燃油燃气锅炉低氮燃烧及能效提升工作

朱明磊（中海油惠州石化有限公司，广东 惠州516086）

近年来国家相继颁布了《锅炉节能技术监督管理规程》《工业锅炉能效限定值与能效等级》等规定，不断优化锅炉的能效指标，对工业发展既是机遇也是挑战，燃气燃油锅炉相较于燃煤锅炉在污染物排放、热效率、节能减排等方面具有优势，本文通过研究锅炉低氦燃烧和能效提升的方法进一步挖掘其应用前景。

1 燃油燃气锅炉结构分析

近年来国家燃气燃油锅炉发展速度迅猛，设计水平不断提升，产品结构具有多样化。当前燃气燃油锅炉主要包含以下几种结构：其一，立式火管类型，主要应用在0.35MV（0.5t/h）及以下的小容量锅炉，优势是占地面积较小、结构组成单一。其二，卧式火管类型，锅炉容量在0.5～20t/h，相当于0.35～14MV，其结构较为紧凑，便于工作人员进行检修。其三，立式水管类型，其锅炉容量为2.8MV（4t/h），产气快、结构紧凑，不过此设备对于水质的要求较高，检修工作开展较困难。其四，卧式水管类型，此结构属于较普遍的炉型，整个锅炉的容量最大可以达到29MV(50t/h)左右，检修方便，炉型结构较成熟。同时，燃气燃油锅炉中还包含π型散装结构与双锅横置结构。

2 燃油燃气锅炉低氮燃烧及能效提升工作途径

2.1 锅炉低氦燃烧优化策略

2.1.1 升级锅炉结构和低NOx燃烧器

燃气燃油锅炉的低氮燃烧控制工作可以通过优化低NOx燃烧器、调整锅炉结构来实现。其一，优化低NOx燃烧器，通过升级燃气喷嘴对燃烧器进行创新。可以借鉴北美关于燃烧器实验中的蓄热式燃气喷嘴设备来减少NOx的排放量，同时利用高温烟气的余热回收设备预热助燃空气，防止大量的NOx 产生，使冷空气燃气喷嘴和NOx的排放量相契合。通过使用蓄热式燃气喷嘴可以节省大量的燃料，锅炉温度的不断提升，节省的燃料数量也会逐渐增加。其二，调整锅炉结构，科学的锅炉结构需要围绕炉筒和锅炉的配风系统进行。其中，锅炉的配风系统可以在燃烧器喉口两端导出引风管，按照锅炉的壁面科学设置引风管，提升燃烧的效果。对于炉筒来说，需要改变锅炉形状以减少NOx的排放量。相关数据研究显示，垂直的椭圆形炉筒在燃烧工作中NOx的排放量较小，相较于圆形炉筒的排放量减少了约23%。

2.1.2 对燃烧空气的预处理

其一，高温空气燃烧技术，属于深度、温和低氧稀释性燃烧，可以使燃料在低氧的环境中处于稳定燃烧状态。其中低氧环境指的是空气中含有2%～20%的氧气[1]。相较于传统燃烧技术，高温空气燃烧技术可以减少约70%的NOx排放量。大量实验数据显示，在高温环境中燃烧空气，其预热温度和氧气的浓度均会对NOx 的排放量产生一定的影响：一般来说，NOx 的排放量会随着空气预热温度的提升而增加，同时氧气浓度的上升会使火焰峰值温度变大，增加NOx 的排放量。其二，柔和燃烧技术，又名无焰氧化技术或无焰燃烧技术。此技术的原理是在燃烧中混合物的自然温度应高于最大的温升燃烧反应。经过试验显示，射流速度提升会导致烟气的回流比和卷吸率升高，减少火焰的峰值温度，降低NOx 的排放量。不过柔和燃烧技术具有一定的劣势，只能在排烟温度较高的情况下利用炉外的空气预热和炉内的高温烟气回流方法来实现。

2.1.3 提升锅炉含氧量

加强锅炉燃烧效率的前提需要确保设备在燃烧工作中具有稳定的二次风供给，利用氧气的供给量提升锅炉的燃烧效率。燃烧负荷需要与之对应的氧气含量，适当的氧气含量可以将排烟损失降到最低，提升锅炉燃烧效率。锅炉机组在实际运行中通过BLR会有较大的负荷波动，出现锅炉内的氧气含量不足或遇到负氧的情况，对于锅炉的整体燃烧效率造成严重的影响，对接下来的脱硫工作造成限制。因此，建议技术人员在锅炉燃烧时侧重对送风量的调整，确保有足够的氧气含量来支持设备工作。

