FGR技术对燃气工业锅炉额定出力及热效率的影响分析

李冬屹，郑桂红，许崇涛，张宝祥

(天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192)

燃气工业锅炉燃烧后会产生大量的氮氧化物(NOx)，而NOx是形成酸雨的重要因素，可直接影响大气环境及人体健康，且NOx经过复杂的化学反应后还会导致PM2.5浓度升高，从而加重雾霾程度、增加雾霾出现的频率。随着人们环保意识的提高，燃气工业锅炉烟气中NOx对环境的危害越来越受到重视，天津市地方标准给予了严格的低氮排放要求，全天津市开始了如火如荼的低氮改造工作。然而在低氮改造过程中完全是以NOx的排放指标作为衡量改造的标准，忽略了低氮改造对锅炉额定出力及热效率的影响[1]，而安全、节能、环保是锅炉三项最重要的指标，缺一不可。本文结合现场锅炉能效的实测数据，具体分析采用不同形式进行烟气再循环(flue gas recirculation，FGR)低氮改造的燃气工业锅炉额定出力及热效率受到的影响。

1 低氮改造技术介绍

1.1 燃气锅炉NOx的生成原理

燃气工业锅炉燃烧过程中产生的NOx主要分为热力型、快速型及燃料型。

1)热力型NOx。高温(1 300 ℃以上)燃烧时，空气中的氮与氧反应生成NOx。热力型NOx受到燃烧温度、氧气浓度及火焰停留时间3个因素的影响，燃烧温度越高、氧气浓度越高、燃烧停留时间越久，NOx生成速度越快，且温度在高于1 500 ℃时，NOx的生成速度呈指数级增长。

2)快速型NOx。在富燃料区的火焰燃烧锋面上，燃料挥发物中碳氢化合物与空气中的氮反应生成HCN和N，由这些物质再进一步反应生成NOx。因其生成速度极快，故称快速型NOx。

3)燃料型NOx。燃料型NOx是由燃料中的含氮化合物经过高温分解等一系列化学过程产生的[2]。

燃气工业锅炉炉膛燃烧温度通常高于1 300 ℃[3]，而快速型NOx的生成温度通常低于1 300 ℃，因此快速型NOx不作为本文研究的重点。燃气工业锅炉采用天然气作为燃料，天然气中基本不含氮，所以燃料型NOx也不在研究范围内。因此，燃气工业锅炉低氮改造的目标主要是降低热力型NOx的排放。

1.2 目前常用的低氮改造技术介绍

低氮改造技术主要是在锅炉进风口和出风口进行，对燃烧热效应和尾部烟气排放两个方面进行处理。对于燃气工业锅炉，对燃烧热效应的改造是常见的工艺技术，而根据NOx生成原理，想要合理控制NOx的排放，控制燃烧过程的温度和时间才是最重要的，即空气燃料比、燃烧区温度及分布、后燃烧区的冷却程度和燃烧机性状设计。目前，分级燃烧、燃烧器预混燃烧及FGR技术，是常见的3种低氮改造技术[4]。

分级燃烧是将空气和燃料分级送入炉膛内燃烧的技术，这样会在炉膛尾部形成一个还原区，可将部分NOx还原成N2，从而减少烟气中NOx的含量。

燃烧器预混燃烧是在燃烧器中预先将燃料与空气按一定比例混合，之后送入炉膛内燃烧，可对燃烧温度进行控制，从而减少热力型NOx的生成。

FGR技术是将燃烧产生的部分烟气，循环送回炉膛内燃烧区或送回燃烧器前与空气混合后再送入燃烧器继续参与燃烧的一种技术，其可降低燃烧温度及氧气浓度，从而降低热力型NOx的生成。

