高效低氮冷凝燃氣鍋爐技術(shù)分析

劉林沖

（山東新熱源城市供熱管理有限公司，山東鄒城 273500）

0 引言

隨著國家對大氣污染治理的持續(xù)推進，公共機構(gòu)對節(jié)能減排的重視，各省市將具體工作任務(wù)細化到了每個點，文件更是逐年得到加強和落實，重點支持燃氣鍋爐低氮改造[1]，鼓勵發(fā)展低氮節(jié)能的技術(shù)路線。本文結(jié)合京津冀大氣污染傳輸通道2+26城市中的鄒城市進行實例分析。

1 全預(yù)混概述

全預(yù)混[2]是將所需空氣和天然氣預(yù)先按比例混合好，再送入燃燒室的燃燒方式（圖1），是目前最安全、環(huán)保、節(jié)能的燃燒方式，其特點是火焰短，燃燒充分；熱效率高達105%以上，熱損失小；排煙溫度低于60℃，PVC管材排煙，美國和加拿大有這方面相關(guān)標準（ANSI/ASTM/D1785 或D2665，ULC-S636)；結(jié)構(gòu)緊湊，爐內(nèi)水容積少，不足百升；整機設(shè)計小巧（圖2），約是常規(guī)燃氣鍋爐占地面積的1/5，2萬m2供熱面積，只需約12m2鍋爐房，噪音低于55dB。

圖1 全預(yù)混變頻

全預(yù)混技術(shù)描述如下：

（1）關(guān)于全預(yù)混燃燒幾種不同的結(jié)構(gòu)形式,常用的有多孔陶瓷板、雙金屬網(wǎng)、金屬纖維燃燒器。

（2）關(guān)于全預(yù)混金屬纖維燃燒器，是全預(yù)混后的空氣和天然氣進入燃燒室之后進行燃燒的器具，該燃氣器具有安全無回火、熱慣性小、耐高溫、冷卻快等優(yōu)勢，可以使天然氣在充分燃燒的同時，降低空氣的需求量，提高煙氣的露點，使煙氣盡早進入冷凝階段，以進一步提高燃燒效率。

（3）關(guān)于利用金屬纖維表面燃燒的藍焰效應(yīng)（圖3），將火焰溫度控制在850℃左右，可大幅度減少熱力型氮氧化物產(chǎn)生；由于火焰徑向燃燒，火焰長度小于100mm，燃燒速度極快，基本杜絕了快速型氮氧化物的產(chǎn)生，從而促使氮氧化物排放低于30mg/m2。

圖2 冷凝鍋爐

圖3 藍焰效應(yīng)

我國一方面需要大量能源來保持經(jīng)濟的高速發(fā)展，一方面又要應(yīng)對空氣污染和氣候變化。我國正努力保持兩者之間的平衡關(guān)系。為應(yīng)對全球氣候變化，在1992年聯(lián)合國大會通過了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》。在近幾年，我國更進一步細化了相關(guān)標準規(guī)程，針對大氣污染治理的內(nèi)容更加明細，比如燃煤治理方面：燃煤鍋爐改造、散煤治理、煤炭清潔利用等；比如燃氣鍋爐治理方面：低氮改造等等。

2 高效變頻在燃氣鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前高效變頻有四大特點：通過智能控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)火焰大小來滿足實際熱負荷需求，根據(jù)負載的不同自動調(diào)整進入燃燒室的燃氣和空氣量[3]，比例精準地自動跟蹤負載使燃燒過程保持最佳狀態(tài)，輸出從5%至100%實現(xiàn)曲線輸出貼近實際需求。因此，在設(shè)定供熱出水溫度時，高效變頻控制系統(tǒng)可以滿足燃氣鍋爐頻繁啟停的要求，而不會卡頓，這對于供熱企業(yè)具有很高的可行性。具體的應(yīng)用包括以下幾個方面：

2.1通過智能控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)火焰大小來滿足實際熱負荷需求

當熱用戶短時間需要快速升溫時，回水溫度傳感器會給到變頻控制系統(tǒng)一個信號；變頻系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸出功率，以求在最合理的時間內(nèi)滿足熱用戶供熱需求。

2017年1月16日夜,山東省鄒城市室外溫度驟降至零下9℃，某敬老院供熱（圖4、圖5）系統(tǒng)需要盡快提溫，由于供熱面積1萬m2圍護結(jié)構(gòu)保溫性差，原有設(shè)定供水溫度55℃已經(jīng)不能滿足使用，辦公室人員第一時間在控制面板調(diào)整出水溫度至65℃，在調(diào)整完溫度以后20min的時間里，回水溫度由30℃飆升至45℃，保證了室溫不低于20℃的要求。

