燃油鍋爐改造天然氣鍋爐的優勢分析

關博欣

摘 要：本研究以中原地區供暖用的燃油熱水鍋爐改造天然氣鍋爐項目為研究對象，通過對鍋爐概況、改造、維護與保養的介紹，以及從技術、效率、環保、節能等方面進行分析，表明天然氣鍋爐具有經濟、清潔、高效等優勢。

關鍵詞：柴油鍋爐;天然氣鍋爐;改造;節能;分析

中圖分類號：TK229.7 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）12-0051-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.010

Analysis of the Advantages of Gas-Fired Boiler Retrofitting Oil-Fired Boiler

GUAN Boxin

（Zhengzhou Transportation Sub-Company of Pipe China North Pipeline Company，Zhengzhou 450000，China）

Abstract： According to the project of gas-fired boiler retrofitting oil-fired hot water boiler for heating in the Central Plains of China，the Article introduces the profile，retrofitting，maintenance of boilers，analyzes aspects of the performance，efficiency，environment protection，and energy saving etc.，and then concludes that gas-fired boilers are economical，clean and efficient.

Keywords：diesel-fired boiler;gas-fired boiler; retrofitting;energy saving;analysis

0 引言

我國力爭2030年前實現二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和目標。我國提出，二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，力爭2060年前實現碳中和。石油、煤炭、天然氣、電力等多種能源在能源系統中互補協調，節能技術的開發、推廣及使用已成為必然。筆者以一臺冬季供暖用全自動燃油（燃氣）常壓熱水鍋爐改造項目為研究對象。近十年，該鍋爐一直以輕柴油為燃料，并在2021年冬季供暖前改造為天然氣鍋爐，在達到高效節能、低碳環保要求的同時，也實現了提質增效。

1 鍋爐概況

中原地區某廠區內一臺功率為1.05 MW的冬季供暖用全自動燃油（燃氣）常壓熱水鍋爐，其可使用柴油、天然氣等燃料，電源電壓為220 V或380 V±5 V，機器均安裝有可靠的接地線。

1.1 結構

該鍋爐采用鍋殼式三回程、全濕背的結構。燃料在爐膽內微正壓燃燒，高溫煙氣沿爐膽向后經回燃室進入第一煙道管束，經壓迫式前煙箱轉折180°后進入第二管束，經過對流換熱后排入大氣[1]。

鍋爐所有的受壓元件與鍋筒為中心對稱結構，鍋爐采用全濕背式結構，以極大的內筒和偏心火箱的結構，有利于提供足夠的輻射受熱面。對流受熱面由第二回程和第三回程的管束構成。回燃室前管板與爐膽相連接，回燃室后管板采用橢球形封頭和管板。第二回程和第三回程轉變煙室成了前煙箱，此處煙的溫度已低于500 ℃。因此，前煙箱的結構采用輕型結構的耐火保溫材料。后煙箱煙氣出口布置在沿筒體的縱軸方向。在鍋爐啟動停止時，冷凝水會腐蝕鍋爐本體。鍋爐回水入口內設有混水裝置，回水先刷煙管管束，再接觸爐膽，提高了回水的水溫，從而避免局部產生沸騰的現象[2]。

1.2 優點

該鍋爐結構緊湊、受熱面積大、熱效率高、升溫快、供應熱水充足，且安裝維護方便。改造前鍋爐采用輕柴油進口燃燒器，配有循環水泵，由全自動程序進行控制，有過熱保護、缺水保護、自檢功能等多重保護功能。該鍋爐安全可靠，且自動化程度高。

1.3 供水

鍋爐周圍禁止存放易燃易揮發物質。鍋爐房要始終保持干燥清潔，避免控制系統受潮。鍋爐設有膨脹水箱，水箱離鍋爐上部要高出1 m左右，使用額定流量和額定揚程與之相適應的循環泵。采用防火材料，做好保溫，防止熱損耗和火災。各連接處要保證密封，以防漏水。鍋爐的補水必須由膨脹水箱進行供水，不能直接連接到自來水管。水質應符合《工業鍋爐水質》（GB/T 1576—2018）中的相關要求（見表1），要經?；炈|，以確保水質符合標準，防止鍋殼底部結垢[3]。

