燃氣鍋爐低氮改造技術及實施成效分析

＊相世權

（辛集市建投燃氣有限公司 河北 052360）

引言

隨著全球能源開發利用的不斷發展，能源開發利用越來越被人們重視，而化石能源所造成的大氣污染問題也日趨嚴重。實現“雙碳”戰略目標，可持續經濟發展政策的落實，要求在全國范圍內逐步提高鍋爐低氮燃燒技術的研究工作，要求不斷推進低氮燃燒器的改造措施，努力實現“雙碳”戰略目標。據統計，在全國禁燃區域內1t/h以及以上的燃氣鍋爐總計為1134臺，這些鍋爐在燃燒時所排放煙霧中的NOx，其質量濃度平均水平為103.3mg/m3，集中分布在80～140mg/m3區域之間，這種污染物排放的標準仍然存在較大的減排空間，與國內先進的燃氣鍋爐排放量的嚴格標準30mg/m3，平均值70mg/m3比較，存在一定的差距。

為了全面推進燃氣鍋爐低氮改造工作，國家出臺了關于燃氣鍋爐（設施）低氮改造工作的相關通知，面對國內多種低氮燃燒技術，提高燃料和助燃空氣混合的合理性，有效控制爐膛內部產生的高溫，不斷采取分級燃燒、濃氮燃燒、催化燃燒、預混燃燒以及燃氣再循環燃燒的措施，通過融入高新技術含量，能夠有效地降低NOx的生成，通過改造低氮燃燒器，提高燃氣再循環系統功能，逐步降低燃氣污染物的排放程度[1]。

1.燃氣鍋爐低氮改造技術策略

(1)分級燃燒與提高煙氣再循環技術策略

燃氣鍋爐加熱過程中的分級燃燒或者煙氣再循環的工作狀態是屬于低NOx燃燒中的控制技術，在燃燒過程中，如果單獨采取其中的一種降氮方式，所呈現的效果不是很好，也達不到現階段嚴格的污染物排放標準要求，為了達到污染物的排放標準要求，在正常的鍋爐燃燒工作中將兩種方法融合起來運用，這樣的使用方式不僅能夠降低鍋爐內的燃燒溫度，同時還降低了風壓，能夠大幅度降低熱力型產生的NO2，從而達到NO2的排放量屬于標準要求的范圍之內，降低NO2的生成的時候會大幅度降低NOx的生成，由此能夠減少污染物的排放程度，被廣泛應用在鍋爐的加熱工作中。

如果將分級燃燒與煙氣再循環兩種方式同時使用，能夠減少NOx的排放量降到70%左右，更重要的是對NOx生成的煙氣再循環的控制效果更佳，使得循環過程更加安全，鍋爐的加熱效能會提高10%～30%。因此，鍋爐的分級燃燒方式和煙氣再循環方式相結合的運用最為普遍，而且被廣泛應用在燃氣鍋爐的建成或者改造過程中[2]。

(2)對于全預混鍋爐表面燃燒技術策略

燃氣鍋爐的全預混燃燒按照其基本原理，在燃燒的過程中將燃燒所需要的空氣與燃氣提前進行混合，能夠達到均勻燃燒的效果，在鍋爐點火之前，燃氣在助燃氣的作用下兩種氣體的分子進行充分混合，避免燃氣的化學濃度成分不均勻導致燃燒不徹底而產生有害氣體，在鍋爐的燃燒區域內運用大量的助燃空氣將火焰溫度進行降溫處理，由此大幅度降低熱力型的NO2的生成，燃氣與空氣的預混方式，兩種氣體的充分混合，能夠將NO2的排放濃度控制在15～30mg/m3之間，此方法可以應用在新建或者整體更換鍋爐的項目當中。

鍋爐燃燒的全預混技術也可以與鍋爐的表面燃燒投配合使用，能夠有效控制火焰的長度，使得火焰附著在金屬纖維表層，使用這種方法進行燃燒，能夠有效控制燃燒速度和燃燒的范圍，而且能夠有效防止鍋爐燃燒發生離煙和回火的現象[3]。同時所使用的設備簡單，鍋爐的安裝比較方便，在實際應用時，需要嚴格要求燃氣的純凈度，對鍋爐房環境的要求比較嚴格，在燃燒過程中，鍋爐的燃燒器容易被堵塞，需要定時對鍋爐的過濾裝置和鍋爐表面的燃燒頭進行清洗和維護，而且對于空氣混合量的系數在1.5以上才能控制NO2在30mg/m3以下，如果過量空氣系數偏大，則會造成鍋爐排煙是熱量有所損失，從而降低鍋爐的熱效應[4]。

