供热燃气锅炉低氮改造的分析

何文凯 蔡金辉 洪玮鑫

上海申能奉贤热电有限公司

0 引言

根据上海市人民政府办公厅发布的“关于印发《上海市清洁空气行动计划（2018-2022年）》的通知”，为持续改善本市环境空气质量，降低大气PM2．5浓度，完成《上海市清洁空气行动计划（2018-2022年）》和《上海市人民政府办公厅关于加快推进本市中小锅炉提标改造工作的实施意见的通知》（沪府办规〔2018〕33号），全市相关企业开展了提标改造项目以降低排放。

1 现状调查

根据《上海市经济信息化委、市环保局关于加快推进中小燃气（油）锅炉提标改造工作的通知》（沪经信节〔2018〕571号）、《关于做好上海市中小锅炉提标改造专项支持资金申报审核工作的通知》（沪经信节〔2019〕2号）的相关要求，上海市经信委公开数据《第一批上海市中小燃气（油）锅炉提标改造财政奖励拟支持项目名单》显示共有2 169台锅炉完成低氮改造，总量7 003．75 t/h，改造企业935家，占全市总的中小锅炉数的39．5%，上海市拟支持金额合计22 092．12万元，配套各区总的拟支持金额合计22 092．12万元，目前各区正在筹措资金。

本批改造清单中所有完成低氮改造的燃气锅炉吨位分布见图1。改造主要采取更换低氮燃烧器、锅炉和末端改造[1]三种，具体分布占比见图2。其中，72．49%的锅炉采用更换低氮燃烧器的方式完成提标工作。容量10 t以上的103台燃气锅炉，更换锅炉的有6台、末端改造的有5台，其余的92台更换燃烧器，占比高达89．32%。显然，吨位越大的锅炉由于其建造成本高，更倾向于更换燃烧器。

各企业对投入提标改造项目的资金量很是关注，投入资金的多少在很大程度上影响企业参与改造的积极性。通过对现有已实施项目的数据分析，得出资金使用与企业数分布图，见图3。

图1 低氮改造锅炉吨位分布图

图2 低氮改造方式分布图

图3 资金使用与企业数分布图

投入10万元以下的企业占比36．46%，10万～20万元的占比24．09%，20万～50万元的占比30．60%，以上三类企业总占比达91．15%，加上上海市政府、区政府的补贴比例，大部分企业的改造投入资金是可承受的。在后续其他省市推广政策制定中，上海市的补贴比例提供了可靠的参考依据。

2 项目实施

公司现有中小燃气锅炉五台，其中，星火开发区应急热源布置三台，型号为SZS50-1．5/250-Y/Q、SZS50-2．6/250-Y/Q、SZS50-2．6/300-Y/Q 50 t/h，厂区启动锅炉房布置两台，型号为SZS25-2．6/240-Y/Q 25 t/h。燃气蒸汽锅炉基础NOx排放为80 mg/m3左右，需要通过提标改造降低至50 mg/m3以下[2]。

NOx排放的控制可通过抑制热力型和燃料型的NOx[3]来实现。当燃料为天然气时，由于天然气氮含量较低，热力型的NOx是唯一可在实际中被控制的成分。燃烧修正通过降低火焰温度来实现，对降低热力型NOx是最为有效的。

通过综合评定，决定采用更换低氮燃烧器+烟气外循环的技术路线，在实现低氮燃烧烟气内循环的前提下，辅助烟气外循环。通过掺混烟气至空气中降低了助燃空气中氧的浓度，从而降低燃烧火焰温度200℃，抑制热力型NOx产生[4]，将NOx的排放浓度降低了30 mg/m3，使总的排放浓度达到上海市排放标准50 mg/m3以下，最优值可达到28 mg/m3。由此可见，燃气锅炉NOx排放浓度仍具有进一步降低的潜力可挖。

3 改造过程中的注意事项

3.1 燃烧器的选型

将现有锅炉燃烧器更换为低氮型燃烧器以改善炉膛内烟气内循环。燃烧器选型要考虑以下4点。

1）燃烧火焰长度、宽度、刚度尺寸是否与炉膛尺寸相匹配、深入炉膛内部尺寸是否匹配烟气内循环要求，因为燃烧器火焰过大会造成水冷壁直接接触火焰而受损。以本项目50 t/h燃气锅炉为例，炉膛尺寸长11 520 mm，宽2 600 mm，高2 600 mm，燃烧器选型时核对燃烧火焰试验参数，并与锅炉制造厂沟通取得技术匹配的认可；