圖4 敬老院供熱安裝前

圖5 敬老院供熱安裝中

正是因為變頻系統(tǒng)響應(yīng)迅速，同時較普通燃氣鍋爐水容積少，才使得末端用戶升溫快。

2.2根據(jù)負載的不同自動調(diào)整進入燃燒室的燃氣和空氣量

進入燃燒室的空氣量不足或過多、天然氣量不足或過多，都會引起點不著火或者點著立馬就滅等情況出現(xiàn)，對此類情況就需要通過控制系統(tǒng)后臺程序調(diào)整混合比，從而達到正常比例。

2016年12月25日，某中學鍋爐操作面板顯示故障代碼5，多次調(diào)整混合比后，點火正常，但是火焰一直處于小火燃燒。當詢問燃氣公司后，得知天然氣出現(xiàn)流量不足，不能滿足使用，需要等幾個小時（冬季氣荒），該設(shè)備在遇到燃氣流量低時具有可調(diào)節(jié)性。

2.3比例精準地自動跟蹤負載使燃燒過程保持最佳狀態(tài)

在實際供熱中，由于氣溫是發(fā)生著變化的，所以鍋爐回水溫度也會發(fā)生變化，回水溫控器會時刻給控制器傳輸信號，讓其溫度時刻保持在設(shè)定溫度值。溫度發(fā)生變化的過程，控制也隨之調(diào)整，同步進行。

2.4輸出從5%至100%實現(xiàn)曲線輸出貼近實際需求

回水溫度與控制器之間聯(lián)動，進而輸出功率呈現(xiàn)高低曲線的變化，這種變化對于天然氣的消耗量起到了節(jié)能的作用。輸出功率曲線如圖6。

圖6 輸出功率曲線變化

3 氮氧化物危害及低氮技術(shù)

氮氧化物對環(huán)境有那些影響？NOx自身的污染、臭氧（O3）污染、酸沉降等問題，對人身健康、生產(chǎn)生活以及環(huán)境產(chǎn)生影響。作為生成臭氧（O3）的重要物質(zhì)之一，與臭氧（O3）濃度和光化學污染緊密相關(guān)，排入大氣中的氮氧化物（NOx）和二氧化硫會導致酸雨。酸雨落在地表，滲透到地下水，造成地表水和地下水富營養(yǎng)化、土壤酸化等生態(tài)系統(tǒng)失衡。在氮氧化物排放時要保證清潔生產(chǎn)生活，還要統(tǒng)籌考慮到環(huán)境保護。

3.1低氮技術(shù)

低氮技術(shù)主要包括：低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)。

低氮燃燒技術(shù)主要包括全預(yù)混表面燃燒、分級燃燒和煙氣再循環(huán)等。

煙氣脫硝技術(shù)主要包括選擇性非催化還原法(SNCR)和選擇性催化還原法(SCR)等。

4 冷凝技術(shù)及實例

具有獨特熱利用原理，充分利用燃燒過程中的顯熱和煙氣中水蒸氣凝結(jié)所釋放的氣化潛熱，以提高鍋爐整體熱利用率，節(jié)約天然氣，高效冷凝換熱器是一些發(fā)達國家冷凝鍋爐的主流配置。使排煙溫度降至60℃以下，從原理上有效回收煙氣中高溫水蒸氣的熱量，鍋爐熱效率隨冷凝排煙溫度變化，熱效率曲線變化如圖7。

圖7 鍋爐熱效率曲線變化

4.1天然氣熱值

天然氣燃燒有兩個熱值，即高熱值和低熱值。低熱值等于顯熱加潛熱，顯熱是天然氣燃燒時直接加熱的熱量，潛熱是高溫（高于100℃）煙氣對從板換側(cè)或房間側(cè)循環(huán)回水預(yù)熱釋放的熱量。如果100℃的排煙溫度被鍋爐低溫循環(huán)回水吸收至低于60℃以下，所能釋放的潛熱是：水的比熱容是4200J，即溫度下降1℃，所釋放4200J能量，100℃降低到60℃，所釋放4200×（100－60）＝168000J，約占熱效率的5%～8%，由于采用的是全預(yù)混燃燒技術(shù)，進而熱效率即105%～108%[4]。普通燃氣鍋爐雖然具備低氮排放，但是由于不具備高效冷凝技術(shù)，在實際的供熱運營中企業(yè)會因氣價波動而面臨虧損的風險。

4.2實例

以一臺1MW鍋爐為例：在相同一座城市，在相近的時間段，以出水溫度為50℃，回水溫度30℃，末端設(shè)施為風機盤管，帶有燃氣表的是排煙溫度105℃，帶有文字每天記錄的是排煙溫度55℃。圖8燃氣表中描述的是2016年10月5日9點36分至10點30分所消耗的燃氣量為3359－3310=49方/時，圖9文字記錄描述的是2016年9月22日20點30分至22點所消耗燃氣量為354－332=22方/時。前者是排煙溫度過高，造成能源浪費；后者高效低氮冷凝是近三五年在中國市場出現(xiàn)的，該產(chǎn)品技術(shù)的出現(xiàn)是因為中國大面積的“煤改氣”，供熱運營企業(yè)在滿足環(huán)保排放的情況下，還要考慮盈利，所以嘗試接納新技術(shù)新材料，安全高效節(jié)能的環(huán)保設(shè)備才得以推廣應(yīng)用。

