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上海“提标改造(低氮改造)示范”项目某工程实施案例技术分析

2018-10-10魏玉剑闫玉强

上海节能 2018年9期
关键词:分析测试燃烧器能效

李 宇 魏玉剑 苏 毅* 林 欣 揭 涛 闫玉强 魏 巍

1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所 2.上海市能效中心 3.上海工业锅炉研究所

关键字:提标改造示范;低氮燃气燃烧;烟气在线测量;烟气再循环

前言

自2017年始,由上海市能效中心牵头,组织相关政府职能部门、研发机构及设备生产单位共同就《上海市低氮排放标准》进行全面细致的调查研究,于2018年6月份颁布了上海市地方标准《DB31/387-2018锅炉大气污染物排放标准》。《新标准》要求以天然气为燃料、单台出力65t/h以下的蒸汽锅炉、热水锅炉及有机热载体锅炉的氮氧化物排放水平不高于50mg/Nm3。

在该标准确定之前,上海市能效中心组织各相关单位开展了低氮燃烧器(燃油、燃气)研发项目、低氮锅炉研发试验项目及低烧改造示范工程项目,以期从切实可靠的低氮燃烧技术研发成果和工程实施案例中取得可靠的标准制定依据,并在符合上海市当前经济发展和环保现状的基础上确定适宜的《氮氧化物排放标准》。

《低氮排放标准》拟定过程中,先后展开了两个阶段的示范工作。第一阶段,2017年1月~2017年12月,低氮改造示范项目启动。该阶段由上海市科学技术委员会科研计划项目(项目名称:工业锅炉氮氧货物排放控制关键技术与示范)的子课题承担单位:上海市能效中心、中国船舶重工集团公司第七一一研究所(以下简称“七一一所”)、上海工业锅炉研究所(以下简称“工锅所”)、上海市环境科学研究院大气研究所、同济大学、江苏双良锅炉公司先行进行低氮改造示范工程项目的执行,为后续的实施提供数据支撑。第二阶段,2018年1月~2018年12月,在第一阶段成功实施的经验及新标准颁布基础上,全市范围内进一步推进低氮改造示范工程项目,该阶段由上海市能效中心统筹部署,推动“在用中小燃油燃气锅炉提标改造(低氮改造)示范项目征选活动”,搭建了锅炉使用单位、改造服务企业及相关第三方环保检验检测机构的对接平台。并在第二阶段提标改造(低氮改造)过程中,落实低氮改造补贴政策的制定,为2019年~2020年期间上海地区所有在用中小锅炉低氮改造提供重要的推力。

1 工程案例情况简介

1.1 背景情况简介

在第一阶段,为响应上海市能效中心、上海青浦环保局的低氮改造示范项目的需求,相关锅炉使用单位积极配合参与了提标改造示范项目的活动。其中,威盛亚(上海)有限公司积极与七一一所、工锅所签订了一台10t/h蒸汽锅炉的低氮改造项目。

该项目中,七一一所负责低氮燃气燃烧器的设计供货及锅炉改造,以实现低于30mg/Nm3的NOx排放为最终目的。工锅所负责锅炉尾部烟气在线监测系统的设计供货及锅炉改造,以监测并上传烟气中各污染物的排放数值。整个项目由七一一所总承包执行,七一一所长期从事与燃料燃烧相关的装备设计研发与供货工作,在2016年年底前主要从事化工领域内燃用复杂组分燃料的低氮燃烧器研发设计供货的项目,自2017年始响应市场的需求,开始研发适用于中小工业锅炉的低氮燃烧器。

1.2 设备情况简介

威盛亚(上海)有限公司的10t/h蒸汽锅炉由上海四方锅炉厂生产,型号为SZS10-2.5-QT,锅炉效率为90%。原配一台燃油燃烧器,型号为SAACKE-SKVG80,该燃油燃烧器经改造后为燃气燃烧器,功率为7.7MW。

该SAACKE-SKVG80燃气燃烧器的污染物排放值NOx不达标,超过DB31/387-2014所规定的150mg/Nm3,其余污染物参数在排放限值之内。因污染物NOx排放不达标,威盛亚(上海)有限公司曾进入上海青浦区环保局重点关注名单,要求其及时整改。

2 提标改造实施情况

2.1 低氮改造措施

2.1.1 低氮燃烧技术机理

依据当前的主流研究成果,NOx主要有3种生成机制:燃料型NOx、快速型NOx、热力型NOx。

其中,燃料型NOx来源于燃料中的N元素在燃烧过程中与O2反应生成的NOx;快速型NOx的主要来源是气相中存在的碳氢离子基团与N2相互碰撞后直接生成含N化学组分(XN),而部分XN组分则会在N迁移转化机制中与O2生成NOx;热力型NOx则主要是在高温情况下,空气中的N2与O2反应生成NOx,该反应机制称为Zeldovich机理,根据研究工作的需要,一般分为简化的和扩展的Zeldovich机理,下述反应模型为扩展的Zeldovich机理。

