基于烟气再循环的燃气锅炉运行安全及检验重点分析

陈湘清，陈镇南，汤国乐，李美姣，梁桢

（湖南省特种设备检验检测研究院，湖南 长沙 410000）

氮氧化物是PM2.5产生的前体物质，加强对氮氧化物排放的治理有助于净化环境，保证城市环境的生态可持续发展。有研究表明，如果燃气锅炉的NOx排放标准从150mg/m3下降到30mg/m3及以下，当供暖季燃烧天然气时，每0.7MW所形成的氮氧化合物就会减少0.178t，所以，抑制燃气锅炉氮氧化合物的排放是目前环保工作的首要任务之一，并且是社会发展的现实要求。

目前，国内外已经有多种低氮燃烧控制技术，以合理优化燃料与助燃空气的混合过程、控制炉膛局部高温为目的，通过分级燃烧、浓淡燃烧、催化燃烧、预混燃烧和烟气再循环或者各类技术耦合等为技术手段，能够实现有效降低NOx的生成。长沙市燃气锅炉低氮改造工作主要应用了分级燃烧、烟气再循环、预混燃烧三种低氮燃烧控制技术，改造方式通过更换低氮燃烧器、增加烟气再循环系统、整体更换低氮锅炉进行。

本文将结合燃气锅炉低氮改造后的监督检验和定期检验工作，对基于烟气再循环的燃气锅炉运行安全风险问题加以分析，并提出锅炉检验过程应关注的重点。

1 基于烟气再循环（FGR）加分级燃烧的技术原理

分级燃烧或者烟气再循环都属于低NOx燃烧控制技术，若单独使用其降氮效果虽较常规燃烧方式有明显降低，但不足以满足日趋严格的排放标准要求。为了平衡燃烧效率与排放特性，在实际应用中往往将这两种技术手段联合使用，不仅降低了炉内燃烧温度，同时也降低了氧气的分压，从而使热力型NOx在原有的基础上进一步降低，以达到NOx排放在标准限值要求以内。该项技术在有效减弱NOx生成的同时CO也几乎不产生，因此至今被广泛使用。有学者研究发现分级燃烧加烟气再循环可以减少70%的NOx生成，其中对NOx控制效果起关键作用的是循环烟气量，循环量从安全和经济两方面考虑一般在10%～30%之间。

分级燃烧+烟气再循环（FGR）的联合应用方式可以广泛应用于燃气锅炉的新建或改造项目。这种技术方式工程实施可行性较强，仅需更换采用分级燃烧的低氮燃烧器，再加装一根烟气循环管道，且仅有一次投资费用，运行维护费用低。在设备选型时，应对改造锅炉的基本情况（炉膛尺寸、背压等参数）与燃烧器性能的匹配情况进行综合分析，充分预判各类因素对于改造结果的影响。这种方式偏适用于较大型燃气锅炉低氮改造，承压锅炉低氮改造一般优先选择此种方式实施。在实际应用中，这种方案主要存在冷凝水多影响火焰监测器正常工作、烟气再循环率不当引起“喘振”甚至脱火、锅炉出力有所降低，NOx排放不稳定等负面影响。

2 低氮改造后锅炉运行安全风险问题分析

2.1 冷凝水污染

烟气再循环技术把烟气自烟道引回炉膛，烟气通过回流管，热量持续消散同时凝结析出冷凝水。大量的实践经验表明，天然气锅炉烟气中水蒸气凝结温度为30～60℃，天然气燃烧主要生成水和二氧化碳，根据计算可得烟气中含水量大约为18%。经过对改造前、后锅炉运行情况的对比分析，发现烟气外循环会带来大量的水蒸气进入风道和鼓风机，主要存在以下问题：（1）在烟气回流管和风机中凝结成水，在温度较低的地区甚至凝结成冰，造成风道内送风面积减少，影响燃烧器正常供风。（2）部分烟气回流管材质为普通碳钢，长期处于带弱酸性的冷凝水中，容易腐蚀生锈，导致回流烟气伺服电机的转轴不能正常运转，甚至带弱酸性与铁锈的凝结水被吹进燃烧器，使得燃烧器的金属配件与电控设备受污染侵蚀，严重影响到燃烧器的安全运行。针对冷凝水污染现象，当燃气锅炉应用烟气再循环技术时，需要对再循环烟气温度进行严格控制，必要情况下可以考虑FGR管路加保温、设计管道坡度且预留冷凝水排放口以及新风预热。

