燃油鍋爐改造天然氣鍋爐的優(yōu)勢(shì)分析

關(guān)博欣

摘 要：本研究以中原地區(qū)供暖用的燃油熱水鍋爐改造天然氣鍋爐項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)鍋爐概況、改造、維護(hù)與保養(yǎng)的介紹，以及從技術(shù)、效率、環(huán)保、節(jié)能等方面進(jìn)行分析，表明天然氣鍋爐具有經(jīng)濟(jì)、清潔、高效等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：柴油鍋爐;天然氣鍋爐;改造;節(jié)能;分析

中圖分類號(hào)：TK229.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。我國(guó)提出，二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。石油、煤炭、天然氣、電力等多種能源在能源系統(tǒng)中互補(bǔ)協(xié)調(diào)，節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)、推廣及使用已成為必然。筆者以一臺(tái)冬季供暖用全自動(dòng)燃油（燃?xì)猓┏簾崴仩t改造項(xiàng)目為研究對(duì)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(dá)到高效節(jié)能、低碳環(huán)保要求的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了提質(zhì)增效。

1 鍋爐概況

中原地區(qū)某廠區(qū)內(nèi)一臺(tái)功率為1.05 MW的冬季供暖用全自動(dòng)燃油（燃?xì)猓┏簾崴仩t，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(jī)器均安裝有可靠的接地線。

1.1 結(jié)構(gòu)

該鍋爐采用鍋殼式三回程、全濕背的結(jié)構(gòu)。燃料在爐膽內(nèi)微正壓燃燒，高溫?zé)煔庋貭t膽向后經(jīng)回燃室進(jìn)入第一煙道管束，經(jīng)壓迫式前煙箱轉(zhuǎn)折180°后進(jìn)入第二管束，經(jīng)過(guò)對(duì)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，鍋爐采用全濕背式結(jié)構(gòu)，以極大的內(nèi)筒和偏心火箱的結(jié)構(gòu)，有利于提供足夠的輻射受熱面。對(duì)流受熱面由第二回程和第三回程的管束構(gòu)成?；厝际仪肮馨迮c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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)采用輕型結(jié)構(gòu)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(dòng)停止時(shí)，冷凝水會(huì)腐蝕鍋爐本體。鍋爐回水入口內(nèi)設(shè)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(chǎn)生沸騰的現(xiàn)象[2]。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

該鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊、受熱面積大、熱效率高、升溫快、供應(yīng)熱水充足，且安裝維護(hù)方便。改造前鍋爐采用輕柴油進(jìn)口燃燒器，配有循環(huán)水泵，由全自動(dòng)程序進(jìn)行控制，有過(guò)熱保護(hù)、缺水保護(hù)、自檢功能等多重保護(hù)功能。該鍋爐安全可靠，且自動(dòng)化程度高。

1.3 供水

鍋爐周?chē)勾娣乓兹家讚]發(fā)物質(zhì)。鍋爐房要始終保持干燥清潔，避免控制系統(tǒng)受潮。鍋爐設(shè)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(yáng)程與之相適應(yīng)的循環(huán)泵。采用防火材料，做好保溫，防止熱損耗和火災(zāi)。各連接處要保證密封，以防漏水。鍋爐的補(bǔ)水必須由膨脹水箱進(jìn)行供水，不能直接連接到自來(lái)水管。水質(zhì)應(yīng)符合《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB/T 1576—2018）中的相關(guān)要求（見(jiàn)表1），要經(jīng)常化驗(yàn)水質(zhì)，以確保水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)，防止鍋殼底部結(jié)垢[3]。

2 鍋爐改造

2.1 改造原則

按照國(guó)家出臺(tái)的節(jié)能降耗和環(huán)保政策，以及國(guó)家安全生產(chǎn)政策，在消除安全隱患的同時(shí)，提高管理水平。合理利用已有設(shè)施，降低工程造價(jià)，確保技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。

一臺(tái)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?xì)庥邢薰疽呀ǖ奶烊粴夤艿溃K點(diǎn)為鍋爐房。在可燃?xì)怏w易泄漏區(qū)域和室外可燃?xì)怏w調(diào)壓箱處均設(shè)有可燃?xì)怏w探測(cè)器，配電室設(shè)有可燃?xì)怏w報(bào)警控制器。當(dāng)任何一臺(tái)可燃?xì)怏w探測(cè)器探測(cè)到的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到20% LEL時(shí)高報(bào)警，達(dá)到40% LEL時(shí)高高報(bào)警，并聯(lián)鎖關(guān)閉電磁閥，將可燃?xì)怏w報(bào)警控制器的信號(hào)上傳至控制室PLC系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)鍋爐房軸流風(fēng)機(jī)。

