中小型全预混冷凝铸铝锅炉与大气式铸铁锅炉在节能减排上的对比分析

随着国家环保、节能政策的发布实施，我国许多城市开始控制燃煤锅炉的建造，而作为使用清洁能源的中小型燃气锅炉以其方便快捷、热效率高、污染小的优良品质而受到市场青睐，成为替代燃煤锅炉的理想产品。在中小型燃气锅炉中，来自欧洲先进采暖技术的中小型冷凝铸铝锅炉以其建筑供热方面的高能效，环境方面的低排放，迅速成为中小型燃气锅炉的高端产品。相对于传统大气式铸铁锅炉，全预混式冷凝铸铝锅炉在能效、排放、体积方面都有大幅度提高。本文就以天然气为燃料的全预混冷凝铸铝锅炉在这些方面的优势做具体分析。
一、能效分析
锅炉的热效率是锅炉的重要技术经济指标，它表明锅炉设备的完善程度和运行管理水平。燃气是重要的能源之一，是一个国家能否稳固发展的重要基础，所以提高锅炉的热效率以节约能源，是锅炉开发的重要方向。
为了定性分析锅炉对燃气热量的利用状况，建立燃气锅炉的热平衡公式：
Q_n=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄
式中：Q_n−每Nm³燃气带入锅炉的热量kJ/Nm³
Q₁−锅炉的有效利用热量kJ/Nm³
Q₂−锅炉的排烟热损失kJ/Nm³
Q₃−气体不完全燃烧热损失kJ/Nm³
Q₄−锅炉的散热损失
对于中小型燃气锅炉，一般不使用外界热源预热空气和燃气，因此1Nm³燃气带入锅炉的热量为固定值。从燃气锅炉热平衡公式可以看出，减少Q₂、Q₃、Q₄热损失，均可提高锅炉有效利用热量。而在这3项热损失中，排烟热损失占得比重最高，约占总热损失的95%以上。因此减少锅炉排烟热损失，可显著提高锅炉热效率。
天然气（CH₄）的燃烧产物，其化学燃烧方程式为：
CH₄ + 2O₂ →CO₂ + 2H₂O + 热量
从方程式可以看出，天然气燃烧产物中含有大量水蒸气，按照质量方程式计算：
18×2/ (18×2+44) = 45%
因此，天然气燃烧产物中含有大量的水蒸气。水蒸汽的汽化潜热在燃气燃烧所放出热量中约占11%。传统大气式燃气锅炉，燃烧产物中的水全部以水蒸气的形式随烟气排放到大气中，水蒸气的汽化潜热也随烟气全部流失到大气中，排烟热损失严重。对于冷凝式锅炉，烟气中的水蒸气部分大部分以液态水的形式排出，即将烟气中的部分水蒸气的汽化潜热利用，这就大幅度降低排烟热损失 Q₂ 的值。根据燃气锅炉热平衡公式，锅炉的有效利用热量得到显著提高，从而提高锅炉的热效率。
要使锅炉能够将水蒸气的汽化潜热利用，必须使锅炉排烟温度低于烟气露点。经实际试验测试，就天然气而言，烟气露点受过热空气系数影响，其变化规律见表1。有表中数据可以得出，烟气的露点随空气系数的降低而降低。对于大气式铸铁锅炉，由于燃烧方式限制，其过量空气系数一般在1.6-2.0，对应的烟气露点在49℃以下。在我国采暖区域，严冬季节采暖设备一般回水温度在50℃以上（散热器采暖）。此外，天然气的燃烧产物中含有一定量的氮氧化物和硫化物，这些物质溶解于冷凝液中而使冷凝液对铸铁具有很强的腐蚀性，因此铸铁锅炉由于材料限制不能使排烟产物产生冷凝液，必须提高排烟温度以防止冷凝液产生。因此铸铁锅炉排烟温度一般在110℃以上，远大于大气式铸铁锅炉烟气的露点，烟气中的水蒸气无法凝结释放潜热，即无法利用烟气中水蒸气的汽化潜热，这就决定了大气式铸铁锅炉低能效水平。