2.2 点火异常和故障停机

低氮改造后，运行过程中燃烧器与锅炉本体易出现振动，对燃烧器主要配件的稳定运行会有一定影响，可能会偏离设定位置，导致燃烧器有时会出现点火不顺利，严重时甚至发生喘振和爆燃现象。另外，燃烧器电控元器件易被冷凝水污染，其绝缘与接地性能都会被影响，难以保证燃烧器稳定运行，尤其是当冷凝水污染火检元件，将使燃烧情况被误判，导致燃烧器发生故障停机。因此建议将常用的光管式熄火保护改成电极式熄火保护装置或对火检元件采取加装防护罩或冷却风装置等措施。燃气锅炉低氮燃烧器需要定期调试，经常性维护保养，确保烟气再循环率和空燃比均处于合理的运行区间的才能确保稳定高效运转。

2.3 燃烧不充分

锅炉低氮改造后，由于低氮燃烧器安装位置或角度的偏差，会出现火焰冲刷受热面的问题；或者由于调试不当，燃烧火焰尺寸太大，直接接触炉胆内壁，在低温作用下燃气不能充分燃烧，从而形成积炭，影响锅炉安全运行和使用寿命。改造项目排放抽查发现，部分项目出现CO排放不达标现象，经过再次调试后排放可达标。分析得出，随着不同生产负荷需求和环境温度、空气密度、烟囱抽力等因素变化，燃气、空气、回烟三者之间的相对平衡会改变，导致CO排放不稳定。因此，需要根据生产负荷和环境因素变化不断调试燃烧器工作特性，使之持续处于稳定高效的运行状态。

2.4 设备振动异常

低氮改造过程中应用FGR技术，就是把部分回流烟气与新风混合后重新送入炉膛参与燃烧，通过烟气中的水蒸气、氮气及二氧化碳冷却火焰，同时抑制燃气顺利燃烧与传播。此项技术不仅可以阻碍NOx形成，还能让燃气的火焰传播速度下降，从而增加燃烧难度，燃烧稳定性也会随着烟气再循环率增加而降低，尤其是注入的烟气若不能快速均匀混合，将会令一些区域出现火焰熄灭与反复点燃现象，导致压力波动剧烈，造成设备异常振动，当火焰脉动频率与炉体或烟风道振动频率相同时，炉体或烟风道会产生强烈共振现象。另外，FGR技术也会让锅炉烟气总量有所增加，燃烧器调试不当可能会让风机偏离稳定工作区，导致运转出现噪音与喘振。因此，在锅炉设计时就应该考虑投入FGR对锅炉稳定性造成的影响。一般对燃烧器采取调整配风、优化燃烧头等方法提高燃烧器火焰的稳定性，减少脉动。

2.5 燃烧器未定期维护保养

燃气锅炉低氮改造后，低氮燃烧器的维护保养工作至关重要，其维护保养的频次和要求比常规燃烧器也更严格。FGR技术存在的安全隐患主要在：（1）由于回流烟气冷凝水对火焰监测器的污染，造成熄火保护装置失效或频繁动作，导致燃烧器点火失败。在锅炉运行期间应经常性对火焰监测器检查清理，确保其功能灵敏可靠。（2）烟气冷凝水溶解少量CO2气体后，呈现弱酸性，对锅炉金属受热面和再循环烟管产生腐蚀作用，腐蚀产物容易在底部聚集堵塞冷凝水泄放管，导致不能及时排出冷凝水，影响燃烧器正常工作。（3）由于更换了低氮燃烧器并增加了烟气再循环系统，对锅炉房环境提出了更高的要求，需要定期校验可燃气体泄漏报警仪探头，并进行泄漏报警联动试验，确保一次探头监测准确，通风系统联动可靠。

