四川中烟工业有限责任公司
摘要：随着社会经济的发展和环保要求的提高，现代的能源结构发生了巨大变化。以前大部分工业企业锅炉用户使用煤炭作燃料，当前经济迅速发展，燃气锅炉的优势逐渐显现出来。在中国大力倡导节能减排的前提下，燃煤锅炉的生存环境越来越差，燃煤锅炉的局限性已逐步展现在人们面前。本文首先对我国工业锅炉使用概况进行了介绍，其次对燃气锅炉的特点进行了详细的阐述，再次对燃气锅炉的安全性进行了系统的分析，最后针对燃气锅炉的节能技术发展方向进行了深入的探讨，望对广大锅炉使用企业在锅炉的采购、更新、改造等环节提供有效的参考。
关键字：燃气锅炉；特点；节能技术
前言：随着人民生活水平的提高，社会的进步和科技的发展，人们对生活质量和生活环境的要求越来越高，以前的生活条件已经不能满足人们对现代生活舒适安逸的需求，而对于绿色自然的生活空间是越来越向往。随着可持续发展的思想在全社会的深入人心，如何减少污染，保护环境，节约能源，已成为各个行业可持续发展考虑的前提。对于很多城市中目前存在的大量用于生产生活的小型燃煤锅炉所造成环境污染，已经成为了城市绿色发展的一大障碍。目前很多城市已经完成拆除了市区内中小型燃煤锅炉，采用污染极小的燃气锅炉进行替代，以改善城市空气质量。另外，燃气锅炉在燃烧过程中比煤燃烧得更加充分，并且具有更高的燃烧效率。所以无论是从经济效益还是社会效益上来说，用燃气锅炉代替燃煤锅炉将成为生产企业的最佳选择，以清洁能源天然气代替传统燃料煤是社会经济发展与环保要求的必然途径。
一、我国工业锅炉使用概况
我国工业锅炉量大面广，平均容量小，且以燃煤为主。锅炉蒸发量小于35t/h的约占工业锅炉总量的98.9%，其中2~10t/h的占75%，锅炉平均蒸发量不到3t/h。燃煤工业锅炉占工业锅炉总量的80%以上，燃油燃气锅炉约占15%，电加热锅炉占1%左右，其余的以沼气、黑液、生物质等为燃料的锅炉。这些锅炉主要用于轻纺和化学工业行业，其用热的参数范围大约在300℃和1.0MPa以下。未来轻纺工业、能源工业、建材、建筑业、化学工业、冶金工业、交通运输业和军工部门等仍将是工业锅炉的主要市场。
由于燃煤锅炉会对环境造成严重的污染，随着能源供应结构的不断完善，以及节能环保要求的日益严格，高耗能、高排放的锅炉正在快速被淘汰，根据国家质检总局公布的统计数据（见表一），截至2017年底，全国登记在册锅炉总量为44.56万台。从近5年登记在册锅炉统计数据可以看出，其每年以0.36%~16.6%不等的速度减少，特别是从2015年国家大力推进“蓝天计划”开始，锅炉数量更是每年以超过7.5%的速度减少，2017年尤其突出，以接近17%的速度减少。所以，采用清洁燃料的燃气锅炉因其高效、节能、低污染的特点，将是以后很长一段时间内锅炉大力发展的趋势。
表一近5年登记在册锅炉统计表
单位：万台
二、燃气锅炉的特点
1燃气锅炉与燃煤锅炉的区别
燃气锅炉和燃煤锅炉最主要的区别来自于所使用的燃料的性质的区别。燃气锅炉所使用的燃料为天然气，是一种气体燃料；燃煤锅炉所使用的燃料为煤炭，是一种固体燃料。作为固体燃料的煤炭，分子结构较为稳定，使用起来比较安全，难以发生爆炸现象；而作为气体燃料的天然气，易燃易爆性强，在使用时存在一定的危险，尤其是在天然气的爆炸极限内出现明火，爆炸可能性就会大大提高。除此之外，燃煤锅炉在燃烧燃料时采用负压通风的方式，在工作时需要送风机和引风机同时运作；燃气锅炉在燃烧燃料时采用内燃方式，使用送风机完成燃烧和排气功能。
