层燃型燃煤锅炉改燃天然气的节能改造

华希平，戈淮军，朱 磊

（1.上海申方热能机械设备有限公司，上海 201100；2.连云港新奥燃气有限公司，江苏 222000；3.新奥能源服务公司，上海 201203）

我国的一次能源以煤为主，导致我国的能源效率低、二氧化碳和其他有害气体的排放量大，因此优化能源结构、提高清洁高效的一次能源特别是天然气的消费比例，对于我国的可持续发展非常重要，并已列入我国的能源发展规划中。我国有大量的中小型燃煤锅炉面临着节能减排的压力，特别是在一些人口集中或者重要旅游景点的燃煤锅炉必须进行改造。本文将对中小型燃煤锅炉的燃气改造进行探讨，包括改造项目的可行性、关键技术和确定改造方案的一些原则，并结合工程实践介绍立式锅炉、卧式火管及水火管燃煤锅炉和D型水管锅炉的燃气改造方案。

1 改造工作的可行性和原则

中小型燃煤锅炉大部分是煤粉炉和层燃型燃煤锅炉。其中煤粉炉燃烧时的各项损失原来就比较小，改燃天然气后，因烟气中水蒸气含量较高排烟热损失，虽然二氧化碳等有害气体的排放量可以大大减少，但是节能效果不显著。将燃气改造应用于中小型层燃型燃煤锅炉，节能减排的效果更好，因此本文主要讨论层燃型燃煤锅炉的燃气改造。

1.1 技术的可行性

燃气锅炉和燃煤锅炉的特性有很大的差异，燃煤锅炉改造成燃气锅炉后，炉内火焰辐射传热、受热面的的积灰和污染比、过量空气系数和烟气量等都会有一些变化，锅炉的过热蒸汽温度也会有变化。一般层燃型燃煤锅炉改燃气后，受热面的污染和积灰明显减轻，传热条件改善；排烟中过剩空气系数和排烟温度都有所降低，不完全燃烧损失比较小，因此锅炉热效率能提高10%～15%以上，出力可增加30%～50%。如果燃烧器选择恰当，锅炉的鼓、引风机一般不需要更换（如果采用引射式燃烧器，也可以不用鼓风机）。

1）炉内辐射 采用层燃方式燃煤时，炉膛内有一个高温燃烧着的燃料层形成强烈的辐射面，同时炉内烟气中的飞灰也形成固体辐射，有利于炉内辐射传热。

燃气时，烟气中虽然没有固体辐射，但烟气中三原子气体水蒸气含量比燃烟煤时约高1倍，辐射能力比燃煤时强，总辐射能力比燃煤更强，而且燃气时辐射受热面的积灰和污染大大减轻，传热效率大大提高，通常受热面的热有效系数可以提高20%。所以层燃型燃煤锅炉改燃气后，炉膛出口烟气温度变化不大或略有升高。如果在炉内能够安装二次辐射装置，那么炉膛出口烟温还可能比燃煤时低。

2）过剩空气系数 当层燃烟煤和无烟煤的锅炉改烧燃料油，特别是天然气、石油伴生气，液化石油气或焦炉煤气时，由于燃烧时过剩空气系数相差很多，而总的理论空气量和理论烟气量又近似相等，因此实际烟气量和空气量相差很多，一般燃煤比燃气时多15%～60%。

如果改烧气体后锅炉的出力不变，则烟气流速将明显降低，锅炉的鼓风机和引风机也将有15%～60%的富裕量。也就是说，如果加大燃气量，适当地提高出力，在烟气阻力、鼓风机和引风机的能力方面不会有什么问题。

3）过热蒸汽温度 层燃型燃煤锅炉改燃气后烟气量减小，流过热器的烟速降低过热蒸汽的温度可能略有降低，但一些容量较大的锅炉不设半辐射过热器，过热蒸汽温度就可能略有升高。

中小型锅炉的燃气改造，影响炉膛出口烟温的因素很多，例如：炉膛原来的型式以及改装用的燃烧器性能及其布置方式等，但改装后汽温的变化不会很大，特别是大部分中小型锅炉对过热蒸汽的温度要求并不高，这些变化不会影响其使用。由于中小型锅炉汽温较低，过热器材料安全裕量较大，即使过热蒸汽温度有所升高，对过热器的安全运行也不会有太大影响。