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(jìn)風(fēng)箱、風(fēng)機(jī)、混合燃燒頭、點(diǎn)火槍、控制箱、閥組等部分組成?；旌先紵^內(nèi)有中心槍、分配器、內(nèi)圈噴射口、外圈噴射口等部件，燃燒器采用管內(nèi)走燃?xì)狻⒐芡夤┲硷L(fēng)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(kāi)，在爐膛內(nèi)形成不同的壓力場(chǎng)區(qū)域，避免火焰過(guò)于集中，造成火焰的平均溫度降低，從而減少氮氧化物的產(chǎn)生。再加上煙氣回收系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)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(yù)吹掃和后吹掃、點(diǎn)火系統(tǒng)控制、流量調(diào)節(jié)、風(fēng)燃比配比、安全聯(lián)鎖保護(hù)等全自動(dòng)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(jiàn)圖1）的槍及噴口采用分層、分段的布置方式，通過(guò)錯(cuò)層、錯(cuò)位布置燃燒器機(jī)頭，可在爐膛內(nèi)形成不同的壓力場(chǎng)區(qū)域，能夠使氣流產(chǎn)生回旋，從而形成內(nèi)循環(huán)，使燃?xì)饽軌虺浞秩紵?，降低排放氣體中氮氧化物的含量。

2.2.2 點(diǎn)火槍。在多重燃燒超低氮燃燒器中，燃?xì)馔ㄟ^(guò)燒頭分級(jí)噴射后與空氣混合直接燃燒，并采用雙極打火的方式。點(diǎn)火變壓器將220 V電壓轉(zhuǎn)換成2×7.5 kV電壓通過(guò)高壓導(dǎo)線、點(diǎn)火電極，在點(diǎn)火電極尖點(diǎn)間產(chǎn)生電火花，電火花成功率達(dá)到100%。由于點(diǎn)火槍槍頭部分采用的是耐火材料，所以在燃燒運(yùn)行時(shí)無(wú)須退出。

2.2.3 火檢系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)火焰探測(cè)器來(lái)感應(yīng)是處在點(diǎn)火狀態(tài)，還是主火焰出現(xiàn)故障，從而確保燃燒器能夠點(diǎn)火成功或自動(dòng)關(guān)閉。

2.2.4 燃?xì)庀到y(tǒng)。燃?xì)馔ㄟ^(guò)過(guò)濾器到達(dá)燃燒區(qū)域時(shí)，主要是由主燃?xì)夤苈飞系y來(lái)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。燃?xì)馔ㄟ^(guò)組合電磁閥（關(guān)閉閥、壓力調(diào)節(jié)器）和流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入燃燒器，流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)輸入需求來(lái)控制流量。調(diào)節(jié)閥是通過(guò)執(zhí)行器來(lái)設(shè)置位置，空氣和煙循環(huán)系統(tǒng)擋板是由控制器驅(qū)動(dòng)風(fēng)門(mén)執(zhí)行器（伺服）來(lái)控制開(kāi)度。燃?xì)怅P(guān)斷閥只在燃?xì)庑孤╅_(kāi)關(guān)閉合時(shí)才會(huì)被啟動(dòng)。當(dāng)燃?xì)鈮毫φr(shí)，高壓及低壓燃?xì)鈮毫﹂_(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，如果超過(guò)正常氣壓范圍，二者則會(huì)斷開(kāi)。

2.2.5 煙氣再循環(huán)。煙氣再循環(huán)（FGR）是鍋爐燃燒領(lǐng)域中一種能夠有效降低NOx含量的方法。根據(jù)鍋爐現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)FGR系統(tǒng)進(jìn)行合理的布置。在鍋爐煙氣出口處，通過(guò)煙氣再循環(huán)管道接至鼓風(fēng)機(jī)入口的混合箱，使煙氣與空氣進(jìn)行混合。通過(guò)調(diào)節(jié)再循環(huán)煙道上的控制擋板及空氣的進(jìn)風(fēng)風(fēng)門(mén)擋板，循環(huán)煙氣量和空氣量的配比達(dá)到最佳。

