燃气锅炉低氮改造技术及实施成效分析
时间：2023-04-21 21:50:02 来源：千叶帆 本文已影响人
＊相世权
（辛集市建投燃气有限公司 河北 052360）
随着全球能源开发利用的不断发展，能源开发利用越来越被人们重视，而化石能源所造成的大气污染问题也日趋严重。实现“双碳”战略目标，可持续经济发展政策的落实，要求在全国范围内逐步提高锅炉低氮燃烧技术的研究工作，要求不断推进低氮燃烧器的改造措施，努力实现“双碳”战略目标。据统计，在全国禁燃区域内1t/h以及以上的燃气锅炉总计为1134台，这些锅炉在燃烧时所排放烟雾中的NOx，其质量浓度平均水平为103.3mg/m3，集中分布在80～140mg/m3区域之间，这种污染物排放的标准仍然存在较大的减排空间，与国内先进的燃气锅炉排放量的严格标准30mg/m3，平均值70mg/m3比较，存在一定的差距。
为了全面推进燃气锅炉低氮改造工作，国家出台了关于燃气锅炉（设施）低氮改造工作的相关通知，面对国内多种低氮燃烧技术，提高燃料和助燃空气混合的合理性，有效控制炉膛内部产生的高温，不断采取分级燃烧、浓氮燃烧、催化燃烧、预混燃烧以及燃气再循环燃烧的措施，通过融入高新技术含量，能够有效地降低NOx的生成，通过改造低氮燃烧器，提高燃气再循环系统功能，逐步降低燃气污染物的排放程度[1]。
(1)分级燃烧与提高烟气再循环技术策略
燃气锅炉加热过程中的分级燃烧或者烟气再循环的工作状态是属于低NOx燃烧中的控制技术，在燃烧过程中，如果单独采取其中的一种降氮方式，所呈现的效果不是很好，也达不到现阶段严格的污染物排放标准要求，为了达到污染物的排放标准要求，在正常的锅炉燃烧工作中将两种方法融合起来运用，这样的使用方式不仅能够降低锅炉内的燃烧温度，同时还降低了风压，能够大幅度降低热力型产生的NO2，从而达到NO2的排放量属于标准要求的范围之内，降低NO2的生成的时候会大幅度降低NOx的生成，由此能够减少污染物的排放程度，被广泛应用在锅炉的加热工作中。
如果将分级燃烧与烟气再循环两种方式同时使用，能够减少NOx的排放量降到70%左右，更重要的是对NOx生成的烟气再循环的控制效果更佳，使得循环过程更加安全，锅炉的加热效能会提高10%～30%。因此，锅炉的分级燃烧方式和烟气再循环方式相结合的运用最为普遍，而且被广泛应用在燃气锅炉的建成或者改造过程中[2]。
(2)对于全预混锅炉表面燃烧技术策略
燃气锅炉的全预混燃烧按照其基本原理，在燃烧的过程中将燃烧所需要的空气与燃气提前进行混合，能够达到均匀燃烧的效果，在锅炉点火之前，燃气在助燃气的作用下两种气体的分子进行充分混合，避免燃气的化学浓度成分不均匀导致燃烧不彻底而产生有害气体，在锅炉的燃烧区域内运用大量的助燃空气将火焰温度进行降温处理，由此大幅度降低热力型的NO2的生成，燃气与空气的预混方式，两种气体的充分混合，能够将NO2的排放浓度控制在15～30mg/m3之间，此方法可以应用在新建或者整体更换锅炉的项目当中。
锅炉燃烧的全预混技术也可以与锅炉的表面燃烧投配合使用，能够有效控制火焰的长度，使得火焰附着在金属纤维表层，使用这种方法进行燃烧，能够有效控制燃烧速度和燃烧的范围，而且能够有效防止锅炉燃烧发生离烟和回火的现象[3]。同时所使用的设备简单，锅炉的安装比较方便，在实际应用时，需要严格要求燃气的纯净度，对锅炉房环境的要求比较严格，在燃烧过程中，锅炉的燃烧器容易被堵塞，需要定时对锅炉的过滤装置和锅炉表面的燃烧头进行清洗和维护，而且对于空气混合量的系数在1.5以上才能控制NO2在30mg/m3以下，如果过量空气系数偏大，则会造成锅炉排烟是热量有所损失，从而降低锅炉的热效应[4]。
