燃氣鍋爐減排及熱能回收裝置應用實例

文 // 孫干 北京節能環保中心 姚榮佑 王立新 李海生 北京京海華誠能源科技有限公司

燃氣鍋爐減排及熱能回收裝置應用實例

文 // 孫干 北京節能環保中心 姚榮佑 王立新 李海生 北京京海華誠能源科技有限公司

據統計，目前北京市燃氣鍋爐保有量超過1萬臺，隨著鍋爐“煤改氣”工程的繼續推進，燃氣鍋爐保有量將持續增加。鍋爐“煤改氣”可以有效壓減燃煤，降低大氣中可吸入顆粒物濃度，但是，燃氣鍋爐使用過程中會產生大量水蒸氣和氮氧化物，而水蒸氣和氮氧化物是形成霧霾天氣的主要成因之一。

為加強對鍋爐大氣污染物的排放控制，保障人體健康、保護生態環境、改善環境空氣質量，2015年北京市發布了最新《鍋爐大氣污染物排放標準》，標準規定在用鍋爐氮氧化物排放濃度要低于80mg/m3，遠低于目前國家標準規定的200mg/m3。

隨著北京市鍋爐排放新標準的實施，未來幾年將迎來在用燃氣鍋爐低氮燃燒改造的高峰。2014年開始，國內外的技術廠家已經開始將各種低氮燃燒技術在燃氣鍋爐上進行試驗和應用。本文通過一種新型的“燃氣鍋爐減霧減霾及熱能回收裝置”在南苑供熱廠和東郊供熱廠的應用效果為例，表明低氮燃燒技術改造對北京市治理霧霾、改善空氣質量、節約能源的貢獻。

1 工作原理

燃氣鍋爐濕煙氣中的冷凝及氮氧化物的生成是一個復雜的傳熱傳質過程，燃氣鍋爐的燃料為天然氣，主要成分是甲烷（CH4），屬于高氫燃料，在理論空氣量下，煙氣中水蒸氣容積量高過20%，每標準立方米天然氣燃燒后的煙氣中水蒸氣質量約為1.55kg左右，攜帶熱量約3640kJ，燃氣鍋爐天然氣燃燒溫度超過1200℃后，會產生大量氮氧化物，氮氧化物生成還與空氣過剩系數等有關。因此，通過低氧燃燒、優化助燃空氣、燃氣比例調節、煙氣熱能回收等技術綜合應用，可有效減少煙氣中的水蒸氣和氮氧化物，提高鍋爐熱效率，實現燃氣鍋爐的減霧減霾和節能。

1.1 裝置的構成

減霧減霾及熱能回收裝置由節能器、減霧器、減霾裝置、引風機、冷凝水收集系統及煙氣壓力、溫度測量等部件組成，通過一級換熱和二級換熱進行高溫煙氣與低溫鍋爐回水和冷空氣的熱量交換。

1.2 裝置的原理

①一級換熱，利用低溫鍋爐回水吸收高溫煙氣中熱量，主要吸收煙氣中的顯熱，提高鍋爐回水溫度，提高鍋爐燃燒效率，節約燃氣。

②二級換熱，利用冷空氣進一步吸收低溫煙氣中熱量，將排煙溫度降低至露點溫度以下，主要吸收煙氣中的潛熱，煙氣中2/3的水蒸氣凝結成水，大大減少煙氣中水汽向大氣的排放，冷凝水回收后作為鍋爐補水使用，冷空氣加熱后進入鍋爐燃燒，提高鍋爐燃燒效率，節約燃氣。

③利用低氧燃燒和廢氣回流混燒技術，降低爐膛燃燒溫度，抑制氮氧化物的生成，減少煙氣中氮氧化物的排放。

2 項目應用

2.1 南苑供熱廠項目

南苑供熱廠位于北京市豐臺區，鍋爐房共有4臺燃氣熱水鍋爐，鍋爐總容量為56 M W，鍋爐型號均為W N S14-1.25/115/75-Q，鍋爐房供熱面積為55萬m2，主要為南苑機場提供供暖服務。2013年，該鍋爐房成功安裝了一臺減霧減霾及熱能回收裝置（圖1），改造后的燃氣鍋爐各項運行參數指標達到預期設計要求。

圖1 南苑供熱廠安裝的減霧減霾及熱能回收裝置

2.2 東郊供熱廠項目

東郊供熱廠（原花家地供熱廠）隸屬于北京市熱力集團有限責任公司，負責25個熱力站提供熱源，為該地區250萬m2、3萬余戶居民供熱。2013年，東郊供熱廠實施了“煤改氣”工程改造，將燃煤鍋爐全部更換為燃氣鍋爐。為減少污染物排放，2014年，東郊供熱廠選擇了1臺型號為WNS14-1.6/130/70-Y(Q)的燃氣熱水鍋爐加裝了減霧減霾及熱能回收裝置，該裝置比南苑供熱廠的裝置增加了煙氣回流混燒技術，其減排效果也更加顯著（圖2）。

南苑供熱廠和東郊供熱廠的2臺鍋爐改造后，設備運行正常，與改造前相比，鍋爐排煙中的排煙溫度、水蒸氣、氮氧化物濃度均大幅下降，冷凝水大量回收，天然氣消耗量也明顯減少。

3 檢測結果

根據南苑供熱廠和東郊供熱廠的項目實際運行情況，依據GB/T10180《工業鍋爐熱工性能試驗規程》等標準，對2臺燃氣鍋爐分別進行改造前后的熱效率和污染物排放濃度檢測，檢測結果見表1～4。

測試結果表明，南苑供熱廠14MW燃氣熱水鍋爐使用減霧減霾及熱能回收裝置后，鍋爐熱效率提高4.63%，鍋爐節氣率達5.09%，回收冷凝水590kg/h，氮氧化物排放濃度下降至56.9 mg/m3。同時，在試驗中還發現一個氮氧化物的排放規律，隨著燃氣量的減少，氮氧化物排放濃度也相應減少，該發現對指導在用燃氣鍋爐低氮技術研發和應用具有重要意義。

圖2 東郊供熱廠鍋爐改造前后煙氣排放濃度對比圖

表1 南苑供熱廠燃氣鍋爐熱效率檢測結果

表2 南苑供熱廠4#燃氣鍋爐污染物排放濃度檢測結果

表3 東郊供熱廠燃氣鍋爐熱效率檢測結果

表4 東郊供熱廠燃氣鍋爐污染物排放濃度檢測結果

東郊供熱廠14MW燃氣熱水鍋爐使用減霧熱能回收裝置后，鍋爐熱效率提高3.72%，鍋爐節氣率達4.0%，回收冷凝水997kg/h，氮氧化物排放濃度下降至44 mg/m3。

4 結論

通過對南苑供熱廠和東郊供熱廠2臺燃氣熱水鍋爐應用減霧減霾及熱能回收裝置的實際運行檢測和研究，該技術裝置可大幅減少鍋爐排煙中的水蒸氣及氮氧化物濃度，提高了鍋爐熱效率，并降低了天然氣消耗，如能在在用燃氣鍋爐的節能減排改造項目中推廣使用，可減少燃氣鍋爐使用過程中對環境的影響，為北京市及周邊地區的節能減排工作發揮重要作用。