2.2.6 燃燒器安裝。在鍋爐或其他加熱設(shè)備安裝前，應(yīng)準(zhǔn)備好相應(yīng)尺寸的安裝板。安裝時(shí)，先將燃燒頭配備好的法蘭與鍋爐或加熱設(shè)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(jìn)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(wú)煙氣泄漏。

2.2.7 燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)。燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)可通過(guò)控制屏控制手操器來(lái)選擇是自動(dòng)控制，還是手動(dòng)控制。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)控制（Auto）時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)鍋爐蒸汽壓力/出水溫度的設(shè)定值來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)火力大小。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)控制（Manual）時(shí)，可通過(guò)控制屏按鍵來(lái)手動(dòng)增加或減少負(fù)荷。

2.2.8 燃燒器維護(hù)。燃燒器控制系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行需要定期進(jìn)行檢查和維護(hù)。在進(jìn)行維護(hù)和檢查時(shí)，應(yīng)遵循以下6個(gè)原則：在進(jìn)行定期維護(hù)或檢查前，確保關(guān)閉任何燃料供應(yīng);除去所有電器接點(diǎn)、控制室內(nèi)的風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥等設(shè)備上的灰塵或異物;火檢系統(tǒng)、限位開(kāi)關(guān)、執(zhí)行器等安全裝置的維護(hù)只能由經(jīng)過(guò)授權(quán)或認(rèn)證的人員進(jìn)行;安全設(shè)備的功能測(cè)試應(yīng)在定期維護(hù)時(shí)進(jìn)行，以確保所有開(kāi)關(guān)工作正常;控制系統(tǒng)本身不需要調(diào)整，如需要任何額外調(diào)整或故障排除，要聯(lián)系維修人員;保持火焰探測(cè)器的清潔，確保其不沾上灰塵或異物。

2.3 燃?xì)庹{(diào)壓箱

本研究通過(guò)新建一座燃?xì)庹{(diào)壓箱，其內(nèi)采用高品質(zhì)調(diào)壓器和過(guò)濾器，最大流量為150 Nm3 /h。調(diào)壓箱之前管道的設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa，調(diào)壓之后管道的設(shè)計(jì)壓力為50 kPa 。在用氣單位廠區(qū)內(nèi)到鍋爐房用氣點(diǎn)之間設(shè)有調(diào)壓箱，經(jīng)調(diào)壓計(jì)量后輸送至鍋爐用氣點(diǎn)。

懸掛式調(diào)壓箱距其他建筑物、構(gòu)筑物的水平凈距（m）應(yīng)符合表2中的規(guī)定。

調(diào)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(dāng)安裝在用氣建筑物的外墻上時(shí)，調(diào)壓器進(jìn)出口的管徑不宜大于DN50。

調(diào)壓箱到建筑物的門(mén)、窗或其他通向室內(nèi)孔槽的水平凈距應(yīng)符合以下規(guī)定。當(dāng)調(diào)壓器進(jìn)口燃?xì)鈮毫Σ淮笥?.4 MPa時(shí)，不應(yīng)小于1.5 m;調(diào)壓箱不應(yīng)安裝在建筑物的門(mén)窗上方、下方墻上方及陽(yáng)臺(tái)的下方，不應(yīng)裝在室內(nèi)通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口墻上;安裝調(diào)壓箱的墻體應(yīng)為永久性的實(shí)體墻，其建筑物耐火等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)，調(diào)壓箱上應(yīng)有自然通風(fēng)孔。

2.4 鍋爐的供氣管路

燃燒器上有進(jìn)氣法蘭接口，只要將進(jìn)氣管法蘭與燃燒器管法蘭連接起來(lái)即可。燃?xì)庠谶M(jìn)入燃燒器前，裝設(shè)有必要的閥門(mén)及檢測(cè)系統(tǒng)，并設(shè)置燃?xì)馐謩?dòng)和自動(dòng)切斷裝置。

2.5 可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)

天然氣發(fā)熱量、總硫和硫化氫含量、水露點(diǎn)指標(biāo)應(yīng)符合《天然氣》（GB 17820—2018）中的二類氣的相關(guān)規(guī)定。天然氣的烴露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5 ℃，天然氣中不應(yīng)有固態(tài)、液態(tài)或膠狀物質(zhì)。