1.2 改造的关键技术和措施

中小型层燃型燃煤锅炉的结构是按照燃煤要求进行设计的，改成燃气锅炉当然要根据燃气的特点进行改造。

为了改造后的锅炉可以稳定运行，并得到更高的燃烧效率，就必须适当提高烟速，或者在炉墙上加设水冷壁，或者加大炉膛尺寸，或者充分利用烟气中水蒸气的气化潜热和利用二次辐射装置提高炉内的辐射热传。

1）加大炉膛 对于有除灰层（双层布置）的锅炉改燃气时，可以把炉膛向下加大，增加水冷壁和尾部受热面以提高出力。

2）加设水冷壁 燃煤锅炉一般炉膛容积都比较大。改燃气后增大燃气量，在燃烧上不会有困难。同时可以利用燃煤时比较大的炉膛容积，适当增加炉内的辐射受热面。例如，一些燃煤锅炉根据燃烧要求炉墙上没有敷设水冷壁，改造成燃气锅炉可加敷设水冷壁；还可装设双面曝光的水冷壁及屏式受热面，在不增大锅炉的体积的前提下提高锅炉的出力。

3）适当提高烟速 改烧天燃气后，对流受热面烟速不受飞灰磨损条件限制，因而可适当提高烟速。例如，可以加多烟程、增设烟流挡板等，提高对流受热面的传热系数，在不增加锅炉受热面的情况下，使锅炉出力明显增加。

4）充分利用烟气中水蒸气的气化潜热 燃气燃烧后烟气中水蒸气的含量，要比燃烟煤时要多1倍左右，比无烟煤多3倍左右，充分利用这一部分水蒸气的气化潜热是提高燃气利用率的有效措施。在有热水供应负荷的地方，增设用烟气直接接触加热水的省煤器，可以使锅炉的热效率提高到90%～96%（按煤气的高热值计算）。

为了提高热水温度，可以把这种省煤器与表面式省煤器或加热器联合使用。当煤气中含硫较高时，应对接触加热后的水品质进行仔细分析，确认无害后方可采用。

5）利用二次辐射装置提高炉内的辐射热传 采用层燃方式的燃煤锅炉，有一个燃烧着的燃料层，在炉内形成强烈的辐射，但是锅炉燃气时火焰辐射能力较低，为此可以采取适当措施增强炉内的辐射热传。

对中小型锅炉而言，目前比较有效的办法是采用辐射式燃烧器和在炉内设置二次辐射装置。在辐射式燃烧器和二次辐射装置的传热过程中，高温烟气以对流和辐射的方式（主要是对流的方式）把热量传给辐射面，使辐射面温度很快升高到800～1 300℃；高温辐射面再以辐射的方式把热量传给炉内受热面。

1.3 根据项目的具体情况确定方案

为了使改造后的燃气锅炉能够在较佳的状态下运行，改造前应对改造项目进行必要的热力和阻力计算，并对改造后所需要的燃气量辐射和对流受热面的吸热比例、对流受热面的烟气流速等进行热力计算。

一些和锅筒、集箱连接的受热面的改造还需要对机械强度进行核算。改造方案还要根据项目的具体情况确定。

1）新建项目的结构简化 如果燃煤锅炉在安装使用之前就决定改为燃气锅炉，那么锅炉的结构和布置允许根据燃气的特点做比较大的修改，特别对那些散装出厂的锅炉，项目不需要安装燃煤、运煤和除灰设备；一些中小型锅炉的改造项目，为了简化锅炉房的结构和方便操作，可以采用单层布置，取消原燃煤的除灰层，层燃锅炉的前后拱管束在安装时应改为垂直管束。未布置水冷壁的炉墙可加设水冷壁。燃煤时烟道部分的落灰斗、吹灰器等设备在燃气时可不装。