3种低氮改造技术中，分级燃烧需要较大的燃烧空间，不适用于燃气工业锅炉；燃烧器预混燃烧火焰稳定性较差，回火控制不好容易产生爆燃[5]，且该燃烧方式主要用在小吨位锅炉；FGR技术改造方便、安全性高、适用范围广，因而目前FGR技术在低氮改造中被广泛采用和认可。FGR技术对于降低烟气中氮氧化物的含量有显著的作用，经数值模拟及实测证明可有效降低烟气中热力型NOx的浓度，但采用不同形式的FGR技术对锅炉进行低氮改造后，锅炉的额定出力及热效率是否会受到影响，目前还没有具体的研究。

1.3 采用不同形式进行FGR技术改造的锅炉测试具体情况介绍

天津市特种设备监督检验技术研究院分别对两台不同型号、采用不同形式进行FGR技术改造的燃气工业锅炉进行了能效测试。两台锅炉具体情况如下：

1)型号为SZS29-1.6/130/70-Q的燃气热水锅炉，装有两级节能器，在FGR系统烟道上单独装有引风机，FGR系统开启或关闭状态下对排烟处过量空气系数基本无影响；

2)型号为SZS20-1.25-Q的燃气蒸汽锅炉，装有一级节能器，在FGR系统烟道上未单独加装引风机，仅靠燃烧器鼓风机引入再循环烟气送入炉膛，FGR系统开启后会降低排烟处过量空气系数。

在不同工况下对这两台锅炉进行多次能效测试，每种工况都分为FGR系统开启及关闭两种情况，从而得到不同工况下、FGR系统开启前后的不同数据。根据测试数据，分析采用不同形式的FGR技术及FGR系统开启前后对锅炉额定出力及热效率的影响[6]。图1～图3为现场测试情况照片。

2 FGR技术对锅炉额定出力的影响

锅炉出力是锅炉本体及锅炉冷凝器有效吸收热量之和，是能效测试中的一项重要指标[7]。因而采用FGR技术之后，锅炉是否还能达到额定工况下的出力，是首先要研究的问题。对型号为SZS29-1.6/130/70-Q的燃气热水锅炉进行额定负荷工况下的定型能效测试，采用此次测试的数据对锅炉出力情况进行分析。

图1 测试现场1

图2 测试现场2

图3 测试现场3

热水锅炉出力Q计算公式为:

(1)

式中：G为热水锅炉循环水量；hcs为热水锅炉出水焓；hjs为热水锅炉回水焓。

由式(1)可知，Q仅与G，hcs，hjs有关。表1是在额定工况下进行定型能效测试时测得的锅炉出力相关数据，分别在FGR系统开启及关闭状态下进行数据采集。

表1 额定工况下系统开启前后两工况的测试数据

从表1可以看出，FGR系统开启前后，锅炉额定工况下的出力并没有明显改变，因而采用FGR技术改造锅炉并不会对锅炉额定工况下的出力产生明显影响。

3 FGR技术对锅炉热效率的影响

一般对锅炉热效率的计算均采用反平衡方式。

反平衡热效率η计算公式为：

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6+q7)

(2)

式中：q2为排烟热损失；q3为气体不完全燃烧热损失；q4为固体不完全燃烧热损失；q5为散热损失；q6为灰渣物理热损失；q7为石灰石脱硫热损失。

对于燃气锅炉，q4，q6，q7均为零，因而燃气锅炉反平衡热效率仅考虑q2，q3，q5的影响。其中：

(3)

式中：m，n为计算系数，对于燃气锅炉，m=0.5，n=3.45；αpy为排烟处过量空气系数；tpy为排烟温度，℃；tlk为入炉冷空气温度，℃。

因燃气锅炉无固体燃料，q4为零，q2仅与αpy、tpy、tlk有关。q3与一氧化碳(CO)的含量有关，q5与锅炉吨位及运行热负荷有关。

3.1 FGR技术对热水锅炉热效率的影响

两种负荷运行工况下在热水锅炉现场测试时测得的相关数据见表2，3。

表2 满负荷运行工况下系统开启前后相关数据

表3 78%负荷运行工况下系统开启前后相关数据

由表可知，该锅炉满负荷及78%负荷运行工况下的热效率与FGR系统开启与否关系不大。但该锅炉装有两级节能器，烟气经过两级节能器后温度降到50 ℃左右，极大释放了汽化潜热，或许会对FGR技术对热效率的改变作用产生一定的影响。

