低氮預混真空相變鍋爐的技術特點與應用前景

摘要：低氮預混真空相變鍋爐是一種利用水的相變熱能產(chǎn)生蒸汽的熱水鍋爐。它的特點是在鍋爐內部保持低壓狀態(tài)，加熱爐體內的熱媒水，使水在低壓下沸騰產(chǎn)生蒸汽，蒸汽同鍋爐上部熱交換器中的系統(tǒng)水進行熱量交換。介紹了低氮預混真空相變鍋爐的工作原理，其熱交換器、燃燒器的結構特點和鍋爐的節(jié)能特點?？偨Y了低氮預混真空相變鍋爐的技術特點和應用前景。

關鍵詞：預混真空相變鍋爐；技術；特點；應用；前景隨著國內霧霾現(xiàn)象的加深，對于鍋爐大氣污染物排放標準要求越來越高。很多的地方標準要求氮氧化物排放量≤80 mg/m3，而北京、上海等地方要求氮氧化物排放量≤30 mg/m3。常規(guī)鍋爐配套的進口擴散式低氮燃燒器只能做到≤80 mg/m3。開發(fā)出一種能達到≤30 mg/m3的低氮預混真空相變熱水鍋爐產(chǎn)品，已經(jīng)成為迫切需要。低氮預混燃氣真空相變熱水鍋爐采用預混水冷火排燃燒器，利用爐內的熱媒水冷卻火焰實現(xiàn)降氮［1］。預混燃燒的火焰尺寸短，可以大幅度減小設備尺寸。在這個以節(jié)約能源為主的時代，幾乎可以預見的是：采用清潔燃料和潔凈燃燒技術的高效、節(jié)能、低污染鍋爐將是鍋爐產(chǎn)品發(fā)展的趨勢，并向高端和高附加值的產(chǎn)品市場發(fā)展［2］。

1低氮預混真空相變鍋爐的工作原理及特點

1.1真空相變鍋爐工作原理

在一個標準大氣壓（1.013×105 Pa）下，水的沸點是100 ℃，隨著壓力降低，沸點也將逐漸降低。鍋爐運行時，在真空負壓下爐體內的熱媒水吸收燃料燃燒釋放的熱能，沸騰氣化為低溫蒸汽，低溫蒸汽上升遇到不銹鋼換熱器中的系統(tǒng)循環(huán)水，加熱循環(huán)水送給用戶用于采暖或衛(wèi)生熱水，水蒸氣自身被冷卻凝結成水滴下落到熱媒水后再一次被加熱，從而完成整個循環(huán)過程。熱媒水不斷地在封閉的機體內進行著“沸騰——蒸發(fā)——冷凝——熱媒水”的循環(huán)，因此無需補充冷凝水，也無空燒的危險。真空熱水鍋爐利用的“氣水凝結換熱”，是所有換熱工況中傳熱系數(shù)最高的［3］。

1.2低氮預混燃燒技術

低氮預混真空相變鍋爐采用全預混水冷翅片管分布式燃燒技術，可以降低爐排表面火焰溫度，爐內溫度更趨均勻，有效避免局部高溫，抑制熱力型氮氧化物的生成，氮氧化物排放濃度小于12×10-6，一氧化碳零排放。一次預混氣體燃燒，降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，克服了全預混燃燒時容易產(chǎn)生回火的問題。采用自動化預混燃氣控制技術，使全負荷范圍混合比例精確，確保最低負荷下燃燒器上各點氣流速度均大于火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｍ瑫r，預混混合氣流在爐排均勻分布也保證了燃燒器表面火焰均勻，避免爐排表面局部火焰過長而接觸到鍋爐受熱面，導致機械產(chǎn)生不完全燃燒。爐排采用了特殊的水冷式結構設計，利用鍋爐熱媒水循環(huán)冷卻，大大降低了火焰溫度，有效控制了NOx的合成，通過PLC微電腦控制，同時保證全負荷范圍內的燃燒運行平穩(wěn)、安全，不產(chǎn)生回火現(xiàn)象。