2）尽量利用原锅炉的鼓（引）风机 对于已在使用的燃煤锅炉改燃气时，一般应拆除原有的燃烧设备，如给煤机、炉排等，但原锅炉的鼓（引）风机应尽量利用。

在锅炉出力有较大提高而原配鼓（引）风机的容量不够时，首先应考虑提高风机转速，以节省改装费用。这时燃烧器的容量，应考虑到改燃气后，锅炉出力可以明显提高的普遍情况，一般可按鼓（引）风机的能力反算燃气量，燃烧器的空气阻力，不应超过鼓风机所能提供的压头。如果锅炉原有的前后拱管束无法改为垂直管，那么至少应去掉拱管束上的挂砖，增加吸热量。

3）尽量保留原燃煤设施 当燃气供应不可靠，需要考虑锅炉留有重新燃煤的余地时，新建锅炉应尽量按燃煤的要求布置和安装；已经在用的锅炉，也应尽量保留原燃煤设施，选择适当的方式满足燃气的要求。

2 几种燃煤锅炉的改造方案

目前大量在运的中小层燃型燃煤锅炉，主要有立式锅炉、卧式火管及水火管燃煤锅炉、D型水管锅炉和双锅筒纵置式O型锅炉几种，它们的结构特点不同改造的方案也不同。除了立式锅炉，其他几种锅炉的改造要拆除煤斗，保留链条炉排，只在链条炉排上铺设二层耐火砖，燃后用耐火水泥将砖缝压实，构成燃油燃气锅炉的干炉底。防焦箱用耐火砖和耐火水泥包覆。

改造一定要结合燃油燃气热力及烟风阻力的科学计算，决定燃油、燃气锅炉的出力以及送（引）风机的能力，并根据烟风道的阻力大小来确定燃烧机。用于改造的气体燃烧器可以是鼓风式全自动控制燃烧机、简易的多级引射式燃烧机或者分体式燃烧机。选择鼓风式全自动控制燃烧机，如果引风机的能力足以克服烟风道的阻力，一般可以拆除送风机。

采用简易的多级引射式燃烧机，应配备含有高温点火、火焰监测、熄火保护等的控制装置。选用分体式（实际上是不含送风机的燃烧头）燃烧机，送风机可以留用并向两侧面燃烧机送风，不过原有的送风机有较大余量，因此必须核准送风量。燃煤锅炉改成燃气锅炉后，应把流管束内的烟灰、锅炉炉膛内水管表面的煤灰清除干净；还要把水侧的水垢清洗干净，提高锅炉受热面的传热能力。正压和负压燃烧的燃油燃气锅炉应特别注意和外界的密封。

2.1 单炉排立式锅炉

单炉排（C）LSG和（C）LSS是一种立式水管固定单炉排锅炉，采用负压燃烧。这种锅炉有一个高度不大的圆筒形炉膛，炉膛容积比较小，对流受热面为横水管，没有改造的余地，不过炉排下有一个用耐火水泥砌筑的除灰室，可以安装燃烧器。根据燃烧器的安装方法不同，（C）LSG单炉排锅炉可以有三种改造方案，见图1。

图1 （C）LSG单炉排锅的燃气改造方案

1）采用多级喷射式火焰可调式引射燃烧器采用多级喷射式火焰可调式引射燃烧器，同时可配备含有高能点火、火焰监测、熄火保护的控制装置。改造拆除固定式铸铁炉排及其炉排支撑构件：当火焰尺寸较小时，燃烧器可水平布置，见图1（a）；当火焰尺寸较大时燃烧器和水平面成一小角度，见图1（b）。采用水平布置，将除灰室添至一定高度，并放置两层耐火砖，上方的一层耐火砖可比锅炉水冷面的低100 mm，以利于火焰扩展，保持火焰中心和炉拱合理距离以形成回焰燃烧，充分利用炉拱的折焰和二次辐射作用。炉门用耐火砖封闭。采用斜向布置，除灰室要求加砌耐火砖衬，并于C处适当布置一些耐火砖碎块，充分利用炉拱的火焰反射作用，以强化炉内传热；下炉门C的对面开设燃烧器门。