2 鍋爐改造

2.1 改造原則

按照國家出臺的節能降耗和環保政策，以及國家安全生產政策，在消除安全隱患的同時，提高管理水平。合理利用已有設施，降低工程造價，確保技術先進、經濟合理。

一臺1.05 MW的燃油熱水鍋爐，供回水溫度為85 ℃/60 ℃，改造的主要部分是將燃油燃燒器更換為低氮燃燒器，該燃燒器以天然氣為燃料（氮氧化物排放濃度≤30 mg/m3），包括低氮燃燒器控制柜（防爆）、爐前閥組等必備器件。

氣源為燃氣有限公司已建的天然氣管道，終點為鍋爐房。在可燃氣體易泄漏區域和室外可燃氣體調壓箱處均設有可燃氣體探測器，配電室設有可燃氣體報警控制器。當任何一臺可燃氣體探測器探測到的可燃氣體濃度達到20% LEL時高報警，達到40% LEL時高高報警，并聯鎖關閉電磁閥，將可燃氣體報警控制器的信號上傳至控制室PLC系統，同時啟動鍋爐房軸流風機。

2.2 燃燒器更換

改造是將原有的輕柴油燃燒器更換為多重燃燒超低氮燃燒器。多重燃燒超低氮燃燒器由進風箱、風機、混合燃燒頭、點火槍、控制箱、閥組等部分組成。混合燃燒頭內有中心槍、分配器、內圈噴射口、外圈噴射口等部件，燃燒器采用管內走燃氣、管外供助燃風的方式。槍及噴口采用分層、分段的方式布置，使火焰得以充分展開，在爐膛內形成不同的壓力場區域，避免火焰過于集中，造成火焰的平均溫度降低，從而減少氮氧化物的產生。再加上煙氣回收系統，可實現在低氧量情況下超低氮氧化物排放。

多重燃燒超低氮燃燒器采用模塊化的控制方式，提供預吹掃和后吹掃、點火系統控制、流量調節、風燃比配比、安全聯鎖保護等全自動程序功能。

2.2.1 多重燃燒超低氮燃燒器混合燃燒頭。多重燃燒超低氮燃燒器混合燃燒頭（見圖1）的槍及噴口采用分層、分段的布置方式，通過錯層、錯位布置燃燒器機頭，可在爐膛內形成不同的壓力場區域，能夠使氣流產生回旋，從而形成內循環，使燃氣能夠充分燃燒，降低排放氣體中氮氧化物的含量。

2.2.2 點火槍。在多重燃燒超低氮燃燒器中，燃氣通過燒頭分級噴射后與空氣混合直接燃燒，并采用雙極打火的方式。點火變壓器將220 V電壓轉換成2×7.5 kV電壓通過高壓導線、點火電極，在點火電極尖點間產生電火花，電火花成功率達到100%。由于點火槍槍頭部分采用的是耐火材料，所以在燃燒運行時無須退出。

2.2.3 火檢系統。系統通過火焰探測器來感應是處在點火狀態，還是主火焰出現故障，從而確保燃燒器能夠點火成功或自動關閉。

2.2.4 燃氣系統。燃氣通過過濾器到達燃燒區域時，主要是由主燃氣管路上蝶閥來進行負荷調節。燃氣通過組合電磁閥（關閉閥、壓力調節器）和流量調節閥進入燃燒器，流量調節閥根據輸入需求來控制流量。調節閥是通過執行器來設置位置，空氣和煙循環系統擋板是由控制器驅動風門執行器（伺服）來控制開度。燃氣關斷閥只在燃氣泄漏開關閉合時才會被啟動。當燃氣壓力正常時，高壓及低壓燃氣壓力開關處于閉合狀態，如果超過正常氣壓范圍，二者則會斷開。

2.2.5 煙氣再循環。煙氣再循環（FGR）是鍋爐燃燒領域中一種能夠有效降低NOx含量的方法。根據鍋爐現場情況對FGR系統進行合理的布置。在鍋爐煙氣出口處，通過煙氣再循環管道接至鼓風機入口的混合箱，使煙氣與空氣進行混合。通過調節再循環煙道上的控制擋板及空氣的進風風門擋板，循環煙氣量和空氣量的配比達到最佳。

