燃油燃氣鍋爐低氮燃燒及能效提升工作

胡 亮

（江西金輝鍋爐制造有限公司，江西 吉安 343000）

全國人大于2016年12月25日審議通過了《中華人民共和國環境保護稅法》，并于2018年1月日實施。相關部門根據我國實際情況，制定了十三五節能減排目標，出臺了一系列支持節能減排的政策和措施。全國各地紛紛對大氣污染物的排放標準進行修訂，特別是大幅提高了鍋爐氮氧化物（NOx）的排放限制，其嚴厲程度達到甚至超過了發達國家鍋爐煙氣排放標準。自2015年以來，北京等重度污染城市和地區，加速實施在用鍋爐低氮改造工程。更換低NOx燃燒器是最直接有效的方案。采用煙氣再循環燃燒方式和全預混表面燃燒等措施也是降低鍋爐煙氣NOx排放的有效方法。本文分析了鍋爐污染物排放中NOx的形成機理及減排技術措施，通過實際案例闡明大量在用鍋爐進行低氮改造的有效途徑。近日，燃油燃氣鍋爐低氮燃燒及能效提升工作推進會在某科學節能展示館召開[1]。

1 燃油燃氣鍋爐結構分析

近年來國家燃氣燃油鍋爐發展速度迅猛，設計水平不斷提升，產品結構具有多樣化。當前燃氣燃油鍋爐主要包含以下幾種結構：其一，立式火管類型，主要應用在0.35MV（0.5t/h）及以下的小容量鍋爐，優勢是占地面積較小、結構組成單一。其二，臥式火管類型，鍋爐容量在0.5t/h～20t/h，相當于0.35MV～14MV，其結構較為緊湊，便于工作人員進行檢修。其三，立式水管類型，其鍋爐容量為2.8MV（4t/h），產氣快、結構緊湊，不過此設備對于水質的要求較高，檢修工作開展較困難。其四，臥式水管類型，此結構屬于較普遍的爐型，整個鍋爐的容量最大可以達到29MV（50t/h）左右，檢修方便，爐型結構較成熟。同時，燃氣燃油鍋爐中還包含π型散裝結構與雙鍋橫置結構。

2 燃油燃氣鍋爐低氮燃燒及能效提升工作途徑

2.1 排放

在鍋爐燃燒時，排煙煙氣中氧含量和過量空氣系數是影響熱效率的主要因素，因此需要控制鍋爐排煙含氧量和過量空氣系數，并讓燃料在最佳燃燒區充分燃燒，以便提高鍋爐熱效率。對于燃油鍋爐，應注意燃油中含有硫（S），在燃燒過程中，會形成SO2，這會對設備產生腐蝕，應注意防護。對于燃氣鍋爐，由于天然氣主要成分是CH4，其他成分也主要是碳氫化合物，幾乎不含硫，是一種清潔能燃料。天然氣燃燒后的主要煙氣成分是：CO2、H2O、N2、NOx。為貫徹《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《國務院關于加強環境保護重點工作的意見》等法律、法規，保護環境，防治污染，促進鍋爐生產、運行和污染治理技術的進步，國家制定了鍋爐大氣污染物排放標準，增加了燃油、燃氣鍋爐煙塵、煙氣黑度、二氧化硫、氮氧化合物的最高允許排放濃度限值。未來的鍋爐會更加的低氮、節能、高效、環保[2]。

2.2 空氣分級燃燒

燃料和空氣在理論當量比條件下的預混燃燒，速度快，溫度高。將燃料燃燒所需的空氣分階段與燃料混合燃燒，降低燃燒強度和火焰溫度，而且在還原性氣氛中更有利于降低NOx的產生。過量空氣系數約為0.8的一次空氣，對NOx的產生有明顯的抑制作用，剩余的二次空氣與“貧氧燃燒”條件下所產生的煙氣混合，實現燃料的完全燃燒。空氣分級燃燒，既可抑制NOx的產生，同時可使燃料在總的過量空氣系數較低的情況下完全燃燒，避免過量空氣系數偏高增加排煙熱損失。但另一方面，由于燃料與空氣的混合及流動方式不佳，造成局部積炭等不完全燃燒的現象，需合理的產品結構設計。