因而在78%负荷运行工况下对该锅炉额外采集了两组数据——FGR系统开启前后的炉膛温度、节能器入口的烟气温度，并用该炉膛温度及其他数据计算出了节能器入口对应的锅炉热效率，见表4。

表4 忽略节能器影响测得的相关数据及锅炉热效率

由表可知，FGR系统开启之后，即采用FGR技术改造之后，炉膛温度大幅降低，从而降低了炉膛内受热面的换热效率，而节能器入口的烟气温度大幅上升，锅炉热效率降低了1.2%。由此可见，采用FGR技术对锅炉进行改造，锅炉热效率明显降低。

目前我国天然气价格相对昂贵，对于大中型燃气锅炉供热站来说，热效率降低1.2%会造成极大的经济损失。节能器的存在，可以弱化FGR对锅炉热效率的降低作用。本文采用FGR技术改造前后的锅炉热效率分别为90.46%及89.36%，但通过两级节能器之后，节能器出口处锅炉热效率分别提高到96.09%及96.08%，两者并无明显区别。因而通过加装多级节能器，可以忽视FGR对锅炉热效率的影响，避免了因热效率降低所带来的经济损失，但每多加装一级节能器，其本身造价及电耗都会增加，因此如何平衡锅炉热效率与造价之间的关系，是今后研究的重点。

3.2 FGR技术对蒸汽锅炉热效率的影响

该蒸汽锅炉不同负荷运行工况下测试所得数据见表5。

由表可知，FGR系统开启之后，热效率会有一定的提升，在40%负荷运行工况下热效率提升最为明显，从系统开启前的94.01%提升至94.31%。

表5 不同负荷运行工况下系统开启前后相关数据

蒸汽锅炉排烟温度较高，在经过节能器后，该锅炉排烟温度仍高于露点温度，因而可以不用考虑汽化潜热问题。由此可见，采用FGR技术改造后，该锅炉的热效率有略微提升。

3.3 FGR 技术对两台锅炉热效率影响的分析

型号为 SZS29-1.6/130/70-Q 的燃气热水锅炉，在不考虑烟气通过节能器大量释放汽化潜热的情况下，经FGR 技术改造之后，降低了锅炉热效率。而对型号为 SZS20-1.25-Q 的燃气蒸汽锅炉，在无释放汽化潜热的情况下，经FGR 技术改造之后，锅炉热效率有略微提升。前文中已介绍，这两台锅炉采用了不同的 FGR 技术改造方式：在烟气再循环烟道上单独装有引风机，排烟处过量空气系数基本无影响；在烟气再循环烟道上没有单独加装引风机，会降低排烟处过量空气系数。可以看出，不同的 FGR 技术改造方式，会对排烟处过量空气系数产生影响，对锅炉热效率也有一定的影响，因此在烟气循环烟道加装引风机，可以达到降低排烟处过量尾气排放的目标。

4 结束语

本文通过对不同锅炉、不同工况下的能效测试数据进行分析，计算得出不同改造形式的FGR技术对锅炉热效率有不同的影响。对于热水锅炉，在节能器处存在大量汽化潜热释放过程的情况下，可忽略FGR技术对锅炉热效率的影响；对于蒸汽锅炉，一般不存在汽化潜热释放的过程，因而尽量选用单风机的FGR技术改造方式，可以降低排烟处过量空气系数，从而降低锅炉热效率。这样可在保证FGR技术降低NOx排放的同时，减少其对锅炉热效率的影响。