2）采用无焰辐射式燃烧器 如果燃气的气源压力在中压以上，可以采用无焰辐射式燃烧器，见图1（c）；同时配备含有高温点火、火焰监测、熄火保护的控制装置。采用这种燃烧器，火焰和炉烘的距离基本不受影响；炉膛热强度比较高。改造后炉门A和B用耐火砖封闭；除灰口C可以敞开，亦可进行二次风的调节。

2.2 卧式火管及水火管燃煤锅炉

WNL、DZG和DZL型锅炉等卧式火管及水管—火管组合型锅炉一般为快装式，容量1.0～4.0 t／h，额定蒸汽压力一般为0.7 MPa或者1.25 MPa。炉膛内由锅筒（上面）和水管组成水冷壁（两侧），前后墙没有水冷壁；锅炉的对流受热面是装在锅筒内的两回程烟管；尾部还可加设省煤器或空气预热器；配有鼓风机和引风机。这些锅炉通常采用手烧固定炉排或链条炉排，也有装设振动炉排的。其中DZL锅炉是一种卧式水、火管燃煤锅炉，目前应用得最多，因此本文重点介绍此种锅炉的改造。根据结构特点将这种锅炉改为外燃式燃气锅炉，可以减少改造的工作量，图2是锅炉改造方案的示意图。

图2 DZL燃煤锅炉改为燃气锅炉的方案

改造工作是拆除煤斗和螺旋除渣机。

1）如果锅炉炉膛空间较大，可以不拆除链条炉排，只在链条炉排上铺设二层耐火砖，燃后用耐火水泥将砖缝压实。

2）如果锅炉炉膛空间较小，火焰直径较大，应拆除链条炉排，并将风室下移一定尺寸或连风室一起拆除。将灰室用耐火砖砌筑，在底座和锅炉的支架之间建立密封严实的耐火干炉底。原来的检查门可改作防爆门或留做检查门。燃烧器口开在锅炉的前墙上，前拱可以保留，向下延至炉底，外端面用16 mm以上钢板作为掮板并作为耐火砖和保温材料的基础板，安装时用以固定燃烧机。

3）如果锅炉的长度比火焰长度长，可以在锅炉的炉膛内设置二次反射拱，用以提高燃油燃气锅炉的辐射强度，图2中反射拱应上接锅筒，下连干炉底。

DZL型锅炉炉膛比较小，锅炉锅筒的下部受火焰灼烧后，容易结垢形成鼓包，新型卧式DZL型水／火管快装燃煤锅炉锅筒的下部采用耐火砖包覆，减少锅炉炉膛的辐射受热面，因此锅炉管束占据了一定的炉膛空间，炉膛的空间净宽度较小，因此燃烧器不可能布置在侧墙上，燃烧器接口一般应布置在锅炉的前墙上。

为了增大锅炉炉膛的容积，锅炉原有的后拱应该拆除，但是前拱可以保留并向下延至炉底。前拱外端面用16 mm以上的钢板作为护板并作为耐火砖和保温材料的基础板，也有利于燃烧器安装时用以固定燃烧器。

2.3 D型水管锅炉

D型锅炉的炉膛四壁一般均匀布置水冷壁管，其中一侧水冷壁管直接引入上锅筒，形成炉顶，犹如“D”字。在对流烟道中设置烟气隔板，可以组织烟气流对管束进行二回程横向冲刷。烟气隔板一般采用垂直布置。D型锅炉一般都具有燃气锅炉的结构特征，因此将D型燃煤锅炉改造成燃油燃气锅炉的方案比较简单。为了减少改造工作量，SZL“D”型燃煤锅炉改为燃气后成为SZS“D”型。D型锅炉改造成燃气锅炉，改造措施除了与上述改造项目相近处理外，还要根据本身的特点进行一些不同的改造。例如：为了增大炉膛的容积，可以将后拱管和两上下集箱的连接处割断，再将管接头用堵板封住，上面用耐火砖和耐火水泥密封严实，而附在后拱管上的耐火材料可以全部打掉。在锅炉的后墙增设检查门，根据现场实际情况需要亦可将检查门一同改做防爆门。燃烧机的安装接口处的水管应换成带预留燃烧机口的弯管。根据情况和锅炉容量，布置一台到两台燃烧机，以保证足够的热功率。