2.2 锅炉能效提升技术分析

在基本确定燃油燃气锅炉类型及结构的前提下，若想提升其能效需要围绕自身系统结构的设计着手。其中，燃油燃气的热平衡公式为：QT=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6.公式中的字母分别代表锅炉输出热量、有效利用热量、排烟损失热量、化学不完全燃烧热量、物理不完全燃烧热量、锅炉散热损失热量、灰渣热损失[2]。以下是通过对锅炉自身结构设计来分析其能效提升的途径。

2.2.1 冷凝技术

传统锅炉排烟过程的热量高达150～250℃，烟气中的水蒸气温度过高，无法转变为液态水进行汽化潜热。因此在热力计算时，忽视了燃烧产物中关于水蒸气的汽化潜热过程，只计算低位发热量来统计热效率，会对锅炉能效工作的提升造成阻碍。若降低烟气温度，会将其中的水蒸气转变为液态水进而施放汽化潜热。因此，建议借助冷凝水蒸气的方法，充分利用其汽化潜热作用，将使用的热量提升甚至超过燃料的低位发热量，强化锅炉的热效应。如排烟温度达到65℃时，锅炉热效应已经趋近于100%。

2.2.2 高参数、大容量的锅炉整装化

随着燃油燃气锅炉的市场比重的提升，其应用领域逐渐扩大，高参数、大容量的燃油燃气锅炉的使用量不断提升，通过强化其整装化技术能力，减少锅炉表面的热量损失，提升锅炉运行效率，满足市场需求。其一，大容量锅炉容易受到运输宽度的约束，若想减少工作现场的工作量，提升工作效率，可以通过模块组装的锅炉结构使对流受热面与炉膛分开，当安装条件具备后，再通过耐高温的膨胀节进行连接，不仅可以满足对流受热面的面积流通要求和炉膛燃烧尺寸要求，还可以降低技术人员进行现场安装的工作量，利用微正压燃烧形式和膜式水冷壁结构提升锅炉出厂容量，提升燃油燃气锅炉的整体运行效率[3]。其二，对于中温中压参数类型的锅炉，需要考虑锅筒壁和水循环安全性。若设置π 型散装结构，会出现金属消耗量大，安装周期较长的情况。因此，可以根据SZS快装水管锅炉结构，设计新式三锅筒水管锅炉，克服参数高、容量小的问题，减少燃料的消耗量、安装时间，提升设备能效。其中，新式锅炉利用三分体结构，其中20～40t/h锅炉主要包含省煤器、顶置汽包、锅炉主体组件等结构。45～75t/h锅炉主要设计成四体式结构，包含对流管、炉膛组件、省煤器、顶置汽包等结构。

2.2.3 燃烧和控制系统的能效提升技术

燃油燃气锅炉燃烧控制系统的能效与其运行经济性、使用寿命、安全性有较大的关系。锅炉的燃烧控制系统通过把控燃烧率、空气量、燃料适应负荷变化，可以结合外界负荷的变化调整空燃比，将各项参数控制在合理的区间，确保锅炉的安全性和经济性。在锅炉实际燃烧工作中，影响其热效率的关键因素是烟气中的空气系数和氧含量，若想提升锅炉的热效率就要科学控制二者的数值。当存在最佳过量空气系数时，燃料可以进行完全燃烧，此时炉内热效率和热损失量较小。同时，燃油燃气锅炉中应保证8%～15%的过量空气量和2%～3%的氧含量，此时热损失量最低。通过将电子比调、低NOx 技术、氧含量控制、室外温度传感等研究技术与锅炉的燃烧与控制系统相结合，可以实现设备的低能耗、高效率的运行管理。

2.2.4 热电联产技术

当前大多数燃油燃气锅炉应用于单一发电或者供热环境中，尚未实现科学的梯级运用，综合使用能效较低。热电联产技术可以利用管网换热站进行换热工作，再将热水向用户供给或者直接供应蒸汽，充分利用蒸汽热量，提升机组热效率。结合多种近汽参数将全厂的热效率由之前的30%～40%提升到70%～80%。例如丹麦地区已经将热电联产技术作为能源计划的基础，此技术的发电量可以达到总发电量的30%，芬兰地区的占比甚至达到70%，成为当今节能提效的主要技术。

3 结语

当前燃油燃气锅炉具有广阔的发展空间，在激烈的市场竞争中具有核心竞争力。对于节能减排的新要求、新形势可以促进锅炉和系统节能技术的应用和创新，极大地提升了系统热效率。我国能源结构的调整使气体燃料逐渐向第一能源推动，提升了节能减排的要求，促进了我国燃油燃气锅炉技术的发展。