燃气锅炉低氮排放改造后运行问题剖析

孙 屾

(天津泰达热电能源管理有限公司 天津 300450)

0 引 言

天津市为切实改善生态环境质量，大幅降低氮氧化物排放量，打赢蓝天保卫战，市环保局明确作出分批实施全市燃气锅炉低氮改造计划，全面推动燃气锅炉低氮改造工作。2020年3月天津经济技术开发区管理委员会下发了《关于印发天津经济技术开发区2020年打赢蓝天保卫战实施方案的通知》，要求天津泰达热电能源管理有限公司热源二厂在2020年10月底前完成锅炉低氮改造，氮氧化物排放限值由原来的80 mg/Nm3降至30 mg/Nm3以下。本文对热源二厂低氮改造的方案选择、调试及运行过程中出现的问题及解决思路进行了阐述，总结了在环保达标要求下锅炉安全经济运行的经验。

1 热源二厂低氮改造选型及改造方案

天津泰达热电能源管理有限公司热源二厂现有2台35 t/h燃气蒸汽锅炉、2台29 MW燃气热水锅炉和2台58 MW燃气热水锅炉，可向用户提供1.6 MPa过热蒸汽和130℃一次网热水。在低氮改造前，热源二厂燃气锅炉在原燃烧器+FGR模式下氮氧化物排放可以稳定达到80 mg/Nm3以下。为稳定达到30 mg/Nm3以下，目前适用于燃气锅炉的降氮技术主要有2种：一种采用低氮燃烧器+烟气外循环系统，简称FGR；另一种采用直燃型低氮燃烧器的烟气内循环系统，简称FIR。目前应用较为广泛且技术较为成熟的是低氮燃烧器+FGR系统，该系统在FGR投用时可以达到氮氧化物排放小于30 mg/Nm3并稳定运行，如果关闭FGR仅靠低氮燃烧器自身调节，氮氧化物排放也可达到50 mg/Nm3以下。只采用低氮燃烧器的FIR系统，目前在小型模块炉的应用技术较成熟，对于大吨位的供热锅炉近几年也有产品出现，其原理为自由射流和分级燃烧，利用压缩空气做配风，实现烟气内循环。由于热源二厂在改造前已有安装完成的FGR管道，采用FGR烟气外循环技术对于现场改动最小，可降低投资成本，故此次改造选择低氮燃烧器+烟气外循环降氮技术(FGR技术)方案，可确保系统排出NOx的浓度小于30 mg/Nm3。

本次改造方案主要是将现有6台锅炉的燃烧器更换为低氮燃烧器，由于更换低氮燃烧器后需要更大的鼓风量，故需更换鼓风机并对其相关烟道、阀门进行改造，为避免烟气空气混合后带水，新增混烟箱并为热水锅炉新增空气预热器以及其他动力配电系统、自控系统改造。

蒸汽锅炉流程为：冷空气进入混烟箱与回流烟气混合后进入鼓风机，经鼓风机加压进入现有空气预热器加热后送入低氮燃烧器燃烧，回流烟气为锅炉节能器前高温烟气。工艺流程如图1所示。

图1 蒸汽锅炉改造方案工艺流程图Fig.1 Process flow chart of steam boiler transformation plan

热水锅炉流程为：冷空气经空气预热器加热后进入混烟箱，在混烟箱里与回流烟气混合后进入鼓风机，经鼓风机加压送入低氮燃烧器燃烧；热水锅炉的空气预热器热源为锅炉热网一次供水。工艺流程如图2所示。

图2 热水锅炉改造方案工艺流程图Fig.2 Process flow chart of hot water boiler transformation plan

2 低氮改造后出现的运行问题及解决思路

热源二厂由于其自身特殊性，6台锅炉通过共用烟道与烟囱连接，在多台炉共用的情况下，公共烟道气流扰动增加，加之尾部共用烟道过长造成烟阻增加，并且每台炉烟道挡板门不严，由此引发了一系列运行问题。

2.1 鼓风压力低达不到预定风压

在改造设计方案中，将所有鼓风机进行更换，鼓风机风压达到锅炉在额定负荷下所需克服各段阻力之和的1.2倍，风机压头或烟风总阻力(空气预热器进风口至空气预热器烟气出口)蒸汽炉≤11 kPa，29 MW热水炉≤10 kPa，58 MW热水炉≤11 kPa，原有鼓风机不能满足改造要求，故将原35 t/h蒸汽锅炉和29 MW热水锅炉的132 kW风机更换为185 kW，原58 MW热水锅炉的280 kW风机更换为350 kW，提高风量、风压。当6台锅炉全部满负荷运行时总烟气量约30万Nm3/h，按照烟气温度70℃计算，烟道内烟气流速约为10.5 m/s，可以满足设计要求。但二厂汇流烟道过长，且锅炉规模跨度较大，因此存在互相扰流的情况，在实际运行中鼓风机压头不能完全克服系统阻力，尤其在经过新改造的低氮燃烧器后，压降原设计为2～3 kPa，实际运行中达到7 kPa以上，造成了锅炉不能满出力运行，并且由于更换了较大功率的鼓风机，锅炉炉膛压力较改造前同负荷情况下升高，对原有附属部件承压能力均有一定影响，如排水水封、防爆门等。