1.3特點

（1） 體積小質量輕，適應安裝場地更為苛刻的情況，膜式壁結構可以使爐膛足夠大，燃燒效率高；水管式鍋爐升溫快，起停熱損失小，即熱型；尾部煙道處一氧化碳含量為0%，氮氧化物24 mg/m3左右；滿負荷運行時尾部煙道氧含量4%，過量系數(shù)1.2（理論1∶10，過量系數(shù)1.2時燃氣空氣比為1∶12）；氧含量為7%時，氮氧化物9×10-6，即18 mg/m3。整個燃燒器包裹在鋼制外殼內，獲得更好的靜音效果。

（2） 鍋爐始終在負壓狀態(tài)下運行，內部工作壓力永遠低于外界大氣壓，并設有超溫保護、超壓保護、低水位保護等多道安全保護措施，無膨脹、空燒、爆炸之危險，具有常壓和帶壓鍋爐無法比擬的安全和可靠性。一次預混氣體貧氧燃燒，降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，克服了全預混燃燒時容易產(chǎn)生回火的問題。

（3） 鍋爐采用水冷預混膜式壁水管式結構，煙囪出口匹配不銹鋼冷凝器，每臺真空爐出廠前都經(jīng)保溫處理，降低了排煙溫度及排煙熱損失，大大提高鍋爐效率，降低用戶的運行成本。

（4） 鍋爐采用超低NOx燃燒器，燃燒充分，煙塵排放低于法定標準，完全符合國家一類地區(qū)要求。并且鍋爐房可選擇在地下室、地面、樓層中間及屋頂?shù)榷喾N場所，大大節(jié)省建設用地。

（5） 使用高純度、經(jīng)特殊脫氣處理的熱媒水，消除氧腐蝕，真空無氧，鍋爐內部永不結垢，大大降低機內鋼板腐蝕，使用壽命達到半永久性。其內部熱交換器的元件采用螺栓連接，方便設備的檢查、維護、保養(yǎng)。

（6） 換熱器采用優(yōu)質無縫銅管或不銹鋼管，直接置于鍋筒內部，使產(chǎn)生的熱水更加清潔、衛(wèi)生，可直接被用戶使用。鍋爐預熱時間短，只需啟運時間3～5 min，大大減少用戶的運行費用。

（7） 采用微電腦自動控制，能夠根據(jù)負荷的變化經(jīng)電腦計算自動調節(jié)燃料耗量，大大節(jié)省了用戶的運行成本，同時還具有故障診斷預知功能，能夠預先發(fā)現(xiàn)故障的可能性，使用戶防患于未然，并大大降低了操作工人的勞動強度，只需輕輕一按就可實現(xiàn)自動運轉。

（8） 該機組在保證用戶使用滿足110 ℃下實行自動控制運行，同時也可根據(jù)用戶要求進行25～110 ℃溫度內修改運行參數(shù)，實行自動運行。鍋爐和換熱器合為一體，同時又無需一次熱水循環(huán)泵，節(jié)約了可觀的電能等費用。

2低氮預混真空相變鍋爐熱交換器結構特點

為了提高鍋爐熱交換效率，熱交換器設計采取措施有：

（1） 采用直管換熱器多流程結構，為保證鍋爐有穩(wěn)定的傳熱系數(shù)K，鍋爐根據(jù)換熱器流量進行流程設計，確保換熱器流速處于設計范圍。

（2） 采用氣水分離裝置，在換熱管與熱媒水分界面安裝不銹鋼氣水分離裝置，避免鍋爐內部沸騰時大量冷凝水飛濺到換熱管，提升了換熱管的實際有效換熱面積。

（3） 換熱器水室采用壓力容器設計工藝，在換熱器頂部設置自動收集不凝性氣體的集氣裝置。換熱器水室采用圓形封頭螺栓連接方式，避免焊接產(chǎn)生的高溫導致?lián)Q熱管和管板之間的脹接間隙，從而降低熱變形帶來的換熱管脹接漏點的系數(shù)，確保鍋爐的真空度［4］。

3低氮預混真空相變鍋爐節(jié)能特點

鍋爐在節(jié)能方面采取的主要措施有：

（1） 采用水冷預混膜式壁水管式結構，高溫爐膛完全被水包圍，降低熱損失。

（2） 加長煙氣流程，煙氣流經(jīng)兩個回程煙管，使煙氣換熱更加充分。

（3） 充足的煙氣受熱面，低排煙溫度設計，減少排煙熱損失。

（4） 選配全預混水冷翅片管分布式燃燒技術，降低火焰溫度，爐內溫度更趨均勻，燃料空氣混合更好，燃燒更充分，減少氣體不完全燃燒熱損失，固體不完全燃燒熱損失為0。同時可以更低過量空氣系數(shù)燃燒，減少排煙熱損失。