(3)对于冰冷预混燃烧技术的锅炉整体更换策略
锅炉的水冷混技术也是锅炉燃烧中的基本原理之一，这是通过设置在火焰根部的高效能传热冰冷管，将燃烧的火焰燃烧以后释放，实现燃气低氮燃烧与完全燃烧的相互平衡。利用水冷预混的方式冷凝锅炉能够实现NO2低于30mg/m3的排放，而且产生的热效能较强，锅炉的整体设计紧凑，二者合为一体，因而安装比较方便，因为只能用于新建或者整体的锅炉更换项目，所以，限制了其它条件下的应用，无法大范围的进行使用。
水冷预混底单燃烧技术也能够达到锅炉的全预混燃烧效果，挡在锅炉燃烧的时候，能够满足低过量空气系数、燃烧室无堵塞、噪音低、NO2排放稳定的优势，同时能够有效防止燃烧室出现回火现象。在水冷管的作用下，如果发生回火问题，能够通过水冷管自身的功能利用冷壁效应实现自行灭火的功能。控制燃气过量和空气的混合程度，能够自行分配气体并且保证了燃烧状态是水冷预混技术的重要功能，这种设计不会因为气体的混合不均匀而造成锅炉局部燃烧不完全，从而生成大量的CO，甚至因为高温原因而导致生成大量的NOx[5]。
(1)燃烧器类型的选择
要想降低NOx的排量，则必须对燃气锅炉进行合理的改造工作，根据锅炉改造工程的不同，选择不同的改造方案，选择合适的低氮燃烧器，燃烧器的选择需要根据锅炉的本身的结构特点、性能以及所需要的燃料的不同来确定，还要跟锅炉的实际用途相适应。关于燃料的选择，需要跟锅炉的用途相匹配，以锅炉的热功率性能、燃料的特点以及环境的特点来选择燃烧器，如果是蒸发量较小的锅炉则选择一体式燃烧器比较适宜，而高温或者蒸发量较大的锅炉则选择分体式的燃烧器比较适宜。燃烧器的额定输出功率和消耗量相匹配，根据锅炉的热工率大小、热效率效应、燃料产生的热值来确定，选择适合锅炉性能的燃烧器，当燃料的消耗量对应集中燃烧量，应选择锅炉的背压能够有效克服锅炉烟风阻力的燃烧器为宜。
(2)锅炉燃烧器的安装及调试过程
在燃烧锅炉低氮改造工程项目实施阶段，需使锅炉的燃烧器能够发挥最大工作性能，则必须做好锅炉燃烧器的安装和调试工作。燃气锅炉的改造工作，能够使锅炉的接口密封可靠，不会出现漏风、漏烟隔热不良等现象，能够有效固定燃烧器，有效防止火焰强烈的冲击锅炉的受热面。锅炉的调试主要是针对锅炉运转的马达、压力开关设置是否正常，锅炉的风机是否正常运转，运转时工作状态是否正常，同时检查空气供给和排烟系统是否通畅，燃气管道是否有漏气现象，在检查过程中，必须是用户单位的技术人员进行现场指导。在进行点火调试时，启动燃烧器进行点火，重点是检查火焰装置是否可靠，其后再检查燃烧器运行负荷是否正常，检查火焰的症状是否正常，对烟气进行监测，并进行适当调节，燃烧器在正常运转过程中空气量供给是否正常，是否出现燃料过剩的现象，避免燃料过剩而产生爆燃现象，甚至排放大量污染气体。
(3)烟气再循环技术实施策略
