基于煙氣再循環的燃氣鍋爐運行安全及檢驗重點分析

陳湘清，陳鎮南，湯國樂，李美姣，梁楨

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南 長沙 410000）

氮氧化物是PM2.5產生的前體物質，加強對氮氧化物排放的治理有助于凈化環境，保證城市環境的生態可持續發展。有研究表明，如果燃氣鍋爐的NOx排放標準從150mg/m3下降到30mg/m3及以下，當供暖季燃燒天然氣時，每0.7MW所形成的氮氧化合物就會減少0.178t，所以，抑制燃氣鍋爐氮氧化合物的排放是目前環保工作的首要任務之一，并且是社會發展的現實要求。

目前，國內外已經有多種低氮燃燒控制技術，以合理優化燃料與助燃空氣的混合過程、控制爐膛局部高溫為目的，通過分級燃燒、濃淡燃燒、催化燃燒、預混燃燒和煙氣再循環或者各類技術耦合等為技術手段，能夠實現有效降低NOx的生成。長沙市燃氣鍋爐低氮改造工作主要應用了分級燃燒、煙氣再循環、預混燃燒三種低氮燃燒控制技術，改造方式通過更換低氮燃燒器、增加煙氣再循環系統、整體更換低氮鍋爐進行。

本文將結合燃氣鍋爐低氮改造后的監督檢驗和定期檢驗工作，對基于煙氣再循環的燃氣鍋爐運行安全風險問題加以分析，并提出鍋爐檢驗過程應關注的重點。

1 基于煙氣再循環（FGR）加分級燃燒的技術原理

分級燃燒或者煙氣再循環都屬于低NOx燃燒控制技術，若單獨使用其降氮效果雖較常規燃燒方式有明顯降低，但不足以滿足日趨嚴格的排放標準要求。為了平衡燃燒效率與排放特性，在實際應用中往往將這兩種技術手段聯合使用，不僅降低了爐內燃燒溫度，同時也降低了氧氣的分壓，從而使熱力型NOx在原有的基礎上進一步降低，以達到NOx排放在標準限值要求以內。該項技術在有效減弱NOx生成的同時CO也幾乎不產生，因此至今被廣泛使用。有學者研究發現分級燃燒加煙氣再循環可以減少70%的NOx生成，其中對NOx控制效果起關鍵作用的是循環煙氣量，循環量從安全和經濟兩方面考慮一般在10%～30%之間。

分級燃燒+煙氣再循環（FGR）的聯合應用方式可以廣泛應用于燃氣鍋爐的新建或改造項目。這種技術方式工程實施可行性較強，僅需更換采用分級燃燒的低氮燃燒器，再加裝一根煙氣循環管道，且僅有一次投資費用，運行維護費用低。在設備選型時，應對改造鍋爐的基本情況（爐膛尺寸、背壓等參數）與燃燒器性能的匹配情況進行綜合分析，充分預判各類因素對于改造結果的影響。這種方式偏適用于較大型燃氣鍋爐低氮改造，承壓鍋爐低氮改造一般優先選擇此種方式實施。在實際應用中，這種方案主要存在冷凝水多影響火焰監測器正常工作、煙氣再循環率不當引起“喘振”甚至脫火、鍋爐出力有所降低，NOx排放不穩定等負面影響。

2 低氮改造后鍋爐運行安全風險問題分析

2.1 冷凝水污染

煙氣再循環技術把煙氣自煙道引回爐膛，煙氣通過回流管，熱量持續消散同時凝結析出冷凝水。大量的實踐經驗表明，天然氣鍋爐煙氣中水蒸氣凝結溫度為30～60℃，天然氣燃燒主要生成水和二氧化碳，根據計算可得煙氣中含水量大約為18%。經過對改造前、后鍋爐運行情況的對比分析，發現煙氣外循環會帶來大量的水蒸氣進入風道和鼓風機，主要存在以下問題：（1）在煙氣回流管和風機中凝結成水，在溫度較低的地區甚至凝結成冰，造成風道內送風面積減少，影響燃燒器正常供風。（2）部分煙氣回流管材質為普通碳鋼，長期處于帶弱酸性的冷凝水中，容易腐蝕生銹，導致回流煙氣伺服電機的轉軸不能正常運轉，甚至帶弱酸性與鐵銹的凝結水被吹進燃燒器，使得燃燒器的金屬配件與電控設備受污染侵蝕，嚴重影響到燃燒器的安全運行。針對冷凝水污染現象，當燃氣鍋爐應用煙氣再循環技術時，需要對再循環煙氣溫度進行嚴格控制，必要情況下可以考慮FGR管路加保溫、設計管道坡度且預留冷凝水排放口以及新風預熱。