（5） 爐體外表采用高熱阻硅酸鋁纖維保溫，高熱阻硅酸鋁纖維保溫外再加航空隔熱反光鋁板，使鍋爐保溫效果達到最佳，保溫層外部有美觀的鍋爐外殼，外殼表面平均溫度小于35 ℃，降低散熱損失。

（6） 采用全自動智能化抽真空裝置，冷凝水回入鍋爐，熱媒水不損失。真空機組智能真空抽氣系統(tǒng)，機組真空度屏幕直接顯示，真空度、溫度雙重控制。機組能根據(jù)熱媒水溫度及壓力，自動判斷、自動啟停排氣系統(tǒng)，使機組始終保持在沒有不凝性氣體的工況下運行，高換熱性能，始終保持高效率，比同類產(chǎn)品更節(jié)能。

（7） 鍋爐可以配置內置式尾部節(jié)能器（激光焊翅片式），利用低溫回水回收煙氣余熱，使排煙溫度降至80 ℃，可使鍋爐整機熱效率提至102%以上。經(jīng)浙江省特種設備檢驗中心檢測，鍋爐額定負荷熱效率高達102%。

4低氮預混真空相變鍋爐燃燒器結構特點

預混式低氮燃燒器是專為低氮鍋爐量身定制研發(fā)的一款預混式超低氮燃燒器，采用預混燃燒技術，水冷分布式低火焰溫度，爐內溫度場更加均勻，避免局部高溫，抑制熱力型氮氧化物的生成，氮氧化物（NOx）排放濃度小于12 ppm，一氧化碳零排放，一次預混氣體燃燒，降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，克服了全預混燃燒時容易產(chǎn)生回火的問題［5］。

水冷式預混燃燒器采用全焊接不銹鋼翅片管，翅片拉模折角工藝（根據(jù)阻火原理），燃燒排設計高精度穩(wěn)流盤，完全防止預混氣體回火。燃氣靜壓要求15 kPa，動壓12 kPa，負荷10%到15%啟爐，正常燃燒器共十段調節(jié)，默認所需最高負荷的1/10為一段往上或往下跳，在各段中還可以用電子筆調電動執(zhí)行器來微調細調，還可以調節(jié)每段上升或下降的時間，從10%～100%滿負荷全比例調節(jié)。采用后預混方式混合燃氣和空氣。穩(wěn)流盤，主要為了增加進入速度和預混均勻。火焰溫度降低，燃燒溫度不超過1 050 ℃，低溫高效燃燒，通過控制加快進風速度使爐內形成短火焰，長度在0.5～1.0 m左右，避免火焰對爐膛造成長時間沖刷，而且可以產(chǎn)生最好的熱輻射效果。

5環(huán)保效益和社會效益

低氮預混真空相變鍋爐是將低氮燃燒技術和真空相變鍋爐技術相結合，研發(fā)出的一種新型環(huán)保節(jié)能鍋爐。相比于傳統(tǒng)的鍋爐，它具有以下環(huán)保效益和社會效益：

（1） 降低氮氧化物排放，低氮燃燒技術能夠有效降低燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物排放，減少空氣污染程度，保護大氣環(huán)境。

（2） 減少二氧化碳排放，真空相變鍋爐可以在低溫低壓條件下產(chǎn)生蒸汽，使熱效率得到提高，節(jié)約能源，減少二氧化碳排放。

（3） 提高能源利用率，低氮預混技術可以使燃料充分燃燒，提高能源利用率，降低能源消耗，減少資源浪費。

（4） 減少噪音污染，真空相變鍋爐內部保持低壓真空狀態(tài)，降低了鍋爐運轉時的噪音污染，改善了周圍環(huán)境。

（5） 降低運行成本，低氮預混真空相變鍋爐具有高效節(jié)能、安全可靠、環(huán)保節(jié)能、使用方便等特點，降低了企業(yè)的運行成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

綜上所述，低氮預混真空相變鍋爐的環(huán)保效益和社會效益顯著，既能提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，又能保護環(huán)境和人民健康，是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色能源設備［6］。