2.2.6 燃燒器安裝。在鍋爐或其他加熱設備安裝前，應準備好相應尺寸的安裝板。安裝時，先將燃燒頭配備好的法蘭與鍋爐或加熱設備連接在一起。鍋爐喉口與燃燒頭之間的間隙部分要用硅酸鋁棉（或其他密封隔熱防火材料）進行填塞，確保隔熱保溫。燃燒器和前爐墻板接口部分要填塞石棉繩（或其他密封隔熱墊），從而確保無煙氣泄漏。

2.2.7 燃燒器負荷調節。燃燒器負荷調節可通過控制屏控制手操器來選擇是自動控制，還是手動控制。當系統處于自動控制（Auto）時，系統根據鍋爐蒸汽壓力/出水溫度的設定值來自動調節火力大小。當系統處于手動控制（Manual）時，可通過控制屏按鍵來手動增加或減少負荷。

2.2.8 燃燒器維護。燃燒器控制系統長時間運行需要定期進行檢查和維護。在進行維護和檢查時，應遵循以下6個原則：在進行定期維護或檢查前，確保關閉任何燃料供應;除去所有電器接點、控制室內的風機和風閥等設備上的灰塵或異物;火檢系統、限位開關、執行器等安全裝置的維護只能由經過授權或認證的人員進行;安全設備的功能測試應在定期維護時進行，以確保所有開關工作正常;控制系統本身不需要調整，如需要任何額外調整或故障排除，要聯系維修人員;保持火焰探測器的清潔，確保其不沾上灰塵或異物。

2.3 燃氣調壓箱

本研究通過新建一座燃氣調壓箱，其內采用高品質調壓器和過濾器，最大流量為150 Nm3 /h。調壓箱之前管道的設計壓力為0.4 MPa，調壓之后管道的設計壓力為50 kPa 。在用氣單位廠區內到鍋爐房用氣點之間設有調壓箱，經調壓計量后輸送至鍋爐用氣點。

懸掛式調壓箱距其他建筑物、構筑物的水平凈距（m）應符合表2中的規定。

調壓箱的箱底距地坪的高度為1.0～1.2 m，可安裝在用氣建筑物的外墻壁或懸掛在專用的支架上。當安裝在用氣建筑物的外墻上時，調壓器進出口的管徑不宜大于DN50。

調壓箱到建筑物的門、窗或其他通向室內孔槽的水平凈距應符合以下規定。當調壓器進口燃氣壓力不大于0.4 MPa時，不應小于1.5 m;調壓箱不應安裝在建筑物的門窗上方、下方墻上方及陽臺的下方，不應裝在室內通風機進風口墻上;安裝調壓箱的墻體應為永久性的實體墻，其建筑物耐火等級不應低于二級，調壓箱上應有自然通風孔。

2.4 鍋爐的供氣管路

燃燒器上有進氣法蘭接口，只要將進氣管法蘭與燃燒器管法蘭連接起來即可。燃氣在進入燃燒器前，裝設有必要的閥門及檢測系統，并設置燃氣手動和自動切斷裝置。

2.5 可燃氣體報警系統

天然氣發熱量、總硫和硫化氫含量、水露點指標應符合《天然氣》（GB 17820—2018）中的二類氣的相關規定。天然氣的烴露點應比最低環境溫度低5 ℃，天然氣中不應有固態、液態或膠狀物質。

在氣體檢測監控系統中，氣體探測器將探測到的氣體濃度傳輸至氣體報警控制器，一旦可燃氣體濃度達到20% LEL的低限報警值時，控制主機就會發出聲光報警，并輸出低限報警信號（保持信號），然后啟動排風扇，降低現場可燃氣體的濃度。如果探測器探測到可燃氣體的濃度持續上升，并達到40%LEL高限報警值時，控制主機會輸出高限報警信號，并啟動緊急切斷電磁閥，切斷氣源。

2.6 改造注意事項

各測控點的位置可做適當調整，但必須符合規范要求。所有電纜外部有保護鋼管，由防爆撓性接管、防爆密封接頭敷至儀表和防爆接線箱。儀表和防爆接線箱應使用金屬防爆密封封堵頭進行嚴格密封。現場要嚴格按照有關防爆規范進行施工。儀表及自控系統采用聯合接地的方式?，F場儀表外殼、電纜屏蔽層、電纜備用芯均按要求進行接地，接地電阻不大于4 Ω。自控電纜與電力電纜平行敷設時距離不小于0.45 m。自控施工要嚴格按照《自動化儀表工程施工及質量驗收規范》（GB 50093—2013）中的要求執行。