2.2 點火異常和故障停機

低氮改造后，運行過程中燃燒器與鍋爐本體易出現振動，對燃燒器主要配件的穩定運行會有一定影響，可能會偏離設定位置，導致燃燒器有時會出現點火不順利，嚴重時甚至發生喘振和爆燃現象。另外，燃燒器電控元器件易被冷凝水污染，其絕緣與接地性能都會被影響，難以保證燃燒器穩定運行，尤其是當冷凝水污染火檢元件，將使燃燒情況被誤判，導致燃燒器發生故障停機。因此建議將常用的光管式熄火保護改成電極式熄火保護裝置或對火檢元件采取加裝防護罩或冷卻風裝置等措施。燃氣鍋爐低氮燃燒器需要定期調試，經常性維護保養，確保煙氣再循環率和空燃比均處于合理的運行區間的才能確保穩定高效運轉。

2.3 燃燒不充分

鍋爐低氮改造后，由于低氮燃燒器安裝位置或角度的偏差，會出現火焰沖刷受熱面的問題；或者由于調試不當，燃燒火焰尺寸太大，直接接觸爐膽內壁，在低溫作用下燃氣不能充分燃燒，從而形成積炭，影響鍋爐安全運行和使用壽命。改造項目排放抽查發現，部分項目出現CO排放不達標現象，經過再次調試后排放可達標。分析得出，隨著不同生產負荷需求和環境溫度、空氣密度、煙囪抽力等因素變化，燃氣、空氣、回煙三者之間的相對平衡會改變，導致CO排放不穩定。因此，需要根據生產負荷和環境因素變化不斷調試燃燒器工作特性，使之持續處于穩定高效的運行狀態。

2.4 設備振動異常

低氮改造過程中應用FGR技術，就是把部分回流煙氣與新風混合后重新送入爐膛參與燃燒，通過煙氣中的水蒸氣、氮氣及二氧化碳冷卻火焰，同時抑制燃氣順利燃燒與傳播。此項技術不僅可以阻礙NOx形成，還能讓燃氣的火焰傳播速度下降，從而增加燃燒難度，燃燒穩定性也會隨著煙氣再循環率增加而降低，尤其是注入的煙氣若不能快速均勻混合，將會令一些區域出現火焰熄滅與反復點燃現象，導致壓力波動劇烈，造成設備異常振動，當火焰脈動頻率與爐體或煙風道振動頻率相同時，爐體或煙風道會產生強烈共振現象。另外，FGR技術也會讓鍋爐煙氣總量有所增加，燃燒器調試不當可能會讓風機偏離穩定工作區，導致運轉出現噪音與喘振。因此，在鍋爐設計時就應該考慮投入FGR對鍋爐穩定性造成的影響。一般對燃燒器采取調整配風、優化燃燒頭等方法提高燃燒器火焰的穩定性，減少脈動。

2.5 燃燒器未定期維護保養

燃氣鍋爐低氮改造后，低氮燃燒器的維護保養工作至關重要，其維護保養的頻次和要求比常規燃燒器也更嚴格。FGR技術存在的安全隱患主要在：（1）由于回流煙氣冷凝水對火焰監測器的污染，造成熄火保護裝置失效或頻繁動作，導致燃燒器點火失敗。在鍋爐運行期間應經常性對火焰監測器檢查清理，確保其功能靈敏可靠。（2）煙氣冷凝水溶解少量CO2氣體后，呈現弱酸性，對鍋爐金屬受熱面和再循環煙管產生腐蝕作用，腐蝕產物容易在底部聚集堵塞冷凝水泄放管，導致不能及時排出冷凝水，影響燃燒器正常工作。（3）由于更換了低氮燃燒器并增加了煙氣再循環系統，對鍋爐房環境提出了更高的要求，需要定期校驗可燃氣體泄漏報警儀探頭，并進行泄漏報警聯動試驗，確保一次探頭監測準確，通風系統聯動可靠。