表1  烟气露点 Tk  （燃用天然气）

对于全预混冷凝式铸铝锅炉，锅炉采用全预混低氧燃烧技术，燃烧空气系数控制在1.2附近，其烟气露点在55℃，对于回水温度不超过55℃采暖工况，烟气中的水蒸气将冷凝释放汽化潜热，水蒸气的汽化潜热可部分得到利用。低燃烧空气系数，使排烟产物中过量空气含量降低，有过量空气带走的热损失降低，进一步降低排烟热损失。此外铸铝材料的导热系数要远大于铸铁材料导热系数，因此在有限的空间内，铸铝锅炉能够完成更大量的换热。铸铝材料在表面可形成一层致密的氧化铝保护膜，能有效抵抗酸性冷凝液的腐蚀。因此，全预混冷凝铸铝锅炉排烟温度一般在70℃以内，最高不超过90℃。
综上分析，从锅炉热平衡方程式可以得出，就烟气热损失这一项，全预混冷凝铸铝锅炉烟气热损失要远小于大气式铸铁锅炉烟气热损失，而两种锅炉在锅炉的散热损失和不完全燃烧热损失上差距不大。因此就实际实验测试中，中小型全预混冷凝式铸铝锅炉满负荷热效率在96%以上，而中小型大气式铸铁锅炉满负荷热效率在90%以下，两者热效率差距明显。因此，随着能源的日益匮乏，中小型全预混冷凝铸铝锅炉必将成为小型商业集群采暖设施的主流产品。
二、有害气体排放分析
对于燃用天然气，其燃烧烟气成分中有害气体主要有两种，CO 和氮氧化物，氮氧化物中主要是 NO 和 NO₂。这两种气体，前者主要对人体产生危害，后者对人体和环境都产生危害。
1、一氧化碳
CO 主要来源于燃气的不完全燃烧，即燃烧缺氧的情况下产生。对于大气式铸铁锅炉，其燃烧空气系数为1.6-2.0。理论上来说，燃烧氧含量充足，不应出现不完全燃烧而产生 CO。但实际上，大气式铸铁锅炉排放烟气中，CO 的含量在100-150ppm之间。生成如此多 CO有害气体，主要归因于大气式铸铁锅炉采用大气式燃烧器的燃烧方式。大气式燃烧器的工作过程：燃气通过一定压力引射入文丘里管，在此过程中一定量的燃烧用空气跟随燃气一同被吸入；燃气与空气经过一定程度的混合后到达燃烧器表面。混合气点燃后，由于混入的空气量不足以支持完全燃烧，二次空气会从燃烧器的周围对燃烧过程进行空气量的补充。二次空气对燃烧的补充，发生在燃烧火焰的外表面，空气中氧分子在扩散的作用下进入火焰燃烧区域与燃气发生反应。当火焰燃烧速度大于氧分子扩散速度时，就会出现二次空气中氧分对燃烧补充速度跟不上火焰燃烧，进而在火焰燃烧区域出现缺氧燃烧现象。此外，大气式燃烧器表面火力强度分布不够均匀，引入二次空气在整个燃烧区域也分布不均匀，极易出现局部缺氧现象。因此，采用大气式燃烧器的铸铁锅炉，由于局部缺氧而产生的不完全燃烧，致使CO 的排量很高。
对于全预混式冷凝铸铝锅炉，锅炉燃烧方式采用全预混燃烧方式，燃烧器采用金属网燃烧器。燃烧所需空气和燃气在预混器处一次性完全混合后，送至燃烧器表面进行燃烧，燃烧空气系数控制在1.2左右。虽然燃烧空气系数不高，但由于燃气与空气在进入燃烧器前就进行充分混合，燃烧过程基本不存在缺氧燃烧现象。因此全预混冷凝铸铝锅炉 CO 的排放量在满负荷状态下在35ppm以下，最小负荷下 CO 的排放约在5ppm以下。就 CO 的排放而言，全预混铸铝锅炉仅为大气式铸铁锅炉25%。
2、  氮氧化物
燃气燃烧产生的氮氧化物，主要是 NO，NO 继续与烟气中氧发生反应生成 NO₂。因此影响烟气中氮氧化物浓度的主要取决于燃烧过程产生的 NO 的量。燃烧产生的 NO 主要来源于空气中的氮气与氧气在高温下氧化而生成的 NO。
了解了燃烧产物中 NO 的来源，就不难看出，降低燃烧温度，可有效抑制 NO 的生成。就全预混冷凝铸铝锅炉而言，由于铸铝材料的导热系数是铸铁材料5倍以上，在单位温差下，等换热面积上单位时间的传热量是铸铁的5倍，因此铸铝锅炉燃烧温度梯度比铸铁锅炉下降迅速，高温段滞留时间短。这就有效减少空气中氮气和氧气的有效反应时间，从而起到降低烟气中 NO 的含量。就实际测试数据，全预混铸铝锅炉中氮氧化物的含量在15ppm以下，大气式铸铁锅炉则在50ppm以上。
综上所述，随着节能、环保相关指令的不断出台，全民低碳意识的提高，全预混冷凝技术以其将是未来的中小型燃气锅炉发展趋势。从能源结构看，天然气作为一种洁净环保的优质能源必定会被广泛应用。而中小型冷凝铸铝燃气锅炉以其优越的节能环保性能，代替大气式铸铁锅炉成为小型商业集群采暖产品主体也是未来发展趋势所需。
目前在中国市场，由于中小型全预混冷凝锅炉的价格偏高，在中国的销量不是很好。而中小型大气式铸铁锅炉，作为常规传统锅炉，以其价格优势，在我国目前销量占主导地位。但是作为未来发展趋势，中小型冷凝铸铝锅炉必将代替大气式铸铁锅炉，成为该类锅炉的销售主体。目前国内品牌的中小型全预混冷凝锅炉燃烧系统都是国外原装进口，成本高，所以在产品价格上不占优势。而目前全预混冷凝锅炉不被广大消费者接纳的重要原因之一就是其价格过高。所以国内企业要想在未来占领中小型商业集群采暖市场，就必须自主研发核心部件，降低产品成本，提高全预混冷凝铸铝锅炉价格市场竞争力。这将是该类锅炉成为主场主体的必经之路。
在企业自主研发降低制造成本的同时，呼吁政府出台政策，对百姓或企业进行补贴。中小型全预混冷凝锅炉的发展离不开国家政策的扶持，有了国家政策的鼓励，百姓接纳冷凝锅炉会更容易，随着市场需求的增大，企业的动力也会增大，从而推动中小型全预混冷凝锅炉的发展，为节能、环保做出贡献。