2.3 高參數、大容量的鍋爐整裝化

隨著燃油燃氣鍋爐的市場比重的提升，其應用領域逐漸擴大，高參數、大容量的燃油燃氣鍋爐的使用量不斷提升，通過強化其整裝化技術能力，減少鍋爐表面的熱量損失，提升鍋爐運行效率，滿足市場需求。其一，大容量鍋爐容易受到運輸寬度的約束，若想減少工作現場的工作量，提升工作效率，可以通過模塊組裝的鍋爐結構使對流受熱面與爐膛分開，當安裝條件具備后，再通過耐高溫的膨脹節進行連接，不僅可以滿足對流受熱面的面積流通要求和爐膛燃燒尺寸要求，還可以降低技術人員進行現場安裝的工作量，利用微正壓燃燒形式和膜式水冷壁結構提升鍋爐出廠容量，提升燃油燃氣鍋爐的整體運行效率[3]。其二，對于中溫中壓參數類型的鍋爐，需要考慮鍋筒壁和水循環安全性。若設置π型散裝結構，會出現金屬消耗量大，安裝周期較長的情況。因此，可以根據SZS快裝水管鍋爐結構，設計新式三鍋筒水管鍋爐，克服參數高、容量小的問題，減少燃料的消耗量、安裝時間，提升設備能效。其中，新式鍋爐利用三分體結構，其中20t/h～40t/h鍋爐主要包含省煤器、頂置汽包、鍋爐主體組件等結構。45t/h～75t/h鍋爐主要設計成四體式結構，包含對流管、爐膛組件、省煤器、頂置汽包等結構。

2.4 安全性

燃油燃氣鍋爐的自動化程度很高，而且配有多種安全保護措施，如漏電保護即漏電自動切斷電源；過熱保護即鍋爐水溫超高達到報警溫度時，自動停止燃燒器同時警報燈響起；二次過熱保護即鍋爐外殼溫度超過設定溫度時，自動切斷二次回路，并停爐；超壓保護，當壓力達到設定溫度自動關閉燃燒器；水位電極棒監測水位防止鍋爐干燒，當鍋爐水位達到、低于極低水位時，立即停爐，避免事故。燃燒器配有熄火保護裝置，能瞬間切斷氣源，保證安全運行。

2.5 煙氣再循環

主要指將占理論空氣量約15%～25%的排放煙氣循環回到助燃空氣中，使得助燃空氣中的氧氣濃度低于21%，且含有一定量CO2。這樣會降低燃氣的燃燒反應速率，從而使燃氣的燃燒時間延長，減少了單位空間和時間內釋放的熱量。同時煙氣再循環將使燃燒室中的煙氣量有所增加，火焰的平均溫度也有所降低。這些都有利于抑制熱力型NOx的生成。

2.6 提升鍋爐含氧量

加強鍋爐燃燒效率的前提需要確保設備在燃燒工作中具有穩定的二次風供給，利用氧氣的供給量提升鍋爐的燃燒效率。

燃燒負荷需要與之對應的氧氣含量，適當的氧氣含量可以將排煙損失降到最低，提升鍋爐燃燒效率。鍋爐機組在實際運行中通過BLR會有較大的負荷波動，出現鍋爐內的氧氣含量不足或遇到負氧的情況，對于鍋爐的整體燃燒效率造成嚴重的影響，對接下來的脫硫工作造成限制。因此，建議技術人員在鍋爐燃燒時側重對送風量的調整，確保有足夠的氧氣含量來支持設備工作。

3 結語

當前燃油燃氣鍋爐具有廣闊的發展空間，在激烈的市場競爭中具有核心競爭力。對于節能減排的新要求、新形勢可以促進鍋爐和系統節能技術的應用和創新，極大地提升了系統熱效率。我國能源結構的調整使氣體燃料逐漸向第一能源推動，提升了節能減排的要求，促進了我國燃油燃氣鍋爐技術的發展。