氣系數一般控制在1.05～1.20［2］。

針對案例情況， 建議使用單位采取以下措施：

a. 配備氧量計或空氣過量系數表，以便司爐工及時察看鍋爐尾部煙氣中氧含量的變化情況，及時調整氣量和風量配比［3］，保證充分燃燒；

b. 可加裝風機變頻裝置，實現鍋爐燃燒自動調節。

3 燃氣鍋爐不完全燃燒的技改措施

燃氣鍋爐不完全燃燒容易帶來較嚴重的后果，上述案例雖然提出少量建議，但實際使用中還應根據實際情況做如下改進措施：

a. 送風量控制改進。送風量控制改進的主要目標是確保送風量與燃氣量維持在一個穩定的狀態，促進燃氣鍋爐運行熱效率提升。 作業人員能夠對送風機的動葉進行合理調整，送風量需根據燃燒率需求和燃氣量比例關系計算。 如果燃氣量變化，送風量也應當及時進行調整。 由于爐膛含氧量實際數據測量往往具有一定的滯后性，因此可以運用智能調節系統進行控制，送風量調節器和調風門可設置為快速反應系統，依靠氧量調節器進行校正， 確保爐膛內部含氧量處在穩定值，進而讓作業人員能夠合理確定送風量。

b. 引風量控制改進。借助引風量控制改進能夠確保鍋爐爐膛負壓穩定在設定允許波動的范圍內，如果爐膛負壓過低，很容易導致其中的火焰與煙氣外溢，對鍋爐設備與作業人員帶來極大安全威脅；如果爐膛負壓過高，會導致冷空氣進入，從而使引風機過快運轉，也容易出現安全事故。 對此，作業人員需確保爐膛負壓穩定在-200 Pa左右，對引風量實施調節，通常情況下可選擇單一回路調節方式，依靠設置前反饋來實現有效控制。

c. 煙氣中含氧量控制改進。 在燃燒控制系統中增加煙氣含氧量閉環控制回路，以便在不同生產作業中合理調整煙氣中的含氧量，保證燃料的完全燃燒。 鍋爐正常運行時，煙氣含氧量應控制在2%～4%。通過監視爐膛火焰顏色和鍋爐含氧量表數值的變化， 及時調整鍋爐燃氣和空氣量配比，降低鍋爐不完全燃燒導致的熱損失。

d. 提高鍋爐熱風溫度。 合理配風，提高爐膛入口風溫，既有利于燃料迅速燃燒又不會造成爐膛溫度波動。 具體操作方法是，通過調整熱風再循環閥開度，適當提高送風機吸入口風溫；根據燃燒情況進行配風調整，不參與燃燒的燃燒器配風減至最小，確保燃燒穩定，有利于提高爐膛溫度［4］。

e. 加強節能管理。 加強節能管理意識，做好設備日常維護，完善以各級責任人員的節能崗位責任制為核心的各項鍋爐節能管理制度；加強對各級管理人員和操作人員的節能知識培訓，提高節能意識和操作水平；通過對能耗的監測、計量、統計、記錄和分析，進行數據化管理；定期對鍋爐進行燃燒測試和燃燒調整，保證鍋爐運行在合理工況［5］。

4 結束語

燃氣鍋爐不完全燃燒產生的煙灰和碳黑不僅會降低鍋爐熱效率還會對環境造成嚴重的污染；不完全燃燒也會引起燃氣的大量消耗，影響鍋爐的節能性；產生的CO更不利于燃氣鍋爐的安全穩定運行。 筆者結合鍋爐不完全燃燒問題產生的原因，提出有效的技改措施，實現了鍋爐燃氣的充分燃燒，提升了鍋爐運行的節能性、環保性、安全性和經濟性。