汽車生產企業能源中心綠色排放提升實踐

何秋菊 鄭大元 趙軍 孫建福

1. 北京奔馳汽車有限公司 北京 100176；

2. 北京匯恒遠大科技有限公司 北京 100176

引言

國務院發布《大氣污染防治行動計劃》，北京市發布《北京市2013-2017年清潔空氣行動計劃》[1]。

1 項目背景及改造范圍

打造低碳、環境友好、可持續發展的綠色工廠是北京奔馳走向卓越2039的核心目標之一。

1.1 發動機廠區能源中心

4臺5.6MW燃氣鍋爐1臺2.1MW燃氣鍋爐更新為3臺4.2MW低氮燃氣鍋爐。

1.2 后驅車廠區能源中心

①4臺17.5MW燃氣鍋爐進行低氮燃燒器改造。②5臺7.5MW燃氣鍋爐更新為2臺14MW低氮燃氣鍋爐。③由發動機廠區能源中心搬遷過來2臺5.6MW鍋爐，進行低氮燃燒器改造。④2臺1.4MW燃氣鍋爐進行低氮燃燒器改造。

1.3 前驅車廠區能源中心

①2臺17.5MW燃氣鍋爐進行低氮燃燒器改造。②新增2臺17.5MW低氮燃氣鍋爐。

2 燃氣鍋爐煙氣的主要成分及污染危害

燃氣完全燃燒的產物是由氮氣（N2）三原子氣體RO2（CO2，SO2）和水蒸氣及氮化物組成。燃氣中的硫分以硫化氫（H2S）和有機硫的形式存在。燃氣中的可燃硫在燃燒過程中，大部分形成SO2，小部分SO3，而其中SO2和煙氣中水蒸氣形成硫酸氣，在低于其露點時凝結，對金屬有強烈的腐蝕性，燃燒過程產生的氮氧化物是在燃料與空氣高溫燃燒時產生的，基本上是NO和NO2，其中NO約占95%（體積分數），NO2占5%（體積分數）。NO在大氣中容易被氧化成NO2。氮的氧化物污染是指煙氣中NO和NOX（總稱NOX），空氣中的NO2含量為3.5ppm時對人眼有刺激作用，達到150ppm時，對人呼吸器官有強烈的刺激性，與大氣中的烴類氣體在日光和氧的作用下生成化學煙霧。NOX經光照射后，分散出游離氧原子，與氧氣反應成臭氧（O3），O3與空氣中的烴類反應成乙醛、過氧化硝酰等，長期吸入對人體危害較大。N2O會引起溫室效應，在光合作用下釋放出氮原子，破壞臭氧分子，導致臭氧層減少。

3 低氮技術介紹

3.1 低氮燃燒器工作原理

本項目采用ES—GE燃燒器，是一種工業用電子比例調節天然氣燃燒器，采用電子比例調節式控制，對每一個負荷點，每一路風、燃氣、FGR煙氣接受最佳的配比設定，獨立的點火位置, 可以確保燃燒器啟動的安全性；調節空氣/燃氣/FGR煙氣比，實現燃氣充分燃燒和低NOx排放的穩定[2]。燃燒器BMS控制，運行參數可以修改，如帶檢漏功能、電子空燃比功能、負荷調節PID功能、變頻功能、FGR煙氣自動調節功能、氧量監控功能等；燃燒器的自動功能在自動系統中得以實現。

3.2 燃燒器的技術特點及說明

對于燃氣鍋爐生成NOX的途徑主要有3種：熱力型、燃料型、快速型，主要是熱力型NOX。在外部條件不變的情況下，爐膛溫度、燃料和空氣的混合程序決定了NOX排放值的高低。針對氮氧化物排放的因素，燃燒器有以下技術措施降低NOx：