在锅炉的使用过程中，燃料的燃烧状态决定了锅炉燃烧的方式，通常情况下有层燃燃烧和室燃燃烧。在使用燃煤锅炉时，煤炭在一个平台面上发生燃烧过程，因此燃烧方式为层燃燃烧；在使用燃气燃烧时，天然气在一个特定的空间中燃烧，燃烧形态为火炬状，因此燃烧方式为室燃燃烧。锅炉的燃烧方式决定了锅炉的结构，燃煤锅炉的燃烧方式为层燃燃烧，因此在紧急停炉之后，即使不再加进新的燃料，锅炉内原有的燃料无法立刻停止燃烧，燃料内部依然存在着燃烧释放热量的现象，因此，燃煤锅炉的自动控制能力差，不利于锅炉的安全工作。燃气锅炉的燃烧方式是内室燃烧，在紧急停炉之后，由于天然气燃烧速度快，燃烧充分的性质，在停止燃料和气体的供给之后，燃烧反应也就停止了，锅炉的自动化控制较强，因此锅炉运行起来较为安全。
2燃气锅炉的优势
一是环保。由于燃气中的灰分、含硫量和含氮量均比煤中的含量低,燃烧后产生的烟气中粉尘量极少,因此燃气锅炉可以大大减轻对环境的污染,从而排放出的烟气比较容易达到国家对燃烧设备所要求的标准。
二是热效率高。燃气锅炉的炉膛容积热强度较高;由于烟气污染小,对流管束不受腐蚀和结渣,传热效果好,燃气燃烧产生大量三原子气体(二氧化碳、水蒸气等)的辐射能力较强,而且排烟温度低,使其热效率明显提高。
三是投资成本低。1)燃气锅炉可选用较高的炉膛热负荷,从而缩小炉膛体积。因不存在受热面污染、结渣、磨损等问题,可选用较高的烟速,减小对流受热面的尺寸。通过合理布置对流管束,使燃气锅炉较同容量燃煤锅炉结构紧凑、尺寸小重量轻,设备投资明显减少;2)燃气锅炉不需要配置吹灰器、除尘器、出渣设备和燃料烘干器等附属设备;3)燃气锅炉使用管道输送的燃气为燃料,无需燃料储存设备。在供给燃烧前也无需燃料加工制备设备,使系统大为简化;4)由于无需燃料储存,节省运输费用、场地及劳动力。
四是便于调节且运行成本低。1)燃气锅炉的供热负荷适应性强,在系统内调节灵活。2)燃气计量简单准确,便于燃气供应量的调节。3)系统启动快,减少预备工作带来的各种消耗。4)由于附属设备少,又无燃料制备系统,因而用电量较燃煤锅炉要低。5)不需要加热燃料及燃料烘干所用的蒸汽,蒸汽消耗较少。6)燃气内杂质较少,锅炉不会发生高、低温受热面的腐蚀,也不存在结渣的问题,锅炉的连续运行周期长。
五是易保养、少维修。1)燃气锅炉燃烧系统设备简单,因而需要维修保养的项目少。2)由于不存在结渣及高低温受热面腐蚀,因而不需要由此而更换受热面的管件及空气预热器的元件。
3燃气锅炉的结构形式
燃气锅炉结构形式可根据场地情况选择立式和卧式。卧式锅壳式锅炉是工业锅炉中数量最多的一种，已由原来最大生产4~6t/h发展到可以生产40t/h锅壳式锅炉。根据炉胆后部烟气折返空间的结构型式可分为干背式锅炉和湿背式锅炉：干背式锅炉的烟气折返空间是由耐火材料围成的，其虽然结构简单，但炉胆后部的耐火材料容易损坏，且后管板经常受到高温烟气的直接冲刷，温差较大，所以干背式锅炉属于淘汰型，目前基本上很少有厂家生产；现用的锅炉多采用全湿背三回程结构，其虽然结构复杂一点，但避免了折返空间的烟气密封问题，更适合于微正压燃烧，所以为目前大多数厂家采用。第一回程采用波纹炉胆，第二、第三回程采用烟管，炉胆是该类型锅炉的燃烧室。在2t/h以上的WNS型燃气锅炉上，均采用了湿背结构为螺纹管，增大了热系数，减少了热损失，提高热效率，同时，螺纹管能减小热膨胀所产生的应力，理想的烟管排布，使水循环性好，采用特殊的防水板，能防止水冲击引起的烟管腐蚀。
4燃气锅炉类型