根据现场实际情况，可以增加原燃煤锅炉的出力，充分发挥送引风机的工作潜力，此时应相应地对汽水分离等设备进行扩容。

2.4 双锅筒纵置式O型锅炉

双锅筒纵置式O型锅炉炉膛在前，对流管束在后。在正面看，居中的纵置双锅筒间的对流管束，恰呈O字形状。当燃烧设备采用链条炉排时，按国家标准规定，应称为SZL型。

双锅筒纵置式O型锅炉的炉膛两侧布置有水冷壁，一般上锅筒为长锅筒，贯穿整个锅炉长度，水冷壁上端直接接入上锅筒，呈“人”字型联接；水冷壁下端分别接有下集箱，借下降管构成水的循环流动。上锅筒采用了长锅筒结构，在炉膛和对流管束之间的烟道中，设置了燃尽室；这是一个基本上不布置受热面的烟道空间，目的是为炉膛出来的烟气创造了一定温度的停留时间和较大的空间环境，使烟气中的可燃物得以继续燃尽，降低不完全燃烧损失。

“O”型SZL燃煤锅炉的炉膛为立置式，而炉膛出口又处在锅炉的上部，燃烧器的布置比较灵活可以布置在前墙；也可以布置在两侧墙。采用前墙布置时，火焰呈L型，炉内的火焰充满度比较差，但操作检修方便，管线和风道容易布置合理。前墙布置时，后拱管应该拆除，以保证锅炉炉膛有一定的火焰伸展长度。

燃尽室的后墙水冷壁管应向下延伸至炉排面，下面连接一下集箱以形成独立的水循环回路，亦可将燃尽室的后墙水冷壁管和切断的后拱管的下集箱连接。这样就可将燃尽室下移和原来的炉膛形成一个大炉膛，增加了沿火焰长度方向上的炉膛长度。当前墙采用两个燃烧机上下布置时，可以得到较好的炉膛充满度。改造模式基本保留炉膛和燃尽室的独立性，保留后拱管及其包覆的耐火材料。这种改造方式随稍加复杂，但符合燃烧天然气的火焰特征。

为了减少改造的工作量，可以把SZL“O”型燃煤锅炉改为SZS“O”型燃气锅炉。为了保证水循环的可靠性，改造可以保留后拱管和下集箱，或将与后拱管连接的下集箱向前移动，然后把后拱管缩短拉直改成和炉排面垂直的水冷壁管。如果将后拱管缩短拉直改成和炉排面垂直的水冷壁管，除灰室可以保留不动。在锅炉的燃尽室后面的转弯烟室后墙增设检查门或防爆门。燃烧器口开在锅炉的两侧墙上，侧墙水冷壁燃烧机的安装接口处的水管应换成带预留燃烧机口的弯管。

根据现场实际情况和锅炉容量，布置一台到两台燃烧机对冲或上下错开布置，以保证足够的热功率。改造工作还可以根据实际情况增加锅炉的出力，充分发挥送引风机的工作潜力，为此还要对汽水分离等设备进行扩容。

3 结语

鉴于我国能源结构的调整和对环境保护意识的提高，全国各大中型城市已开始强制推行清洁燃料供热和采暖。如不再批建燃煤锅炉，采用天然气锅炉等等，并已通过政府的一些优惠政策，要求限期将原有燃煤锅炉的单位对锅炉进行燃气改造。为了解决日益严重的环境污染问题，一方面，需要供热的新用户可以直接添置燃油燃气锅炉，另一方面可以将正在运行的中小型燃煤锅炉改造成燃油燃气。燃煤锅炉改造燃气锅炉最根本的要求应该是根据燃煤锅炉和燃气锅炉的不同特点对具体问题进行具体分析，既可获得良好的经济效益也可达到环保要求，特别是对原有燃煤锅炉的充分利用而不是更换弃之，本着环保节能和高效的理念，前景非常广阔。作者曾在余热余压综合利用及节能改造，工业炉窑的燃气改造等实践中，积累了丰富的经验。以上仅对工业和生活中常用的炉型改造做些介绍，此处展示的方案仅仅是很多改造方案中的一种，提供给大家仅作参考。