在氣體檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中，氣體探測(cè)器將探測(cè)到的氣體濃度傳輸至氣體報(bào)警控制器，一旦可燃?xì)怏w濃度達(dá)到20% LEL的低限報(bào)警值時(shí)，控制主機(jī)就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并輸出低限報(bào)警信號(hào)（保持信號(hào)），然后啟動(dòng)排風(fēng)扇，降低現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w的濃度。如果探測(cè)器探測(cè)到可燃?xì)怏w的濃度持續(xù)上升，并達(dá)到40%LEL高限報(bào)警值時(shí)，控制主機(jī)會(huì)輸出高限報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)緊急切斷電磁閥，切斷氣源。

2.6 改造注意事項(xiàng)

各測(cè)控點(diǎn)的位置可做適當(dāng)調(diào)整，但必須符合規(guī)范要求。所有電纜外部有保護(hù)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(yīng)使用金屬防爆密封封堵頭進(jìn)行嚴(yán)格密封?，F(xiàn)場(chǎng)要嚴(yán)格按照有關(guān)防爆規(guī)范進(jìn)行施工。儀表及自控系統(tǒng)采用聯(lián)合接地的方式?，F(xiàn)場(chǎng)儀表外殼、電纜屏蔽層、電纜備用芯均按要求進(jìn)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(shè)時(shí)距離不小于0.45 m。自控施工要嚴(yán)格按照《自動(dòng)化儀表工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50093—2013）中的要求執(zhí)行。

3 鍋爐的維護(hù)與保養(yǎng)

3.1 維護(hù)

每季都要檢查電器儀表線路是否松動(dòng)，并清掃灰塵。檢查所有鍋爐閥門(mén)是否完好，并進(jìn)行清洗工作。清洗水泵入口濾網(wǎng)或油氣過(guò)濾網(wǎng)。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(shí)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(jī)、電器、線路的絕緣情況，檢查儀表指示的正確性。

3.2 保養(yǎng)

鍋爐停爐時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，必須進(jìn)行保養(yǎng)，以防止鍋爐受熱面的腐蝕，常用的保養(yǎng)方法有干法和濕法保養(yǎng)。

3.2.1 干法保養(yǎng)。鍋爐停爐后，將鍋爐內(nèi)的水放完，并對(duì)內(nèi)部污垢進(jìn)行清洗，用小火烘干。將直徑10～30 mm的塊狀生石灰或無(wú)水氯化鈣放入鍋爐盆內(nèi)，放6 kg左右。然后將鍋筒關(guān)嚴(yán)，之后每三個(gè)月檢查一次，若發(fā)現(xiàn)干燥劑失效，要及時(shí)更換。

3.2.2 濕法保養(yǎng)。濕法保養(yǎng)就是將堿性液體灌滿整個(gè)鍋爐。鍋爐停爐后，放出鍋爐內(nèi)的水，將內(nèi)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.2%的藥液，將其注入鍋筒內(nèi)，防止金屬被腐蝕。

4 改造對(duì)比

4.1 技術(shù)

改造前，燃油鍋爐正常運(yùn)行需要配備輔助設(shè)備，而燃?xì)忮仩t不需要配備輔助設(shè)備。改造只對(duì)燃燒器、管路進(jìn)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(fēng)系統(tǒng)可以將回收的煙氣通過(guò)煙氣混合箱先送入風(fēng)機(jī)再經(jīng)過(guò)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(huán)保

目前，阻斷NO2形成或降低NO2含量的技術(shù)已日趨成熟，可有效控制NO2實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)[5]。

4.4 節(jié)能

本次項(xiàng)目改造的是中原地區(qū)某廠區(qū)內(nèi)的鍋爐，供暖時(shí)長(zhǎng)為2021年11月15日零時(shí)至2022年3月15日零時(shí)，該地區(qū)冬季氣溫為-10～9 ℃，廠區(qū)供暖面積為10 130 m2。鍋爐燃料消耗對(duì)比表如表3所示。

天然氣按單價(jià)4.5 元/m3來(lái)計(jì)算，年耗氣總費(fèi)用為370 602元，同比改造前年消耗柴油60 t，柴油按當(dāng)季實(shí)時(shí)平均單價(jià)7 729 元/t計(jì)算，年消耗柴油463 740元，共節(jié)約成本93 138元。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著鍋爐廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)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(shì)。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(jié)約了成本。改造后有斷氣保護(hù)，安全性也隨之提高。天然氣屬于清潔環(huán)保能源，本研究的改造不僅促進(jìn)了新能源和清潔能源的發(fā)展，也是助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的途徑之一。

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