卧式内燃火管锅炉：锅壳纵向轴平等于地面且燃烧室包含在本体里面的火管锅炉称卧式内燃火管锅炉。炉胆是该类型锅炉的燃烧室。燃烧器喷嘴置于炉胆前部，燃烧产生的高温烟气延伸到后部，离开炉胆后折返空间（回燃室），折返后进人第二回程（烟管），如折返一次则称二回程锅炉，如折返二次则称三回程锅炉，以此类推，一般折返次数不超过四次，最常见的是三回程锅炉。此类型锅炉根据炉胆后部烟气折返空间的结构形式可分为干背式锅炉和全湿背式锅炉。干背式锅炉的烟气折返空间是由耐火材料转围成的；全湿背式锅炉的烟气折返空间是由浸在水中的回燃室组成的。
立式燃气锅炉：立式蒸汽锅炉采用燃烧机下置方式，二回程结构，燃料燃烧充分，锅炉运行稳定；烟管内插有扰流片，减缓排烟速度，增加换热量，锅炉热效率高，降低用户使用成本。为立式快装内燃弯水管锅炉门燃料由外界气源进人燃烧器通过自动调节、自动点火功能产生高温火焰，由炉胆顶部进人炉胆内的密排水管内侧，在炉胆下部向折180。进人炉胆与密排水管的夹层间，然后由炉胆下部烟道口折180。进人筒体与包装层之间的肋片层，烟气在肋片间传热后由上部烟道口离开锅炉到烟囱排人大气。锅炉配置技术性能良好燃烧器，采用了燃烧自动比例调节，给水自动调节，程序启停，全自动运行等先进技术，并具有高低水位报警和极低水位、超高汽压、熄火等自动保护功能。该型锅炉具有结构紧凑、安全可靠、操作简便、安装迅速、污染少、噪音低、效率高等特
中心回燃锅炉：即炉胆后壁密封在锅壳里面，烟气碰到后由炉胆四周内壁折回前部。此类锅炉也可视为全湿背式锅炉。干背式锅炉虽然结构简单，但炉胆后部的耐火材料容易损坏，且后管板经常受到高温烟气的直接冲刷，温差较大，所以干背式锅炉属于淘汰型，全湿背式锅炉虽然结构复杂一点，但避免了折返空间的烟气密封问题，更适合于微正压燃烧，此种类型的锅炉均为全湿背式。
燃油燃气锅炉：燃油燃气锅炉指的是既可以燃油又可以燃气的双燃料锅炉，以上几种类型的锅炉均可通过配置拥有微电脑锅炉控制器的燃油燃气双燃料燃烧器来实现燃料的切换，以保证某一特定燃料供应不足或不稳定时，可以使用另一备用燃料投入燃烧，从而确保锅炉正常运行。该锅炉主要用于生产过程中不能偶然中断锅炉供热的连续生产作业。
三、燃气锅炉的安全性
1燃气的危险特性
燃气锅炉的燃料是可燃气体，主要是天然气或煤气。天然气和煤气的主要成分都是甲烷，还搀杂一些简单的烷烃，这些组分都是高度易燃易爆的气体，天然气的爆炸下限为4%，煤气的爆炸下限为6.2%，极易发生爆炸事故。
2炉膛爆炸火灾危险性
炉膛爆炸是由于可燃气体漏入并与空气混合形成爆炸性混合物，这种混合物处在爆炸极限范围时一接触到适当的点火源就会发生爆炸事故。伴随着化学变化，炉内气体压力瞬时剧增，所产生的爆炸力超过结构强度而造成向外爆炸，由于在极短时间内大量能量在有限体积内积聚，造成锅炉炉膛处于非常的高压或高温状态，使周围介质发生震动或邻近的物质遭到破坏。炉膛爆炸主要由以下因素造成：1）点火不当。燃气锅炉运行中出现的事故大致可分在点火时，如启动操作不当，出现熄火而为三类：又未及时切断气源、配气管进行可燃气体吹扫，或吹扫不彻底、打开阀门时喷嘴也点不着火或者被吹灭，或其他可能使炉膛中存积大量高浓度可燃气体并处于爆炸极限范围内的情况，则再次点火时引燃这些可燃气体，引起爆炸。2）火焰不稳定而熄灭如果煤气燃烧器出力过大，火焰就会脱开燃烧器，发生脱火现象；相反出力过小，火焰就会缩回燃烧器内，发生回火现象，使锅炉运行中火焰不稳定而熄灭，由于炉膛呈炽热状态，达到或超过可燃气体与空气混合物的着火温度，且继续进可燃气体时，就有可能立即发生爆炸。3）设备不完善。因为阀门漏气，设备不完善，没有点火灭火保护装置和火焰检测装置，可燃气体充满炉内点火发生爆炸。4）输气管道泄漏。由于燃气锅炉输气管道庞大，可燃气体消耗量大，有些管道已经存在老化、腐蚀的情况，如不注意管道的维护和检修，在输气过程中容易发生可燃气体泄露，而造成爆炸事故。