3.2.1 分級分區燃燒。燃燒器采用中心燃燒和外圍多槍嘴燃燒技術，形成多區域燃燒，擴大了燃燒區域，降低局部高溫，降低NOx的生成；

圖1 燃燒器分級分區燃燒

3.2.2 爐內煙氣再循環技術。本項目要求新增鍋爐煙氣NOx排放濃度≤30 mg/Nm3（北京檢測標準下），改造鍋爐煙氣NOx排放濃度≤80 mg/Nm3（北京檢測標準下）。需要增加煙氣再循環系統，將部分煙氣回收進入燃燒器再次利用，并在煙氣口增加FGR煙氣調節閥。在不改變原有鼓風機的情況下，增加FGR系統（煙氣回流系統），以達到降低NOx的目的；考慮到鍋爐鼓風機余量不足，因此FGR系統增加1臺獨立風機和調節閥，抽取并控制部分高溫煙氣和鍋爐鼓風機的冷風混合進入燃燒器，控制局部高溫區火焰溫度低于1500℃，同時降低局部高溫區混合氣體中O2體積百分比，從而達到降低NOx的目的。

4 鍋爐節能技術特點介紹

4.1 鍋爐煙氣節能器

燃氣鍋爐系統節能技術主要從改善燃氣質量、提高燃燒效率和煙氣排放余熱利用等方面，降低運行成本。鍋爐煙氣節能器就是利用煙氣節能潛力。為防止鍋爐尾部受熱面腐蝕和堵灰，標準狀態下，燃氣鍋爐的排煙溫度一般不低于180℃，最高可達250℃。高溫煙氣排放造成大量熱能浪費，同時污染環境。1Nm3天然氣燃燒后會放出9450Kcal的熱量，其中顯熱為8500Kcal，水蒸氣含有的熱量（潛熱）為950Kcal。燃氣鍋爐可利用的熱能是8500Kcal的顯熱。供熱行業中常規計算天然氣熱值一般以8500Kcal/Nm3為基礎計算。這樣，天然氣的實際總發熱量9450Kcal與天然氣的顯熱8500Kcal比例關系以百分數表示就是111%，其中顯熱部分占100%，潛熱部分占11%，對于傳統燃氣鍋爐來說，潛熱部分的熱量在運行中實際上被全部浪費。高溫煙氣排放造成的排煙熱損失，主要為煙氣顯熱和蒸汽潛熱。假設煙氣溫度200℃降低至70℃，1 Nm3天然氣燃燒后的排煙中，可放出物理顯熱約1600KJ，水蒸氣冷凝率取50%，可放出汽化潛熱約1850KJ，即總計放熱達3450KJ[3]。這正是燃氣鍋爐節能的潛力所在。本項目鍋爐廠家采用獨立自主研發的鍋爐配套節能器。節能器是燃油（氣）鍋爐提高熱效率的專用輔機，它能很好地回收鍋爐尾部煙氣中大部分的余熱，來加熱鍋爐給水，降低排煙溫度，以達到提高燃料利用率的目的。

鍋爐專利節能器采用先進的螺旋翅片管生產技術，利用螺旋管高頻焊接生產線制造。節能器由一系列螺旋翅片管、進出口集箱、彎管、保溫材料和其他一些輔助材料構成；節能器被安裝在鍋爐尾部煙道，鍋爐給水（65℃）經過節能器后再進入鍋爐，利用鍋爐排出的高溫煙氣加熱給水，螺旋翅片管作為換熱管束，臥式串聯布置，給水在管內流動，煙氣則在管外沖刷進行換熱，在節能器上裝有溫度計，壓力表，安全閥等儀表裝置，保證了節能器安全、穩定的運行。