(3)對于冰冷預混燃燒技術的鍋爐整體更換策略

鍋爐的水冷混技術也是鍋爐燃燒中的基本原理之一，這是通過設置在火焰根部的高效能傳熱冰冷管，將燃燒的火焰燃燒以后釋放，實現燃氣低氮燃燒與完全燃燒的相互平衡。利用水冷預混的方式冷凝鍋爐能夠實現NO2低于30mg/m3的排放，而且產生的熱效能較強，鍋爐的整體設計緊湊，二者合為一體，因而安裝比較方便，因為只能用于新建或者整體的鍋爐更換項目，所以，限制了其它條件下的應用，無法大范圍的進行使用。

水冷預混底單燃燒技術也能夠達到鍋爐的全預混燃燒效果，擋在鍋爐燃燒的時候，能夠滿足低過量空氣系數、燃燒室無堵塞、噪音低、NO2排放穩定的優勢，同時能夠有效防止燃燒室出現回火現象。在水冷管的作用下，如果發生回火問題，能夠通過水冷管自身的功能利用冷壁效應實現自行滅火的功能。控制燃氣過量和空氣的混合程度，能夠自行分配氣體并且保證了燃燒狀態是水冷預混技術的重要功能，這種設計不會因為氣體的混合不均勻而造成鍋爐局部燃燒不完全，從而生成大量的CO，甚至因為高溫原因而導致生成大量的NOx[5]。

2.低氮改造技術的具體實施

(1)燃燒器類型的選擇

要想降低NOx的排量，則必須對燃氣鍋爐進行合理的改造工作，根據鍋爐改造工程的不同，選擇不同的改造方案，選擇合適的低氮燃燒器，燃燒器的選擇需要根據鍋爐的本身的結構特點、性能以及所需要的燃料的不同來確定，還要跟鍋爐的實際用途相適應。關于燃料的選擇，需要跟鍋爐的用途相匹配，以鍋爐的熱功率性能、燃料的特點以及環境的特點來選擇燃燒器，如果是蒸發量較小的鍋爐則選擇一體式燃燒器比較適宜，而高溫或者蒸發量較大的鍋爐則選擇分體式的燃燒器比較適宜。燃燒器的額定輸出功率和消耗量相匹配，根據鍋爐的熱工率大小、熱效率效應、燃料產生的熱值來確定，選擇適合鍋爐性能的燃燒器，當燃料的消耗量對應集中燃燒量，應選擇鍋爐的背壓能夠有效克服鍋爐煙風阻力的燃燒器為宜。

(2)鍋爐燃燒器的安裝及調試過程

在燃燒鍋爐低氮改造工程項目實施階段，需使鍋爐的燃燒器能夠發揮最大工作性能，則必須做好鍋爐燃燒器的安裝和調試工作。燃氣鍋爐的改造工作，能夠使鍋爐的接口密封可靠，不會出現漏風、漏煙隔熱不良等現象，能夠有效固定燃燒器，有效防止火焰強烈的沖擊鍋爐的受熱面。鍋爐的調試主要是針對鍋爐運轉的馬達、壓力開關設置是否正常，鍋爐的風機是否正常運轉，運轉時工作狀態是否正常，同時檢查空氣供給和排煙系統是否通暢，燃氣管道是否有漏氣現象，在檢查過程中，必須是用戶單位的技術人員進行現場指導。在進行點火調試時，啟動燃燒器進行點火，重點是檢查火焰裝置是否可靠，其后再檢查燃燒器運行負荷是否正常，檢查火焰的癥狀是否正常，對煙氣進行監測，并進行適當調節，燃燒器在正常運轉過程中空氣量供給是否正常，是否出現燃料過剩的現象，避免燃料過剩而產生爆燃現象，甚至排放大量污染氣體。