解决方案如图3所示。

图3 锅炉解决方案工艺流程图Fig.3 Process flow chart of boiler solution

①系统不更改，鼓风机更换。更换压头风量更大的鼓风机，此方法是最直接、最有效的解决方法，但经过低氮改造后，锅炉振动明显增大，尤其针对燃烧器处压降增大的问题，更换更大的鼓风机有进一步增加锅炉振动的风险。

②改造成双风机系统。由于鼓风机压头和风量不能满足运行出力，可以增加1台耐高温循环风机，一方面可以增加进入燃烧器的压头，另一方面可以减少尾部烟道的扰动，但受限于风机室面积，选地较为困难。

③在公共系统中增加1台共用引风机。由于公共烟道气流扰动的影响，在6台炉共同运行的情况下，尾部烟阻增加，增加引风机可以有效增加尾部烟道压头，减少由于停运锅炉尾部烟道挡板门不严造成的漏风现象，此种改造最为可行。

2.2 烟道挡板门不严造成风道冷凝水严重

低氮改造过程中，因回流烟气中带有部分水蒸气，在与空气混合后温度低于其露点温度，会有大量冷凝水析出腐蚀风道、风机等设备，影响系统运行的稳定性，因此在空气进风口增加空气预热器与混烟箱，空气预热器热源采用锅炉一次网供水，使空气升温后使其与烟气混合后的温度高于露点温度，可以避免混合烟气的冷凝结露现象。但在实际运行中外界气温较低时，停运锅炉由于烟道挡板门不严、再循环阀不严造成鼓风风道内有大量冷凝水，风机吹扫后造成锅炉点火枪有水，锅炉点火困难。

解决方法：烟道挡板门不严是行业较为普遍的一个现象，可以采取在烟气再循环阀后加装手动阀的方法，在锅炉停运后手动关闭烟气再循环手动阀，可以减少鼓风风道内的冷凝水，保证点火成功率。

2.3 回流烟气对于经济性的影响

影响锅炉效率的主要因素有：排烟温度热损失、散热损失、燃料不完全燃烧等。由于燃烧器改造后散热损失及锅炉结构与改造前相比未发生改变，低氮改造对锅炉热效率产生影响的因素主要有2个，即排烟温度热损失与燃料的不完全燃烧程度。

对于改造锅炉，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。一些文献指出，由于对流换热量增加量不足以弥补辐射换热量减小量，锅炉总体效率下降，根据锅炉炉型和运行工况，一般锅炉效率下降0.5%～4.5%。表1、表2为热源二厂2号炉的运行监测数据对比。

表1 改造前不同工况下运行单耗Tab.1 Operating unit consumption under different working conditions before transformation

表2 改造后不同工况下运行单耗Tab.2 Operating unit consumption under different working conditions after transformation

表2 配套后的涂膜性能指标Tab.2 Performance index of coating film after matching

据低氮改造前后运行数据对比来看，改造前负荷在70%～90%之间，氧量控制在5%～6%之间，排烟温度在60℃以下时燃气单耗较好，改造后负荷在80%～90%之间，氧量控制在6%～7%之间，排烟温度在70℃以下时燃气单耗较好。从数据上看，低氮改造后排烟温度比改造前排烟温度高10～15℃。排烟温度升高即燃料在炉膛内与对流管束的传热量降低，所以为满足目前已有热负荷，需要增加一定的燃气供给量进行燃烧。为了使氮氧化物在全负荷均能达到排放限值以下，提升了点火段的燃气量，并且为避免事故的发生，对FGR投运时间也有一定要求，当锅炉运行正常稳定后，才能逐步开启烟气再循环系统。通过数据比较，改造后燃气单耗较改造前增加1.48%。并且改造后，因排放指标下降，回流烟气量增加、风机容量加大，耗气量、耗电量会随之增加。

2.4 CO对于运行安全性的影响

考虑回流烟气中如若存在CO气体会对锅炉运行造成安全隐患，因此在每台炉的回流烟道增加了CO监测。根据改造后情况反馈，2020年整个供暖季回流烟道CO监测数值基本为0，该期间也出现过某个负荷段监测数据出现CO的情况，同时烟囱出口氧含量异常降低(降至2%左右)，随着调试及运行人员的细化调整基本解决。只要合理控制风气配比，即可解决锅炉排烟中含有CO的问题。

2.5 烟道漏风对排放数值的影响

炉膛尾部出口处氮氧化物排放量与烟囱处测得的氮氧化物排放量应该是一致的，但在实际运行时出现这两处测点排放数值不同，烟囱处测得的氧含量偏高，氮氧化物排放量也相应偏高，原因为停运锅炉烟道挡板门不严存在漏风现象及烟温变化造成氮氧化物排放量发生变化。二厂在处理时也请了多方检测机构经过多次校核，尽管氮氧化物可以达标，但和炉膛尾部出口处依然存在一定差距。

3 结 语

本次低氮改造后，氮氧化物排放浓度可以满足30 mg/Nm3的排放限值要求，社会效益、环保效益显著。对于低氮燃烧器+烟气外循环系统的改造来说，改造实质是通过降低炉膛温度，使氮氧化物排放量降低。烟气再循环可以减少70%的NOx生成，且随着再循环比例的增加，NOx降低幅度也更加明显，改造是成功的。但本次低氮改造后也出现了一些问题，燃烧状态和锅炉效率也受到一定程度的影响，部分问题随着调试基本解决，还有一些需要淡季锅炉全部停运后通过改造解决。■