螺旋翅片管是一種新型高效換熱元件，通過高頻電阻焊把金屬翅片螺旋形焊接于鋼管壁面上，使金屬翅片與鋼管焊接成為一體。采用高頻焊接工藝，焊接熱影響區小，自冷作用強，焊接不易氧化，焊著率可達95%以上。螺旋翅片可改進氣體湍流程度，改進傳熱速率，起到強化傳熱的作用，煙氣流動阻力低，并且使煙氣產生漩渦，飛灰顆粒撞擊到管壁的機會很少，不容易產生積灰現象。與傳統光管式節能器相比，螺旋翅片管節能器能大幅度擴展換熱面積（一般為光管的幾倍甚至十幾倍），從而使節能器的傳熱面積增加，體積減小，結構緊湊，減少了受壓彎頭和焊縫數量，并增強了傳熱效果。螺旋翅片管還有適應溫度廣，耐腐蝕，承受壓力高等特點。

對于傳統燃氣鍋爐來說，潛熱部分的熱量在運行中實際上被全部浪費。高溫煙氣排放造成的排煙熱損失，主要為煙氣顯熱和蒸汽潛熱。經理論計算和實測數據表明，使用螺旋翅片管節能器，能使鍋爐排煙溫度降低80℃左右（≤90℃），鍋爐效率由不帶節能器的91%提高到96%～97%，增加5-6個百分點，節能效果十分顯著。

4.2 鍋爐燃燒器

燃氣燃燒器構造由以下5個系統組成：送風系統、點火系統、監測系統、燃料系統、電控系統。當天然氣由微電腦控制系統按程序控制進入燃燒器的燃燒頭內，由一次風與可燃氣體混合，點火燃燒，二次風助燃，實現充分燃燒。燃燒狀況由火焰自動跟蹤系統檢測控制燃燒，當燃燒出現故障（燃燒室缺氧、可燃氣體欠壓、可燃燒氣體斷流、氣量不足等），控制系統發出指令，供氣系統的電磁閥迅速關閉，切斷氣電源，燃燒器自動吹掃后停機，指示故障[4]。ES-GE電子調節燃燒器熱適應燃氣壓力波動能力強，自行調節一次配風（即燃氣壓力大，吸入一次風多；燃氣壓力小，吸入一次風少），燃燒充分，熱效率高。能節約燃氣4%以上。

4.3 鍋爐監控系統

燃氣鍋爐自控系統，通過對供熱負荷、環境溫度以及系統運行參數的監測，動態調節鍋爐的運行模式和火力配置，同時對煙氣余熱回收、循環水泵變頻運行等部分進行自動監控。系統具有豐富的組態功能，實時顯示鍋爐運行狀態、氣候補償數據、變頻水泵狀態、燃氣消耗等相關運行參數。實時跟蹤供熱負荷和環境溫度變化，控制鍋爐變負荷運行以及變流量循環。通過自控系統控制并聯運行鍋爐投入臺數、火力大小的自動配合，實現鍋爐變負荷運行。鍋爐控制系統對鍋爐的給水、燃燒等熱工過程變量進行自動調節。實現鍋爐的自動控制，進行精細化節能運行。降低燃氣、電力消耗。

5 效果效益

5.1 鍋爐運行燃氣消耗量對比

同期數據對比：全年節約燃氣量總計節約天然氣200萬m3。

5.2 節約運行費用

節約費用：總計每年節約燃氣費用540萬元人民幣。

6 結束語

鍋爐低氮改造項目完成后，新增鍋爐煙氣NOx排放濃度≤30mg/Nm3（北京檢測標準下），改造鍋爐煙氣NOx排放濃度≤80mg/Nm3（北京檢測標準下）。已通過北京市特種設備檢測中心和北京經濟技術開發區環境保護局的驗收。

在鍋爐改造施工期間，保障工廠正常生產所需的熱源供應。鍋爐更新換代，鍋爐單臺節能16%，實現“雙降”（降低氮氧化物排放同時降低鍋爐能耗總量），如期兌現向北京經濟技術開發區的節能減排承諾。

北京奔馳倡導以提高能源利用效率和改善生態環境質量為目標，促進生產轉型升級，實現企業發展與環境改善雙贏。綠色生產與綠色生活相融合，青山綠水就是金山銀山。