6應用前景

低氮預混真空相變鍋爐技術是一種新型的鍋爐技術，由于其具有熱穩(wěn)定性高、節(jié)能效果明顯等特點，在國外已得到廣泛應用。目前，我國的低氮預混真空相變鍋爐應用還處于起步階段，但已有不少企業(yè)進行了探索和實踐，國內低氮預混真空相變鍋爐的應用已初具規(guī)模。在我國節(jié)能減排、環(huán)境保護和能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推動下，低氮預混真空相變鍋爐作為一種節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品有著廣闊的應用前景。同時，在當前全球氣候變暖、能源緊缺的形勢下，低氮預混真空相變鍋爐作為一種節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品有著良好的市場前景。另外，低氮預混真空相變鍋爐通過不斷創(chuàng)新和完善，技術水平也在不斷提高，相信隨著技術的成熟和完善，其市場前景將越來越廣闊［7］。

6.1市場前景

低氮預混真空相變鍋爐作為一種節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，具有廣闊的市場前景，未來可在以下方面開展應用：

（1） 隨著“雙碳”目標的推進，綠色建筑、裝配式建筑等國家政策的大力推廣，建筑節(jié)能市場前景廣闊。

（2） 在“碳達峰”“碳中和”的背景下，節(jié)能將成為新能源行業(yè)的熱點，低氮預混真空相變鍋爐作為節(jié)能領域的重要設備將得到大力推廣。

（3） 低氮預混真空相變鍋爐作為一種新型的供熱設備，具有廣闊的市場空間。鍋爐不僅在供熱領域，而且在采暖、工業(yè)烘干、中央空調等領域都有廣泛應用。

（4） 目前，國內低氮預混真空相變鍋爐行業(yè)尚處于起步階段，相關企業(yè)較少，隨著真空相變鍋爐技術的不斷成熟和完善，其應用市場將會不斷擴大。

6.2應用領域

低氮預混真空相變鍋爐是一種新型的環(huán)保節(jié)能鍋爐，具有高效節(jié)能、低污染、安全可靠等特點，廣泛應用于以下領域：

（1） 工業(yè)生產(chǎn)，低氮預混真空相變鍋爐在化工、食品、紡織、制藥、造紙等行業(yè)中得到廣泛應用，為企業(yè)提供高效、穩(wěn)定、環(huán)保的蒸汽供應。

（2） 民用供暖，低氮預混真空相變鍋爐可以為學校、賓館、醫(yī)院、居民區(qū)等提供供暖、供熱服務，滿足人們的生活需求。

（3） 農業(yè)種植，低氮預混真空相變鍋爐可以為溫室、養(yǎng)殖場等提供蒸汽、熱水等熱源，促進農業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。

（4） 其他領域，低氮預混真空相變鍋爐也可以應用于公共設施、地鐵車站、商場、辦公樓等場所的供能系統(tǒng)中，為城市的能源供應作出貢獻。

總之，低氮預混真空相變鍋爐具有廣泛的應用領域，是一種綠色、環(huán)保、高效的新型能源設備，有望在未來快速發(fā)展。

7結語

低氮預混真空相變鍋爐是一種新型的環(huán)保節(jié)能鍋爐，具有高效節(jié)能、低污染、安全可靠等特點，能夠為工業(yè)生產(chǎn)、民用供暖、農業(yè)種植、城市能源供應等多個領域提供可靠的熱源供應。與傳統(tǒng)的鍋爐相比，低氮預混真空相變鍋爐具有更高的能源利用率，更低的氮氧化物和二氧化碳排放，更少的噪音污染，能夠為企業(yè)降低運行成本，改善周圍環(huán)境，保護人民健康。因此，低氮預混真空相變鍋爐是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色能源設備，有望在未來快速發(fā)展，為促進可持續(xù)發(fā)展、保護環(huán)境作出重要貢獻。

參考文獻：

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［6］惠荷.固體蓄熱鍋爐與燃氣真空相變鍋爐在居住與公共建筑中應用對比分析［J］.電力與能源，2020（4）：495498.

［7］梁誓禹.真空與常壓承壓鍋爐的性能對比［J］.化工管理，2021（29）：42.

作者簡介：倪露濱，男，浙江紹興人，工程師，本科，研究方向：鍋爐的設計與制造。