燃氣熱水鍋爐低氮改造工程的實例分析

劉俊潔(西北政法大學后勤保障處，陜西 西安 710122)

0 引言

隨著治污降霾工作深化推進，普通燃氣鍋爐已不能滿足現有環境標準要求。根據陜西省生態環境廳《關于燃氣鍋爐低氮改造控制標準的復函》(陜環函[2017]333 號)[1]，新建鍋爐氮氧化物排放濃度低于30mg/m3，在用鍋爐氮氧化物排放濃度低于80mg/m3。標準出臺后，各單位在用的燃氣鍋爐多數面臨低氮排放改造的問題。

鍋爐低氮燃燒改造主要有兩種方式，一是加裝低氮燃燒器，另一種是更換低氮排放的燃氣鍋爐，兩種方式均可降低鍋爐尾氣中氮氧化物濃度，實現達標排放。由于加裝低氮燃燒器的改造方式投資小、工程簡單、技術較成熟，多數單位采用加裝燃燒器的改造方式。

1 項目概況

西北政法大學長安校區東、西鍋爐房共配置6 臺浙江特富鍋爐，其中4 臺10.5MW 熱水鍋爐，型號為WNS10.5-1.0/95/70-Q，用于整個校區冬季供暖；2 臺6t 蒸汽鍋爐，型號為WNS6-1.25-Q，用于學生日常生活熱水和食堂蒸汽，6 臺鍋爐均于2014年10月投運。改造前6 臺鍋爐氮氧化物排放濃度均在80mg/m3以上，擬更換美國布洛姆1530 系列低氮燃燒器+煙氣再循環(FGR)技術進行改造，使其達到以下標準[2]和要求：(1)改造后NOx排放濃度穩定在30mg/m3以下，CO 排放濃度穩定在95mg/m3以下(基準氧含量3.5%)；(2)NOx及CO 排放濃度在監測時，鍋爐負荷應保持75%及以上，按熱水鍋爐耗氣量100m3/h/MW；(3)改造后鍋爐帶負荷能力不能出現明顯下降；(4)獲得政府環保專項資金補助。

2 低氮燃燒技術介紹

目前，燃氣鍋爐采用的低氮燃燒技術多為以下三種：燃料預混燃燒控制技術、分級燃燒控制技術和煙氣循環控制技術。根據一般工程經驗，額定供熱量7.0MW(額定蒸發量10t/h)及以上的在用鍋爐，不建議采用燃料預混燃燒的改造方式[2]。近幾年，各單位基本采用“低氮燃燒器+煙氣再循環”組合方式，也是行業內普遍認為降氮效果好且成本較低的主流方案。

2.1 低氮燃燒器

低氮燃燒器內部，通過不同的列陣方式在橫向和縱向布滿噴嘴，將燃料和空氣分級，進而在爐膛范圍內，燃料的燃燒就會分布的更均勻。燃燒器的縱向上形成的分散燃燒區域，可以很好的避免熱負荷過于集中，降低局部燃燒溫度，從而有效地降低NOx排放濃度[3]。此外，更換燃燒器時，不僅要考慮實際運行時帶荷能力，選擇滿足負荷能力和NOx排放標準的燃燒器，同時還需要比對在用鍋爐的爐膛尺寸、爐膛結構、內外部連接方式及鍋爐在不同負荷下的火焰長度、配風方式等因素。

2.2 煙氣循環控制技術

煙氣再循環技術分為爐外煙氣外循環和爐內煙氣內循環。煙氣外循環的工作原理是回用煙道中一定量的高溫飽和煙氣，通過連接管道與鍋爐機頭鼓風機送風系統中的室溫空氣混合后進入燃燒器，降低燃燒速度、燃燒溫度和進氧含量，從而降低NOx排放濃度[4]；煙氣內循環的工作原理是依靠燃氣的高速噴射流速卷吸高溫煙氣，在爐內形成內回流，部分煙氣會在燃燒器內再次被循環利用，從而降低NOx排放濃度。

3 改造方案及運行效果

3.1 改造方案

采用分級燃燒技術(空氣分級、燃氣分級、火焰分級)、煙氣循環技術(FGR)及精準的燃燒控制技術進行低氮改造。

西北政法大學4 臺10.5MW 燃氣熱水鍋爐，型號為WNS10.5-1.0/95/70-Q，爐膛尺寸為Φ1600×14×5320，氮氧化物排放濃度在100～120mg/m3，改造選用美國布洛姆1530-037F 系列低氮燃燒器，低氮改造示意圖如圖1 所示。

2 臺6t 燃氣蒸汽鍋爐，型號為WNS6-1.25-Q，爐膛尺寸為Φ976×12×3883，氮氧化物排放濃度在110～125mg/m3，改造選用美國布洛姆1530-016F 系列低氮燃燒器，低氮改造示意圖如圖2 所示。