3炉体爆炸的火灾危险性
燃气锅炉炉体爆炸是由于锅炉设备材料质量问题，受压元件强度不够或者严重缺水，持续加热等因素造成的爆炸事故。1）燃气锅炉设计制造方面设计不合理造成燃气锅炉结构上的缺陷;材料不符合要求;焊接质量粗糙;受压元件强度不够等，这些因素也是引起燃气锅炉爆炸的重要因素。2）锅炉内水被烧空造成爆炸在锅炉运行时，其中的水会被加热慢慢减少，当锅炉内的水过少甚至烧空时，可燃气体燃烧所释放的热能直接加热锅炉设备本身，造成炉体过热，发生爆炸事故。
总之，燃气锅炉的安全问题主要集中在燃气的泄露与爆炸上，防爆安全是燃气锅炉的重中之重。天然气做为一种易燃易爆的有毒性气体，不管是泄露还是爆炸都会造成严重后果。若在锅炉运行中，燃气泄露入停运的锅炉在空气中混合达到一定比例就会发生爆炸。燃气的泄露除了员工违章操作等原因外，还包括燃气管道泄露、锅炉本身泄露、各连接处泄露等原因。因此，燃气锅炉房内的燃气管道应使用无缝钢管，各连接处用法兰连接，做好强度和严密性试验。对管道各处的压力严格监控，在燃气锅炉使用前必须严格进行吹扫检查，排出易燃气体，同时燃气锅炉房内要有完善的泄露报警和通风设备，锅炉房区域内采用防爆电器，与相邻房间采用防火墙。而相对于燃煤锅炉而言，其危险性比燃气锅炉小很多，所以在安全性上燃煤锅炉比燃气锅炉好些，但随着科技的发展及安全课题主要性的提升，目前对燃气锅炉的泄露与爆炸的预防和控制都有明显的增强，通过不断完善安全保护技术，燃气锅炉的安全性也会逐渐提升。
四、燃气锅炉节能技术
1冷凝技术
冷凝技术是提高燃气锅炉效率的重要途径。天然气含有大量氢元素，燃烧生成大量水蒸气。经过计算，天然气汽化潜热可占天然气的低位发热量的10％左右。当排烟温度较高时，水蒸气不能被冷凝释放潜热，随烟气排放，热量被浪费掉。同时，高温烟气带走显热，由于显热和潜热随烟气被直接排放到大气层，在形成持续热能损失的同时，烟气中氮氧化物等造成对大气的污染。冷凝式燃气锅炉就是使用冷凝式换热器将燃气锅炉排烟中水蒸气凝结下来，以达到提高锅炉热效率降低污染的燃气锅炉。如果降低排烟温度到露点温度以下，回收排烟中的部分烟气和水蒸气的潜热，锅炉的热效率可以提15％左右，热效率提高十分明显。该技术在国外己经成熟应用，我国对环保和节能的要求不断提高，因此冷凝技术将是一项十分具有前景的节能技术。
接触换热式冷凝就是燃烧产物与水直接接触进行换热，用喷嘴将水喷成细小的液滴，在不使用大量特殊材料的情况下，就可以获得很大的换热面。可是在采用采暖回水进行喷淋洗涤时，水质受到了污染，这种类型的冷凝式燃气锅炉的使用范围受到了限制，如果温度高于回水温度，燃烧产物会使一部分洗涤水蒸发，而且效率会急剧下降，这样冷凝装置就不会产生冷凝式锅炉理想的效果，一般地使用的循环水温度要限制在50℃以下。
这种类型的冷凝式燃气锅炉是最大限度地吸收了烟气中的剩余热量，使用另一个比自来水更有意义的“冷源”一燃烧所需要的空气，如图1所示，它装有一个强制的鼓风式燃烧器，炉体旁设有两个“质量热交换"式喷淋洗涤器，在鼓风机和燃烧器之间组成了第一洗涤器，燃烧所需要的空气被喷淋下来的热冷凝水加湿和加温，换热后冷却了的冷凝水在洗涤器的底部用泵送至烟气上方的第二洗涤器头部，再经过喷淋，使仍然留在烟气中的水蒸气冷凝下来，并又加热了喷淋水。这样就会有部分质量的水露点温度，对于高温采暖回水（如70℃），在冷凝式锅炉里仍可以产生冷凝现象，而且它提高了供水温度，增加了回水的汽化潜热。
