燃气热水锅炉低氮改造工程的实例分析
2020-07-28刘俊洁西北政法大学后勤保障处陕西西安710122
刘俊洁(西北政法大学后勤保障处,陕西 西安 710122)
0 引言
随着治污降霾工作深化推进,普通燃气锅炉已不能满足现有环境标准要求。根据陕西省生态环境厅《关于燃气锅炉低氮改造控制标准的复函》(陕环函[2017]333 号)[1],新建锅炉氮氧化物排放浓度低于30mg/m3,在用锅炉氮氧化物排放浓度低于80mg/m3。标准出台后,各单位在用的燃气锅炉多数面临低氮排放改造的问题。
锅炉低氮燃烧改造主要有两种方式,一是加装低氮燃烧器,另一种是更换低氮排放的燃气锅炉,两种方式均可降低锅炉尾气中氮氧化物浓度,实现达标排放。由于加装低氮燃烧器的改造方式投资小、工程简单、技术较成熟,多数单位采用加装燃烧器的改造方式。
1 项目概况
西北政法大学长安校区东、西锅炉房共配置6 台浙江特富锅炉,其中4 台10.5MW 热水锅炉,型号为WNS10.5-1.0/95/70-Q,用于整个校区冬季供暖;2 台6t 蒸汽锅炉,型号为WNS6-1.25-Q,用于学生日常生活热水和食堂蒸汽,6 台锅炉均于2014年10月投运。改造前6 台锅炉氮氧化物排放浓度均在80mg/m3以上,拟更换美国布洛姆1530 系列低氮燃烧器+烟气再循环(FGR)技术进行改造,使其达到以下标准[2]和要求:(1)改造后NOx排放浓度稳定在30mg/m3以下,CO 排放浓度稳定在95mg/m3以下(基准氧含量3.5%);(2)NOx及CO 排放浓度在监测时,锅炉负荷应保持75%及以上,按热水锅炉耗气量100m3/h/MW;(3)改造后锅炉带负荷能力不能出现明显下降;(4)获得政府环保专项资金补助。
2 低氮燃烧技术介绍
目前,燃气锅炉采用的低氮燃烧技术多为以下三种:燃料预混燃烧控制技术、分级燃烧控制技术和烟气循环控制技术。根据一般工程经验,额定供热量7.0MW(额定蒸发量10t/h)及以上的在用锅炉,不建议采用燃料预混燃烧的改造方式[2]。近几年,各单位基本采用“低氮燃烧器+烟气再循环”组合方式,也是行业内普遍认为降氮效果好且成本较低的主流方案。
2.1 低氮燃烧器
低氮燃烧器内部,通过不同的列阵方式在横向和纵向布满喷嘴,将燃料和空气分级,进而在炉膛范围内,燃料的燃烧就会分布的更均匀。燃烧器的纵向上形成的分散燃烧区域,可以很好的避免热负荷过于集中,降低局部燃烧温度,从而有效地降低NOx排放浓度[3]。此外,更换燃烧器时,不仅要考虑实际运行时带荷能力,选择满足负荷能力和NOx排放标准的燃烧器,同时还需要比对在用锅炉的炉膛尺寸、炉膛结构、内外部连接方式及锅炉在不同负荷下的火焰长度、配风方式等因素。
2.2 烟气循环控制技术
烟气再循环技术分为炉外烟气外循环和炉内烟气内循环。烟气外循环的工作原理是回用烟道中一定量的高温饱和烟气,通过连接管道与锅炉机头鼓风机送风系统中的室温空气混合后进入燃烧器,降低燃烧速度、燃烧温度和进氧含量,从而降低NOx排放浓度[4];烟气内循环的工作原理是依靠燃气的高速喷射流速卷吸高温烟气,在炉内形成内回流,部分烟气会在燃烧器内再次被循环利用,从而降低NOx排放浓度。
3 改造方案及运行效果
3.1 改造方案
采用分级燃烧技术(空气分级、燃气分级、火焰分级)、烟气循环技术(FGR)及精准的燃烧控制技术进行低氮改造。
西北政法大学4 台10.5MW 燃气热水锅炉,型号为WNS10.5-1.0/95/70-Q,炉膛尺寸为Φ1600×14×5320,氮氧化物排放浓度在100~120mg/m3,改造选用美国布洛姆1530-037F 系列低氮燃烧器,低氮改造示意图如图1 所示。
2 台6t 燃气蒸汽锅炉,型号为WNS6-1.25-Q,炉膛尺寸为Φ976×12×3883,氮氧化物排放浓度在110~125mg/m3,改造选用美国布洛姆1530-016F 系列低氮燃烧器,低氮改造示意图如图2 所示。