2.6 保護裝置未可靠聯鎖

燃氣鍋爐低氮改造后應確保燃燒器和鍋爐各項安全聯鎖保護功能并入控制系統，實際改造項目中存在安全保護功能漏項，安全隱患很大。個別燃燒器技術人員在安裝調試過程中，由于工作疏忽或責任心不強，并沒有把燃燒器與鍋爐所有的安全聯鎖保護功能并入鍋爐控制系統，僅對燃燒器部分聯鎖保護實現安全聯鎖，未有效連接鍋爐溫度、壓力、水位等參數超限的安全聯鎖保護。甚至還有人為屏蔽燃氣閥組檢漏功能、隨意調整燃氣高壓保護開關等危險性操作，使鍋爐運行存在嚴重的安全隱患。

3 低氮改造后鍋爐檢驗重點

燃氣鍋爐低氮改造重點關注改造后安全性能、運行效率與排放濃度是否符合安全技術規范與相關標準的要求。《特種設備目錄》范圍內的燃氣鍋爐低氮改造絕大部分采用的分級燃燒加煙氣外循環的低氮燃燒技術，本文從以下兩個方面分析低氮改造完成后的檢驗關注重點。

3.1 監督檢驗關注重點

（1）告知程序。更換低氮燃燒器的項目，應當按重大修理的規定履行施工告知程序且及時向當地特檢機構申請監督檢驗。

（2）低氮燃燒器選型與鍋爐匹配性。燃燒器配套選型是熱能設備高效、安全運行的基礎，且直接影響系統運行的經濟性。燃燒器應當由鍋爐制造單位根據鍋爐結構和燃料特性等因素選配。低氮改造施工方案中應明確燃燒器選型的合理性分析和計算過程，應確保燃燒器額定功率應與鍋爐出力相匹配，且能克服鍋爐煙風阻力，燃燒器火焰的幾何尺寸與鍋爐燃燒室相匹配。

（3）燃燒器主要配件型號的符合性。燃燒器的制造或者供應單位應當提供有效的燃燒器型式試驗證書和報告，檢驗時應重點檢查燃燒器型式試驗證書相關信息與實物是否一致，若不一致應提供型式試驗機構出具的主要配件變更安全性說明。

（4）安全聯鎖保護功能完整有效性。低氮改造完成后，燃燒器控制系統應并聯燃氣鍋爐控制系統，燃氣壓力、空氣流量、火焰故障、燃氣閥門泄漏、與鍋爐有關的壓力、水位、溫度等參數超限等安全聯鎖保護功能應完整有效。

（5）燃燒器性能調試。燃燒器調試人員應具備一定專業能力和同類型設備的調試經驗。調試完成后應出具燃燒器調試報告，報告中至少應包含點火安全時間、熄火安全時間、前后吹掃時間、點火燃氣壓力、燃燒器工作特性曲線等內容。

3.2 定期檢驗關注重點

（1）停爐內檢。內部檢驗是在停爐狀態下，對鍋爐設備本身的安全狀況和性能進行的檢驗。由于低氮改造后對流受熱面進出口溫度比原設計溫度有所提高，因此內部檢驗應重點檢查煙氣側回燃室及回燃室管板、前后管板、煙管等受壓部件是否有變形、過熱、裂紋、結垢等缺陷。

（2）運行外檢。外部檢驗是在鍋爐運行狀態下，對鍋爐使用管理狀況進行的檢驗。主要通過見證功能性試驗驗證鍋爐水位、蒸汽壓力、熄火保護等安全聯鎖功能的完整有效性。另外，應重點關注使用單位是否按照維護保養的要求，認真落實各項維保措施，包括定期檢查燃料供應和供風系統、冷凝水的排放情況，火焰監測裝置的清理、燃氣泄漏報警儀的檢定情況等內容。

4 結語

在當前嚴峻的節能減排形勢下，長沙市已完成燃氣鍋爐低氮改造工作。這項工作專業性很強，以基于煙氣再循環的擴散式燃燒器為例，在低氮改造后調試和運行過程中陸續出現了一些安全風險問題，燃氣鍋爐和燃燒器的制造、銷售、安裝、調試和使用單位應轉變解決思路，實施相應對策，相關職能部門也應履職盡責，共同努力促使燃氣鍋爐在安全穩定的情況下，達到經濟高效、清潔低氮的應用效果。