2.6 保护装置未可靠联锁

燃气锅炉低氮改造后应确保燃烧器和锅炉各项安全联锁保护功能并入控制系统，实际改造项目中存在安全保护功能漏项，安全隐患很大。个别燃烧器技术人员在安装调试过程中，由于工作疏忽或责任心不强，并没有把燃烧器与锅炉所有的安全联锁保护功能并入锅炉控制系统，仅对燃烧器部分联锁保护实现安全联锁，未有效连接锅炉温度、压力、水位等参数超限的安全联锁保护。甚至还有人为屏蔽燃气阀组检漏功能、随意调整燃气高压保护开关等危险性操作，使锅炉运行存在严重的安全隐患。

3 低氮改造后锅炉检验重点

燃气锅炉低氮改造重点关注改造后安全性能、运行效率与排放浓度是否符合安全技术规范与相关标准的要求。《特种设备目录》范围内的燃气锅炉低氮改造绝大部分采用的分级燃烧加烟气外循环的低氮燃烧技术，本文从以下两个方面分析低氮改造完成后的检验关注重点。

3.1 监督检验关注重点

（1）告知程序。更换低氮燃烧器的项目，应当按重大修理的规定履行施工告知程序且及时向当地特检机构申请监督检验。

（2）低氮燃烧器选型与锅炉匹配性。燃烧器配套选型是热能设备高效、安全运行的基础，且直接影响系统运行的经济性。燃烧器应当由锅炉制造单位根据锅炉结构和燃料特性等因素选配。低氮改造施工方案中应明确燃烧器选型的合理性分析和计算过程，应确保燃烧器额定功率应与锅炉出力相匹配，且能克服锅炉烟风阻力，燃烧器火焰的几何尺寸与锅炉燃烧室相匹配。

（3）燃烧器主要配件型号的符合性。燃烧器的制造或者供应单位应当提供有效的燃烧器型式试验证书和报告，检验时应重点检查燃烧器型式试验证书相关信息与实物是否一致，若不一致应提供型式试验机构出具的主要配件变更安全性说明。

（4）安全联锁保护功能完整有效性。低氮改造完成后，燃烧器控制系统应并联燃气锅炉控制系统，燃气压力、空气流量、火焰故障、燃气阀门泄漏、与锅炉有关的压力、水位、温度等参数超限等安全联锁保护功能应完整有效。

（5）燃烧器性能调试。燃烧器调试人员应具备一定专业能力和同类型设备的调试经验。调试完成后应出具燃烧器调试报告，报告中至少应包含点火安全时间、熄火安全时间、前后吹扫时间、点火燃气压力、燃烧器工作特性曲线等内容。

3.2 定期检验关注重点

（1）停炉内检。内部检验是在停炉状态下，对锅炉设备本身的安全状况和性能进行的检验。由于低氮改造后对流受热面进出口温度比原设计温度有所提高，因此内部检验应重点检查烟气侧回燃室及回燃室管板、前后管板、烟管等受压部件是否有变形、过热、裂纹、结垢等缺陷。

（2）运行外检。外部检验是在锅炉运行状态下，对锅炉使用管理状况进行的检验。主要通过见证功能性试验验证锅炉水位、蒸汽压力、熄火保护等安全联锁功能的完整有效性。另外，应重点关注使用单位是否按照维护保养的要求，认真落实各项维保措施，包括定期检查燃料供应和供风系统、冷凝水的排放情况，火焰监测装置的清理、燃气泄漏报警仪的检定情况等内容。

4 结语

在当前严峻的节能减排形势下，长沙市已完成燃气锅炉低氮改造工作。这项工作专业性很强，以基于烟气再循环的扩散式燃烧器为例，在低氮改造后调试和运行过程中陆续出现了一些安全风险问题，燃气锅炉和燃烧器的制造、销售、安装、调试和使用单位应转变解决思路，实施相应对策，相关职能部门也应履职尽责，共同努力促使燃气锅炉在安全稳定的情况下，达到经济高效、清洁低氮的应用效果。