(1)调整燃烧器安装尺寸。新更换的低氮燃烧器的安装口尺寸略大于原燃烧器,因此安装前对原锅炉炉墙开口尺寸进行扩口改造,并根据新的低氮燃烧器工作参数、火焰燃烧方式,重新核算锅炉炉膛内部受热面、内部耐热混凝土的热负荷能力及燃气供给管道走向。
(2)安装烟气再循环管道。从锅炉节能器后端的烟气管道上开口,安装烟气再循环管道,直至助燃风机。通过PLC 控制系统调节抽取的烟气量,与助燃风机送风系统中的室温空气混合后进入燃烧器。烟气再循环管道需做好保温,并在管道的转弯处加装冷凝水收集装置。
3.2 改造后运行效果
通过更换低氮燃烧器+烟气再循环的该种方案改造后,6 台锅炉负荷在75%及以上时,监测的氮氧化物排放浓度均在30mg/m3以内。2019年3月,环保局委托第三方检测公司对锅炉氮氧化物排放浓度进行复验,复验结果均达到30mg/m3以下的排放标准。
图1 10.5WM燃气热水锅炉改造示意图
图2 6t燃气蒸汽锅炉改造示意图
通过比较2017~2018年和2018~2019年两个供暖季热水锅炉运行耗气量,单位供暖面积的耗气量增加约为6%。
4 改造和运行中出现的问题及建议
西北政法大学长安校区6 台燃气锅炉于2018年10月30日改造完成,已通过主管部门验收。改造和运行过程中需要注意以下问题。
(1)燃烧器尺寸匹配问题。改造前,应确认新选用的燃烧器安装尺寸与锅炉炉墙的开口尺寸是否一致。如果不一致,需重新核定低氮燃烧器的供气参数、锅炉炉膛内部受热面、内部耐热混凝土的热负荷能力等参数是否与锅炉匹配,采取更换燃烧器、调整炉墙开口等措施,确保低氮燃烧器与锅炉紧密连接,不留隐患。
(2)燃烧状态不稳定。运行过程中,为降低NOx排放浓度,需要调整过量空气系数,但过量空气系数调整的过低时,锅炉整体的燃烧状态就不稳定,甚至会加速NOx的形成。因此,更换低氮燃烧器后,要重视锅炉本体与低氮燃烧器的调试工作,通过运行锅炉,以运行效果为导向,找到最佳燃烧状态,并记录相关参数,方便后期运管。
(3)冷凝水产生的影响。由于改造时在炉体外部加装烟气再循环管道,运行中会从烟道中抽取一定量的高温饱和烟气,当室温过低时,与锅炉机头鼓风机送风系统中的室温空气混合后,会形成冷凝水,过量的冷凝水析出会对燃烧器的正常运行产生不良影响。经观测研究发现,在12月、1月运行时,冷凝水产生量最大;3月起运行时,几乎不产生冷凝水。因此,建议在鼓风机吸风口前加装空气预热器,提高进风温度,降低循环烟气与进风温差[5],缓解冬季冷凝水对燃烧器的不利影响。
(4)噪音影响。改造前燃烧器的鼓声系统采用地埋式风道,进风口在炉体尾部,通过消音罩处理后,运行过程中产生的噪音影响很小。但改造后,加装的低氮燃烧器助燃风机一般设计在机头旁边,这就对消音装置提出了更高的要求。因此,在选择消音设施时,不仅要注重设施的消音、隔音效果,还要保证各类阀组及燃气管道便于维修。此外,风机在工作中会不断的震动,可能会对周边设备的基础产生影响,造成局部固定铆钉出现松动的现象,锅炉使用中需定期进行巡检维护。
(5)管线及阀组安装易于检修。锅炉属于一种能量转换设备,长期运行难免出现各种各样的故障。因此,改造过程中要格外注重设备设施维修的方便性和可操作性。燃烧器的助燃风机、燃起执行器、FGR 接口、各类阀门及燃气管道安装时,应充分考虑安装位置、数量、形式,方便后期锅炉维修拆卸。
此外,燃气供给管道需要调整时,禁止改造单位、施工单位和个人私自改动,应报由当地供气管理部门,由其组织实施。因此,施工组织时应提前做好外部衔接,以免延误工期。
5 结语
西北政法大学长安校区的6 台燃气锅炉通过更换低氮燃烧器改造,采用分级燃烧技术(空气分级、燃气分级、火焰分级)、烟气循环技术(FGR)实现氮氧化物排放浓度控制在30mg/m3以内,达到陕西省生态环境厅《关于燃气锅炉低氮改造控制标准的复函》(陕环函[2017]333 号)标准。本次锅炉低氮改造工程的实施,不仅促进了校园节能减排工作更上新台阶,同时也为营造绿色环保校园治、污降霾保卫蓝天工作做出重要贡献。