高效低氮冷凝燃氣鍋爐技術分析

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推進，公共機構對節能減排的重視，各省市將具體工作任務細化到了每個點，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]，鼓勵發展低氮節能的技術路線。本文結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 全預混概述

全預混[2]是將所需空氣和天然氣預先按比例混合好，再送入燃燒室的燃燒方式（圖1），是目前最安全、環保、節能的燃燒方式，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標準（ANSI/ASTM/D1785 或D2665，ULC-S636)；結構緊湊，爐內水容積少，不足百升；整機設計小巧（圖2），約是常規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 全預混變頻

全預混技術描述如下：

（1）關于全預混燃燒幾種不同的結構形式,常用的有多孔陶瓷板、雙金屬網、金屬纖維燃燒器。

（2）關于全預混金屬纖維燃燒器，是全預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）關于利用金屬纖維表面燃燒的藍焰效應（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

我國一方面需要大量能源來保持經濟的高速發展，一方面又要應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系。為應對全球氣候變化，在1992年聯合國大會通過了《聯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標準規程，針對大氣污染治理的內容更加明細，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中的應用

目前高效變頻有四大特點：通過智能控制系統自動調節火焰大小來滿足實際熱負荷需求，根據負載的不同自動調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，輸出從5%至100%實現曲線輸出貼近實際需求。因此，在設定供熱出水溫度時，高效變頻控制系統可以滿足燃氣鍋爐頻繁啟停的要求，而不會卡頓，這對于供熱企業具有很高的可行性。具體的應用包括以下幾個方面：

2.1通過智能控制系統自動調節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一個信號；變頻系統調節輸出功率，以求在最合理的時間內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）系統需要盡快提溫，由于供熱面積1萬m2圍護結構保溫性差，原有設定供水溫度55℃已經不能滿足使用，辦公室人員第一時間在控制面板調整出水溫度至65℃，在調整完溫度以后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

正是因為變頻系統響應迅速，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根據負載的不同自動調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，對此類情況就需要通過控制系統后臺程序調整混合比，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，得知天然氣出現流量不足，不能滿足使用，需要等幾個小時（冬季氣荒），該設備在遇到燃氣流量低時具有可調節性。

2.3比例精準地自動跟蹤負載使燃燒過程保持最佳狀態

在實際供熱中，由于氣溫是發生著變化的，所以鍋爐回水溫度也會發生變化，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定溫度值。溫度發生變化的過程，控制也隨之調整，同步進行。

2.4輸出從5%至100%實現曲線輸出貼近實際需求

回水溫度與控制器之間聯動，進而輸出功率呈現高低曲線的變化，這種變化對于天然氣的消耗量起到了節能的作用。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

氮氧化物對環境有那些影響？NOx自身的污染、臭氧（O3）污染、酸沉降等問題，對人身健康、生產生活以及環境產生影響。作為生成臭氧（O3）的重要物質之一，與臭氧（O3）濃度和光化學污染緊密相關，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化、土壤酸化等生態系統失衡。在氮氧化物排放時要保證清潔生產生活，還要統籌考慮到環境保護。

3.1低氮技術

低氮技術主要包括：低氮燃燒技術和煙氣脫硝技術。

低氮燃燒技術主要包括全預混表面燃燒、分級燃燒和煙氣再循環等。

煙氣脫硝技術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所釋放的氣化潛熱，以提高鍋爐整體熱利用率，節約天然氣，高效冷凝換熱器是一些發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℃）煙氣對從板換側或房間側循環回水預熱釋放的熱量。如果100℃的排煙溫度被鍋爐低溫循環回水吸收至低于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%，由于采用的是全預混燃燒技術，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，在實際的供熱運營中企業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的，該產品技術的出現是因為中國大面積的“煤改氣”，供熱運營企業在滿足環保排放的情況下，還要考慮盈利，所以嘗試接納新技術新材料，安全高效節能的環保設備才得以推廣應用。

圖8 燃氣表描述燃氣量

圖9 文字描述燃氣量

5 在供熱運營中的應用

高效低氮冷凝鍋爐可單臺供熱，也可多臺組網供熱，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以下的節能建筑可以采用單臺供熱，如果是對一個區域實行供熱就要組網供熱，實現多臺鍋爐聯控運行，采用循環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。組網運行狀態下，系統可完全自動開啟和關閉，也可與原有供熱設備聯網運行，大大降低了供熱企業運營費用。

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，由于能源結構發生改變，國內一時還沒有低氮冷凝燃氣鍋爐幾大配件供應企業，主要配件依賴于進口，有個別配件即使國內能生產但是產品質量與國外進口產品還存在一定差距，現總結部分不足如下：

（1）控制程序沒有實現國產化，將會給現場操作人員帶來溝通障礙。

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

（3）該設備為常壓，不能承壓，所以要增加板換這一費用。

7 結語

通過以上分析，高效低氮冷凝燃氣鍋爐較常規燃氣鍋爐具有以下優勢：

（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省初投資；

（2）采用全預混技術，實現天然氣與空氣100%全預混，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自動調節火焰大小，輸出比例由5%至100%實現曲線輸出，避免檔位式輸出造成的能量過剩或不足的問題，較15%至100%的調節更加機動靈活，響應迅速，能有效提高鍋爐效率，節約天然氣，提高收益。綜合節能約30%，節能環保優勢明顯。

高層建筑風井施工六注意

工程主體驗收時，出現未經設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）熟讀各專業圖紙，認真領會風井尺寸和材料等設計要求。

（2）因施工地點購買設計材料存在困難等情況，需變更設計材料時，應在圖紙會審時及時向設計人員提出。特別注意不應僅向建筑和結構專業設計人員提出變更申請，也要向通風專業設計人員提出變更申請，經各專業設計人員對截面尺寸、風井內壁摩阻、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，必須嚴格按照設計要求進行井內壁抹灰，不得隨意增加抹灰層厚度，以免減小通風道截面積，并確保井內壁抹灰光滑平整。

（6）注意搜集并保存設計變更、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資料。

（摘自：《建筑工人》）