(1)調整燃燒器安裝尺寸。新更換的低氮燃燒器的安裝口尺寸略大于原燃燒器，因此安裝前對原鍋爐爐墻開口尺寸進行擴口改造，并根據新的低氮燃燒器工作參數、火焰燃燒方式，重新核算鍋爐爐膛內部受熱面、內部耐熱混凝土的熱負荷能力及燃氣供給管道走向。

(2)安裝煙氣再循環管道。從鍋爐節能器后端的煙氣管道上開口，安裝煙氣再循環管道，直至助燃風機。通過PLC 控制系統調節抽取的煙氣量，與助燃風機送風系統中的室溫空氣混合后進入燃燒器。煙氣再循環管道需做好保溫，并在管道的轉彎處加裝冷凝水收集裝置。

3.2 改造后運行效果

通過更換低氮燃燒器+煙氣再循環的該種方案改造后，6 臺鍋爐負荷在75%及以上時，監測的氮氧化物排放濃度均在30mg/m3以內。2019年3月，環保局委托第三方檢測公司對鍋爐氮氧化物排放濃度進行復驗，復驗結果均達到30mg/m3以下的排放標準。

圖1 10.5WM燃氣熱水鍋爐改造示意圖

圖2 6t燃氣蒸汽鍋爐改造示意圖

通過比較2017～2018年和2018～2019年兩個供暖季熱水鍋爐運行耗氣量，單位供暖面積的耗氣量增加約為6%。

4 改造和運行中出現的問題及建議

西北政法大學長安校區6 臺燃氣鍋爐于2018年10月30日改造完成，已通過主管部門驗收。改造和運行過程中需要注意以下問題。

(1)燃燒器尺寸匹配問題。改造前，應確認新選用的燃燒器安裝尺寸與鍋爐爐墻的開口尺寸是否一致。如果不一致，需重新核定低氮燃燒器的供氣參數、鍋爐爐膛內部受熱面、內部耐熱混凝土的熱負荷能力等參數是否與鍋爐匹配，采取更換燃燒器、調整爐墻開口等措施，確保低氮燃燒器與鍋爐緊密連接，不留隱患。

(2)燃燒狀態不穩定。運行過程中，為降低NOx排放濃度，需要調整過量空氣系數，但過量空氣系數調整的過低時，鍋爐整體的燃燒狀態就不穩定，甚至會加速NOx的形成。因此，更換低氮燃燒器后，要重視鍋爐本體與低氮燃燒器的調試工作，通過運行鍋爐，以運行效果為導向，找到最佳燃燒狀態，并記錄相關參數，方便后期運管。

(3)冷凝水產生的影響。由于改造時在爐體外部加裝煙氣再循環管道，運行中會從煙道中抽取一定量的高溫飽和煙氣，當室溫過低時，與鍋爐機頭鼓風機送風系統中的室溫空氣混合后，會形成冷凝水，過量的冷凝水析出會對燃燒器的正常運行產生不良影響。經觀測研究發現，在12月、1月運行時，冷凝水產生量最大；3月起運行時，幾乎不產生冷凝水。因此，建議在鼓風機吸風口前加裝空氣預熱器，提高進風溫度，降低循環煙氣與進風溫差[5]，緩解冬季冷凝水對燃燒器的不利影響。

(4)噪音影響。改造前燃燒器的鼓聲系統采用地埋式風道，進風口在爐體尾部，通過消音罩處理后，運行過程中產生的噪音影響很小。但改造后，加裝的低氮燃燒器助燃風機一般設計在機頭旁邊，這就對消音裝置提出了更高的要求。因此，在選擇消音設施時，不僅要注重設施的消音、隔音效果，還要保證各類閥組及燃氣管道便于維修。此外，風機在工作中會不斷的震動，可能會對周邊設備的基礎產生影響，造成局部固定鉚釘出現松動的現象，鍋爐使用中需定期進行巡檢維護。

(5)管線及閥組安裝易于檢修。鍋爐屬于一種能量轉換設備，長期運行難免出現各種各樣的故障。因此，改造過程中要格外注重設備設施維修的方便性和可操作性。燃燒器的助燃風機、燃起執行器、FGR 接口、各類閥門及燃氣管道安裝時，應充分考慮安裝位置、數量、形式，方便后期鍋爐維修拆卸。

此外，燃氣供給管道需要調整時，禁止改造單位、施工單位和個人私自改動，應報由當地供氣管理部門，由其組織實施。因此，施工組織時應提前做好外部銜接，以免延誤工期。

5 結語

西北政法大學長安校區的6 臺燃氣鍋爐通過更換低氮燃燒器改造，采用分級燃燒技術(空氣分級、燃氣分級、火焰分級)、煙氣循環技術(FGR)實現氮氧化物排放濃度控制在30mg/m3以內，達到陜西省生態環境廳《關于燃氣鍋爐低氮改造控制標準的復函》(陜環函[2017]333 號)標準。本次鍋爐低氮改造工程的實施，不僅促進了校園節能減排工作更上新臺階，同時也為營造綠色環保校園治、污降霾保衛藍天工作做出重要貢獻。