烟气再循环技术在锅炉低氮技术改造中被广泛应用，确保燃气锅炉改造后的实用性更强，低氮排放效果更好，锅炉设备的运行更安全。锅炉中的烟气与新鲜空气混合后，对燃烧器的助燃温度有所控制，锅炉中的烟温过低，会造成冷凝水较多，从而影响燃烧器的稳定性，而烟温过高，则会影响降低NOx的排放效果，并且会影响燃烧器零部件的运行状况。因此，烟气再循环管道需要保持一定的温度，温度过低会导致烟气温度降低而产生冷凝水，烟气管道两端需增设凝水排放口，以便冷凝水能够随时排出。
(4)热控电气系统技术实施策略
针对锅炉的改造在更换底单燃烧器后，还需要保留源锅炉的控制模块，只更换锅炉的燃烧器系统即可，将燃烧器与控制部分进行对接，再根据更换以后锅炉的烟气外循环系统对锅炉的控制系统进行改造，并进行调试，在此期间，检查电气电缆的连接是否正确，是否由电工专业人员按照相应的要求操作，电缆的铺设工作是否合规，控制电缆和电源电缆之间是否保留了足够的间距。电气设备是否运用绝缘电阻，电缆的强度是否足够，是否安装了良好的外壳保护结构，更应该注意的是外部导电布建应接地，接地电阻要适中。
(1)NOx减排效果分析
燃气锅炉低氮改造工作，经过改造前技术方面的证明，改造以后运行状况的检查，经过测试，大部分的锅炉从改造前NOx的排放量103.3mg/m3下降到改造后的27.5mg/m3，NOx减排率高达73.4%，有效降低NOx的排放量。
(2)锅炉的节能效果更加明显
对于锅炉的整体结构进行更换以后，底单冷凝式燃气锅炉的排烟温度大幅度降低，锅炉的热效率明显提高，更换低氮燃烧器的燃气锅炉，不仅效益始终处于稳定状态，还大大提高了燃烧效率，热效率的监测统计结果高达91.88%，完全符合锅炉节能监督管理规定的监测要求。根据用户单位燃气的用量来看，低氮改造医护燃气锅炉的节能用气量高达23.1%，如此情况下，全年可以节约的燃气用量会是一个庞大的数据[1]。
(3)锅炉运行时的稳定率提高
通过对原有锅炉进行改造，将燃烧器和锅炉进行更新换代，锅炉排放的污染气体降低了许多倍，这不仅达到了环保的要求，也提高了锅炉安全运行的保证，而且增加了自动控制的全面升级，锅炉设备的安全控制系统运行良好，安全保护功能相对完善，运行安全可靠。锅炉设备的安全防控能力大幅提高，通过低氮改造的燃气锅炉非常轻松地通过了安全性能检验，通过出具的报告显示，锅炉监测的相关数据度符合相关要求标准。
(4)锅炉燃烧热能供给的影响
通过对锅炉改造更新，低氮燃烧控制技术能够有效降低锅炉炉膛燃烧温度控制NOx的生成，能够完善锅炉辐射吸收热量远远小于原设计吸收的热量，提高了锅炉的供热能力，改造后锅炉排烟温度的升高，排烟热量也会增加，锅炉辐射所吸收的热量减少，因此，在改造设计燃料下锅炉运行所付出的能量小于原设计锅炉所付出的能量。
综上所述，对锅炉的低氮改造工作，使得锅炉的风机燃烧结合烟气再循环过程，以全预混表面燃烧、水冷预混主要方式的运行，使低氮燃烧技术得到了广泛应用，促进了锅炉较好地节能减排，通过对锅炉实行更换新型底单燃烧器或者低氮冷凝锅炉的方式，在很大程度上会改变由于锅炉燃烧造成的高污染、高耗能的现状。在当前节能减排、提倡“双碳”环保战略规划的关键时期，燃气锅炉低氮改造工作显得尤为重要，大力开展项目实施和经验推广具有重要的借鉴意义，从而也促进了燃气燃烧器产业链以及相关配套技术的不断发展，有利于促进“双碳”经济绿色的正常发展。
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