在清洁优质的天然气燃烧过程中,NOx主要来源于热力型NOx,与温度呈指数相关性,在1 100℃以上,热力型NOx会急速上升。因此,当前低氮燃气燃烧器最主要的低氮燃烧措施之一是降低烟气温度[1-4]。

在具体实施过程中,则是通过火焰分割、燃料分级、空气分级、烟气再循环等诸多方式的组合以避免产生火焰高温区[5]。

2.1.2 低氮燃烧器技术方案

根据现场实际情况及业主的定制需求,七一一所提供整套采用烟气再循环的低氮燃气燃烧器(型号:齐耀-LTG100-FGR),其包含一套燃气阀组、风机、伺服电机、燃烧控制系统。整套系统由某国际品牌电子空燃比程序控制器驱动,并与现场原有燃气切断阀和调节阀配合成为完整的系统。

烟气再循环低氮燃气燃烧器技术方案如下:采用一台风机从空气中抽吸新鲜空气,并利用风机前的负压从炉膛尾部排烟管道抽吸排放烟气,二者在风机处进行充分混合后鼓入燃烧器。燃气通过燃烧器头部环形分布的燃气喷嘴注入炉膛。燃烧头部采用中心稳焰盘结构,燃气经由喷嘴结构使一部分燃气在中心稳焰盘处维持点火火源,大部分燃气沿径向方向喷入炉膛,与空气延迟混合从而避免产生火焰高温区。同时,在保持全负荷范围火焰稳定的情况下,选择较高的空气风速,使燃气的燃烧空间范围更广。

2.1.3 烟气在线分析测试方案

该项目中,上海工业锅炉研究所承担了烟气在线分析测试装置的研发。

烟气在线分析测试装置包括烟气预处理装置、NOx检测仪、氧量测量装置、温度测量装置、信号处理单元和信号输出单元、GPRS远程数据传送功能。装置通过NOx检测仪检测烟气中NOx浓度并传输信号至控制系统,当浓度值超过设定值时会发送报警信号至锅炉控制系统,锅炉控制人员根据报警信号及测量数据对燃烧工况进行调节,实现对NOx排放浓度实时监测并人为控制。此外,通过氧量测量装置监控排放烟气的含氧量,通过温度测量装置测量排烟温度,以上所得信号参数传送至信号处理单元。信号处理单元中的可编程控制器(PLC)植入根据TSG G0003—2010《业锅炉能效测试与评价规则》中编制的数学模型,进而计算出相关参数,如锅炉热效率、过量空气系数、排烟热损失、NOx测量值及折算值等参数。

烟气在线分析测试系统的主界面如图1所示。

图1 锅炉排放烟气在线分析测试系统主界面。

2.2 低氮改造结果

2.2.1 相关污染物排放

七一一所提供的齐耀-LTG100-FGR型燃气燃烧器于2017年11月份进场安装,先后进行了两轮调试。第一轮为燃烧器原厂状态下投运烟气再循环时的运行,其结果已满足所签订合同中对NOx排放值低于50 mg/Nm3的需求。为进一步发掘该型燃烧器的低氮排放能力,增加了循环烟气(Flue Gas Recycled,FGR)的百分比,然而在长期运行过程中会偶发燃烧不稳定导致的炉膛内压力波动现象。为此,七一一所对燃烧器进行了局部结构改进,强化了中心稳焰盘的稳焰能力。燃烧器原厂状态与改进状态的污染物典型排放结果见表1。从表1所示数据可知,在增加了FGR百分比和强化了中心稳焰盘的稳焰能力后,NOx的排放值能稳定在30 mg/Nm3以下。

表1 齐耀-LTG100-FGR低氮燃气燃烧器污染物排放表

2.2.2 烟气在线分析测试概况

烟气在线分析测试装置在研发过程中攻克了诸多工程应用难点:(1)各传感器对烟气若干组分瞬时浓度值响应曲线不同所带来的参数计算误差;(2)烟气预处理过程对烟气组分变化造成的影响;(3)传感器在长期运行中受其它因素影响带来的基准漂移;(4)不同浓度值范围内的测量误差补偿修正问题等。最终,通过逐步解决各项问题,得到了一套满足工程现场复杂环境下的成功解决方案。

3 小结

由七一一所主导执行的该低氮改造示范项目的成功实施,为上海市能效中心的后续工作提供了有力的技术数据及政策制定的基础,也为环保局监控环保政策执行情况提供了有力的技术支撑,对上海地区的中小锅炉提标改造(低氮改造)工作起到很好的借鉴作用。

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