2）现有前墙受热面对安装尺寸的适配程度。采用烟气内循环的燃烧器需要深入一定的长度，让火焰根部形成稳定的回流区以提高燃烧稳定性；

3）燃烧器风道、燃气管道、点火电极、PLC等接口是否匹配，有差异的需要在生产前沟通清楚；

4）燃烧器阀组型号能否重复利用，并匹配新的燃烧器控制系统。

3.2 燃烧器的更换

燃烧器的更换要注意：燃烧器法兰螺栓孔与原有锅炉前面板螺栓孔是否匹配，防止燃烧器到场后装配不上；燃烧器固定完成后，要对燃烧器与锅炉前面板之间的间隙进行二次密封；燃气主管道开孔前一定要做好安全准备，彻底放空燃气管中的残余燃气，并用可燃气体报警器在放散管处测量无误后再进行开孔作业，防止出现燃气爆燃现象；燃烧器更换后，可能会出现原有燃烧器到控制柜之间的电缆（含电源线、控制线）不匹配现象，需要重新布线，以前的原有电缆大部分都是埋地的，如需新布线建议增设桥架，不破坏现有装修地面；燃烧器控制柜与锅炉控制柜之间的连接、锅炉控制柜与DCS监视系统的连接要充分考虑锅炉控制系统匹配的完整性和可靠性。

3.3 再循环风机的选型

再循环风机选型要核对再循环风机的风压、风量是否符合设计要求，原有配电系统由于电动机功率的增加，其出线分配是否需要改变。

3.4 再循环烟风道的要求

再循环烟风道要考虑：钢板材质、厚度是否符合设计要求；烟风道肋板规格、距离是否符合设计，防止震动产生噪音；再循环风道需埋地部分，要对预制风管进行煤油渗透试验以确认严密性，埋地钢板风道外部要做防腐；由于空气与富含水蒸气的烟气掺混，混风箱、风道需设置低位自动疏水、水封装置。

3.5 热控电气系统的要求

热控电气系统要考虑：敷设增加的控制及动力电缆是否满足现场设备的需求，同时根据烟气外循环系统对锅炉控制逻辑要求升级改造并进行相应的调整试验。

3.6 调试的要求

燃烧器的调试应在燃烧器制造单位或其授权单位的技术人员现场指导下进行，锅炉使用单位应确保无关人员不得在锅炉附近聚集；燃烧调整主要根据中心环开度、外环开度、鼓风机频率确定基本燃烧情况，参考值为烟气在线监测系统CO含量不超过10 mg/m3；辅助调节再循环风机频率、再循环风门开度、鼓风机开度来调节燃烧助燃风中氧含量、风燃比，以达到控制NOx排放值不超过50 mg/m3的目标；调试过程中要时时监测烟气成分、火焰形状和颜色，防止燃烧不稳定造成事故，监视烟气中氧含量浓度不低于2．0 mg/m3；调试结束时氧含量浓度推荐区间为2．0～4．0 mg/m3，这样既可保证冬夏季稳定燃烧，又能减少烟气热损失，从而保障锅炉热效率。

4 低氮改造的影响

4.1 锅炉热效率下降

由于炉膛燃烧温度降低、辐射换热减少、尾部烟气流量增加、对流换热量增加，锅炉整体效率存在降低的可能性。

4.2 燃烧器二次风门调节杆的选型

进口燃烧器通常是采用锁紧螺栓将二次风门调节杆锁紧设计，是常规风量风压下的标准调节方式。由于中国市场氮排放要求高，采用烟气外循环技术改造的项目为更好地降低氮化物排放，在选择风机时风量风压都要大于欧洲标准。此外，针对锁紧螺栓紧固方式不可靠问题，了解到二次风门调节精度不需过小，通常卡扣式的手柄固定装置就能将把手与刻度盘卡扣在一起做好固定，以避免风量风压过大时导致二次风门调节杆打滑的可能性，详见图4。

图4 燃烧器二次风门手柄设计比对

4.3 对燃烧的影响

燃烧调整结束后需再次确认火焰形状和颜色，确保火焰燃烧状况良好。杜绝燃烧不充分出现积炭现象。黑色可燃物积聚在炉膛底部、四面水冷壁会影响锅炉换热效率、减少锅炉出力，严重的会导致水冷壁流动变慢、局部管道过热，损伤到管道本体，可燃物积存还会形成爆燃隐患。

5 结论

本次提标低氮改造项目涉及蒸汽总吨位达200 t/h，总投入资金近700万元，整个项目经历了可研调查、设计、施工、调试直至竣工验收，最终实现了NOx排放从80 mg/m3降至50 mg/m3，运行最低值能降至28 mg/m3，说明该型锅炉通过提标改造，根据现有的低氮燃烧器、烟气外循环系统，配合燃烧调整等手段具备进一步降低排放的潜力。

对比国家标准中的NOx排放值，上海市的排放值已遥遥领先。本市“十三五”期间的低氮提标改造推广经验和项目实施具有很大的示范效应[5]，带动了设备厂家、服务商等上下游企业发展就业，有利于“十四五”期间全国范围内燃气锅炉低氮改造升级，促进绿色经济发展。