根据冷凝原理开发的烟气冷凝余热回收器，利用温度较低的水或空气冷却高温烟气，使烟气温度降低，在靠近换热面区域，烟气中水蒸气冷凝，同时实现烟气显热释放和水蒸气凝结的潜热释放，而换热器内的水或空气吸热而被加热，实现热能回收。显著提高了燃气锅炉的能源利用效率。
2热管技术
热管是高科技航天科技中重要的原件之一，是一种高效传热元件，由管壳、管芯、工作液组成的封闭系统。热管内部充有适量传热工作液体，并抽成真空的密封管。热管内为真空，当热管受热端受热后，内部工质吸收热量急剧相变成蒸汽。蒸汽上升在热管冷却端，放出汽化潜热给受热体，蒸汽又冷凝成液体，靠自身重力，重新回到受热端。热管正是靠这种周而复始的蒸发、冷凝的循环相变过程，通过汽化从烟气潜热的吸收到释放给空气来完成热量的传导。体积小、重量轻、传热功率大，流动阻力小，热管这些优点使得其在锅炉节能上发挥了作用。
热管可用作为热管空气预热器、热管式省煤器和热管式热水器。热管式空气预热器用来加热燃烧用的空气，不仅可以降低排烟损失，而且采用热空气可大大加强燃烧，因此可大大提高工业锅炉效率。
热管空气换热器是由箱体、中隔板和一定数量的热管群体三部分组成。中隔板把箱体分隔成烟气通道和空气通道两部分。热管横穿中隔板，延伸在烟气通道和空气通道中。两道之间严格隔开，烟道与空气绝对不可串通，靠热管把烟气的热量传导给空气，实现用烟气余热来预热空气，为锅炉炉膛送热风。
热管技术所带来的综合效益是巨大的，它可以同时在降低能耗、减小污染、环保和简化设备等方面起到综合作用。根据热管技术的发展，优化热管换热器的结构将是未来的发展趋势：一是对单根热管进行传热强化研究，这方面的研究主要集中在管芯的研究上。通过一些机械的或是化学的手段处理管子的内外表面来达到强化传热的目的。二是合理预测壳程的流场及温度场的分布。两者的优化组合研究将是今后热管换热器强化传热技术发展的大方向，进一步通过一些恰当的数值模拟方法和试验验证方法的结合，将会加快热管技术在工业中的应用进程。
3先进的锅炉控制系统
目前，锅炉自动化控制系统的发展十分迅速，成为了锅炉节能的又一项新兴技术。燃气锅炉房供汽集中控制系统运用模糊控制理论，以全新概念设计的计算机供汽控制系统。通过每台锅炉的各种参数和整个供汽系统参数的计算，得出理论锅炉负荷情况，并据其调整锅炉的实际负荷数以及开启哪台锅炉。通过计算机对锅炉实施集控，使锅炉房内的每一台锅炉循环运行，据系统的负荷率自动、定时切换运行各台锅炉。在保证节能的基础上，延长锅炉使用寿命。集控系统，不单对各台锅炉的控制系统进行集中控制，还能根据用汽负荷不同对锅炉群中单台锅炉负荷进行系统控制，达到对整体系统控制的目的。另外，合理正确的使用和操作燃气锅炉对节能也有一定的帮助。
锅炉节能技术是把高新材料技术、燃烧技术和锅炉综合技术有机结合在一起，通过一系列物理、化学变化，使燃料燃烧释放的热能得到充分利用的目的，以提高锅炉的热效率，能够使燃气锅炉的热效率达到99%以上，可以节约天然气10%-15%，从而达到减少温室气体的排放和节约能源的目的。
结束语：
综上所述，燃气锅炉具备燃烧时释放的污染产物少，具有较好的环保性能，热效率高等优势。随着可持续发展理念的深入，减少环境污染，保护自然环境是整个社会的共识，国家紧抓对容易给环境造成污染的项目控制，提高对环境保护的要求，各级政府积极地响应可持续发展、节能减排的发展目标，燃气锅炉采用最清洁的能源天然气作为燃料，是国家政策大力推介的节能环保产品，更是锅炉使用企业选择的必然趋势，其具有着广阔的应用空间。
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