3 鍋爐的維護與保養

3.1 維護

每季都要檢查電器儀表線路是否松動，并清掃灰塵。檢查所有鍋爐閥門是否完好，并進行清洗工作。清洗水泵入口濾網或油氣過濾網。每年要檢查密封墊片及煙垢，從而決定是否更換或清理，同時檢修澆注的耐火混凝土和密封石棉墊（繩）。檢查鍋爐及管道的腐蝕情況，檢查電機、電器、線路的絕緣情況，檢查儀表指示的正確性。

3.2 保養

鍋爐停爐時間較長時，必須進行保養，以防止鍋爐受熱面的腐蝕，常用的保養方法有干法和濕法保養。

3.2.1 干法保養。鍋爐停爐后，將鍋爐內的水放完，并對內部污垢進行清洗，用小火烘干。將直徑10～30 mm的塊狀生石灰或無水氯化鈣放入鍋爐盆內，放6 kg左右。然后將鍋筒關嚴，之后每三個月檢查一次，若發現干燥劑失效，要及時更換。

3.2.2 濕法保養。濕法保養就是將堿性液體灌滿整個鍋爐。鍋爐停爐后，放出鍋爐內的水，將內部污垢清理干凈，然后注入凈水，再將固體藥品（如磷酸三鈉Na3PO4）配制成質量分數為0.1%～0.2%的藥液，將其注入鍋筒內，防止金屬被腐蝕。

4 改造對比

4.1 技術

改造前，燃油鍋爐正常運行需要配備輔助設備，而燃氣鍋爐不需要配備輔助設備。改造只對燃燒器、管路進行更換，爐體本身基本不需要改造，改造工程量不大，可大幅度提高鍋爐的效率。

4.2 效率高

新的天然氣燃燒器助燃風系統可以將回收的煙氣通過煙氣混合箱先送入風機再經過燃燒頭，充分利用煙氣的余熱，可以提高鍋爐的熱效率[4]。

4.3 環保

目前，阻斷NO2形成或降低NO2含量的技術已日趨成熟，可有效控制NO2實現低排放。改造后，燃燒器是低氮型，鍋爐的氮氧化物、二氧化硫、顆粒物、煙氣黑度均有所降低，從而減少空氣污染，實現對環境的保護[5]。

4.4 節能

本次項目改造的是中原地區某廠區內的鍋爐，供暖時長為2021年11月15日零時至2022年3月15日零時，該地區冬季氣溫為-10～9 ℃，廠區供暖面積為10 130 m2。鍋爐燃料消耗對比表如表3所示。

天然氣按單價4.5 元/m3來計算，年耗氣總費用為370 602元，同比改造前年消耗柴油60 t，柴油按當季實時平均單價7 729 元/t計算，年消耗柴油463 740元，共節約成本93 138元。

5 結語

隨著鍋爐廢氣排放標準的提高，將輕柴油為燃料的燃油鍋爐改造為天然氣鍋爐已成為一種趨勢。天然氣鍋爐燃料燃燒后有害物排放量比柴油低，既提高了燃料的利用率，也節約了成本。改造后有斷氣保護，安全性也隨之提高。天然氣屬于清潔環保能源，本研究的改造不僅促進了新能源和清潔能源的發展，也是助力實現碳達峰、碳中和的途徑之一。

參考文獻：

[1] 陶永明.鍋殼式燃油燃氣鍋爐原理與設計[M].蘇州：蘇州大學出版社，2021.

[2] 曹治明，王凱軍，謝巒峰，等.燃油燃氣鍋爐運行實用技術[M].鄭州：黃河水利出版社，2021.

[3] 奚士光，吳味隆，蔣君衍.鍋爐及鍋爐房設備[M].北京：中國建筑工業出版社，1995.

[4] 王海榮，費志強，李芳芹.鍋爐節能技術[M].北京：中國電力出版社，2017.

[5] 周強泰.鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，2013.