圖8 燃氣表描述燃氣量

圖9 文字描述燃氣量

5 在供熱運營中的應(yīng)用

高效低氮冷凝鍋爐可單臺供熱，也可多臺組網(wǎng)供熱，還可以接入云端遠程，做到精細化管理。比如建筑面積3萬m2以下的節(jié)能建筑可以采用單臺供熱，如果是對一個區(qū)域?qū)嵭泄峋鸵M網(wǎng)供熱，實現(xiàn)多臺鍋爐聯(lián)控運行，采用循環(huán)模式和順序平均模式，保證每臺鍋爐運行時間和運行功率相等，延長整體使用壽命。組網(wǎng)運行狀態(tài)下，系統(tǒng)可完全自動開啟和關(guān)閉，也可與原有供熱設(shè)備聯(lián)網(wǎng)運行，大大降低了供熱企業(yè)運營費用。

6 高效低氮冷凝鍋爐在實際運行中存在的不足

從燃煤到燃氣，由于能源結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，國內(nèi)一時還沒有低氮冷凝燃氣鍋爐幾大配件供應(yīng)企業(yè)，主要配件依賴于進口，有個別配件即使國內(nèi)能生產(chǎn)但是產(chǎn)品質(zhì)量與國外進口產(chǎn)品還存在一定差距，現(xiàn)總結(jié)部分不足如下：

（1）控制程序沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，將會給現(xiàn)場操作人員帶來溝通障礙。

（2）針對國內(nèi)天然氣壓力不穩(wěn)，比如由于該設(shè)備瞬間點火需要較高的用氣量，點火時經(jīng)常會因為瞬間抽空管道內(nèi)的天然氣，燃氣安全閥鎖死而無法點著火。

（3）該設(shè)備為常壓，不能承壓，所以要增加板換這一費用。

7 結(jié)語

通過以上分析，高效低氮冷凝燃氣鍋爐較常規(guī)燃氣鍋爐具有以下優(yōu)勢：

（1）采用世界先進的冷凝換熱器，可將排煙溫度控制在60℃以下，PVC管材排煙較不銹鋼管排煙可節(jié)省初投資；

（2）采用全預(yù)混技術(shù)，實現(xiàn)天然氣與空氣100%全預(yù)混，避免空氣過量（冷空氣吸收熱量后直接排出）或燃氣過量（燃燒不完全造成能源浪費）造成的燃料、熱量浪費，有效提高燃料利用率，提高鍋爐綜合效率，降低氮氧化物排放；

（3）采用先進的智能控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)火焰大小，輸出比例由5%至100%實現(xiàn)曲線輸出，避免檔位式輸出造成的能量過?；虿蛔愕膯栴}，較15%至100%的調(diào)節(jié)更加機動靈活，響應(yīng)迅速，能有效提高鍋爐效率，節(jié)約天然氣，提高收益。綜合節(jié)能約30%，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢明顯。

高層建筑風井施工六注意

工程主體驗收時，出現(xiàn)未經(jīng)設(shè)計單位出具正式變更單，施工單位便隨意變更風井材料的情況。這種做法嚴重影響人員疏散，甚至危及疏散人員生命。因此，建議施工單位進行風井施工時須注意以下6點。

（1）熟讀各專業(yè)圖紙，認真領(lǐng)會風井尺寸和材料等設(shè)計要求。

（2）因施工地點購買設(shè)計材料存在困難等情況，需變更設(shè)計材料時，應(yīng)在圖紙會審時及時向設(shè)計人員提出。特別注意不應(yīng)僅向建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計人員提出變更申請，也要向通風專業(yè)設(shè)計人員提出變更申請，經(jīng)各專業(yè)設(shè)計人員對截面尺寸、風井內(nèi)壁摩阻、材料耐火等級和強度等級等綜合考慮后，出具正式設(shè)計變更方案。

（3）須搞好風井井道竣工前清理，以免堵塞或降低風井截面尺寸，認真填寫通風道檢查記錄，施工單位切不可忽視此項工作。

（4）風井井壁材料的接縫及材料與梁板之間的縫隙必須保證填塞密實，以保證有組織地送風。

（5）對于塊材砌筑風井，必須嚴格按照設(shè)計要求進行井內(nèi)壁抹灰，不得隨意增加抹灰層厚度，以免減小通風道截面積，并確保井內(nèi)壁抹灰光滑平整。

（6）注意搜集并保存設(shè)計變更、材料合格證、材料試驗報告、施工記錄和通風道檢查記錄等技術(shù)資料。

（摘自：《建筑工人》）