(3)煙氣再循環技術實施策略

煙氣再循環技術在鍋爐低氮技術改造中被廣泛應用，確保燃氣鍋爐改造后的實用性更強，低氮排放效果更好，鍋爐設備的運行更安全。鍋爐中的煙氣與新鮮空氣混合后，對燃燒器的助燃溫度有所控制，鍋爐中的煙溫過低，會造成冷凝水較多，從而影響燃燒器的穩定性，而煙溫過高，則會影響降低NOx的排放效果，并且會影響燃燒器零部件的運行狀況。因此，煙氣再循環管道需要保持一定的溫度，溫度過低會導致煙氣溫度降低而產生冷凝水，煙氣管道兩端需增設凝水排放口，以便冷凝水能夠隨時排出。

(4)熱控電氣系統技術實施策略

針對鍋爐的改造在更換底單燃燒器后，還需要保留源鍋爐的控制模塊，只更換鍋爐的燃燒器系統即可，將燃燒器與控制部分進行對接，再根據更換以后鍋爐的煙氣外循環系統對鍋爐的控制系統進行改造，并進行調試，在此期間，檢查電氣電纜的連接是否正確，是否由電工專業人員按照相應的要求操作，電纜的鋪設工作是否合規，控制電纜和電源電纜之間是否保留了足夠的間距。電氣設備是否運用絕緣電阻，電纜的強度是否足夠，是否安裝了良好的外殼保護結構，更應該注意的是外部導電布建應接地，接地電阻要適中。

3.燃氣鍋爐低氮改造實施效果分析

(1)NOx減排效果分析

燃氣鍋爐低氮改造工作，經過改造前技術方面的證明，改造以后運行狀況的檢查，經過測試，大部分的鍋爐從改造前NOx的排放量103.3mg/m3下降到改造后的27.5mg/m3，NOx減排率高達73.4%，有效降低NOx的排放量。

(2)鍋爐的節能效果更加明顯

對于鍋爐的整體結構進行更換以后，底單冷凝式燃氣鍋爐的排煙溫度大幅度降低，鍋爐的熱效率明顯提高，更換低氮燃燒器的燃氣鍋爐，不僅效益始終處于穩定狀態，還大大提高了燃燒效率，熱效率的監測統計結果高達91.88%，完全符合鍋爐節能監督管理規定的監測要求。根據用戶單位燃氣的用量來看，低氮改造醫護燃氣鍋爐的節能用氣量高達23.1%，如此情況下，全年可以節約的燃氣用量會是一個龐大的數據[1]。

(3)鍋爐運行時的穩定率提高

通過對原有鍋爐進行改造，將燃燒器和鍋爐進行更新換代，鍋爐排放的污染氣體降低了許多倍，這不僅達到了環保的要求，也提高了鍋爐安全運行的保證，而且增加了自動控制的全面升級，鍋爐設備的安全控制系統運行良好，安全保護功能相對完善，運行安全可靠。鍋爐設備的安全防控能力大幅提高，通過低氮改造的燃氣鍋爐非常輕松地通過了安全性能檢驗，通過出具的報告顯示，鍋爐監測的相關數據度符合相關要求標準。

(4)鍋爐燃燒熱能供給的影響

通過對鍋爐改造更新，低氮燃燒控制技術能夠有效降低鍋爐爐膛燃燒溫度控制NOx的生成，能夠完善鍋爐輻射吸收熱量遠遠小于原設計吸收的熱量，提高了鍋爐的供熱能力，改造后鍋爐排煙溫度的升高，排煙熱量也會增加，鍋爐輻射所吸收的熱量減少，因此，在改造設計燃料下鍋爐運行所付出的能量小于原設計鍋爐所付出的能量。

4.結論

綜上所述，對鍋爐的低氮改造工作，使得鍋爐的風機燃燒結合煙氣再循環過程，以全預混表面燃燒、水冷預混主要方式的運行，使低氮燃燒技術得到了廣泛應用，促進了鍋爐較好地節能減排，通過對鍋爐實行更換新型底單燃燒器或者低氮冷凝鍋爐的方式，在很大程度上會改變由于鍋爐燃燒造成的高污染、高耗能的現狀。在當前節能減排、提倡“雙碳”環保戰略規劃的關鍵時期，燃氣鍋爐低氮改造工作顯得尤為重要，大力開展項目實施和經驗推廣具有重要的借鑒意義，從而也促進了燃氣燃燒器產業鏈以及相關配套技術的不斷發展，有利于促進“雙碳”經濟綠色的正常發展。