燃气热水锅炉供热系统节能减排措施及效果探究

张佳敏

(太原市热力集团有限责任公司,山西 太原 030032)

近年来,国内经济建设迅速发展,锅炉设备已广泛应用于现代工业各生产、生活领域,成为发展国民经济的重要热工设备。随着我国工业现代化和城镇化快速推进,油气资源开发力度在持续扩大,燃气锅炉的投产比例呈现日益扩张态势,在国家倡行节能降耗、环保减排工作要求前提下,可通过调整产业结构和采取必要的节能减排措施来提高清洁能源利用效率,优化产能途径,实现供热可持续环保型发展。

1 合理调整运行方式

1.1 基于最优空燃比运行,优化燃烧效果

在开放的环境下,随着室外温度的变化,气压随之发生变化,从而导致空气密度发生变化,室外温度与空气密度对照表见表1。室外温度升高,气压减小,空气密度减小;室外温度降低,气压增大,空气密度增大,一定体积空气中的含氧量则会不同。燃料燃烧本质上是燃料与空气中的氧气发生化学反应,因此室外温度阶段性幅差变化势必导致支持燃烧的空燃比发生变化,偏离最佳运行工况的空燃比将诱使锅炉实际运行热效率下降,能耗增加,烟气排放超标等情况。

表1 室外温度与干空气密度对照表

任何地方气压都在随着时间的变化而改变,既包含周期性变化,也包含非周期性变化,所谓周期性变化是指气压随时间的改变而呈现规律性波动,昼夜之内的日变化情况,最高值出现在上午9点—10点,之后气压开始下降,到下午15点—16点出现一天中气压的最低值,之后气压又开始缓慢上升,到晚上21点—22点再现一天中气压的次高值,次日凌晨3点—4点则出现次低值;所谓非周期性变化是指气压变化受气象骤变影响,不存在固定的周期。实际的气压变化是两种变化因素综合作用的结果。以热负荷与最优含氧量曲线为标准,见图1,通过综合考虑室外气温、气压、空气湿度、火焰稳定情况、烟气含氧量、烟气NOx含量、锅炉效率等因素,根据属地冬季严寒期一天中室外气温及气压波动规律,拟定四套各负荷段位空燃比参数设置数据库方案并编入BMS控制系统程序,基于烟气含氧量均维持最优状态,实现不停炉安全自动互切。

通过运行期间高效负荷段位分时段切换及实时工况和能耗比对分析,见表2,求证此运行方式可一定程度提高锅炉运行热效率,达到节能降耗、优化排放的目的。

表2 定值空燃比与最优空燃比运行实时工况及能耗比对分析表

1.2 合理分配锅炉及配套辅机系统出力,靶向节能降耗

泵的扬程H是指单位重量流体通过泵所获得的有效能量,在单位时间内通过泵的流体所获得的总能量叫有效功率,以符号Ne(kW)表示,Ne=γQH/1 000,而风机的全压P是指单位体积气体通过风机所获得的有效能量,所以其Ne=QP/1 000,其中,γ为被输送流体的容重,N/m3;Q为流量,m3/s;H为扬程,m;P为压头,N/m2。

泵或风机的性能参数都是针对某一特定转速nm来说的,当实际运行转速n与nm不同时,可用相似律求出新的性能参数。相似律可表达为Q/Qm=n/nm,H/Hm=(n/nm)2,N/Nm=(n/nm)3,通过公式可直观体现出采取加大泵或风机转速n来提高流量的同时,原动机所需功率与转数成三次方比例陡增。

当锅炉“低负荷”运行时,消耗的燃气量减少,炉内温度相对较低,由此导致燃烧工况变差,加大了气体不完全燃烧热损失,锅炉热效率将下降;同样,当锅炉“超高负荷”运行时,消耗的燃气量增多,导致炉内温度升高,排烟温度随之升高,加大了排烟热损失,锅炉热效率亦将受到影响。同样的热量产送能力,在确保单台锅炉处于高热效率负荷区间运行工况下,锅炉拟定运行台数与配套辅机设备电耗大小关系颇大,N台锅炉“中高负荷”高效运行比N-1台锅炉“高负荷”高效运行配套辅机设备节电量甚为可观。以某燃气调峰热源厂采暖季运行实际为例分析,该热源厂供热系统单台燃气热水锅炉额定热功率116 MW,配套鼓风机设备参数为Q=190 000 m3/h,P=10 000 Pa,N=800 kW,水系统循环泵设备参数为Q=1 900 m3/h,H=80 m,N=630 kW,严寒期调峰供热期间,外网供热面积不变时,根据室外温度阶段性变化规律,在满足辖区热用户热量需求,且室温达标,体感舒适前提下,择取3个不同室外温度节点进行比对分析研判,在锅炉总产热量接近的运行状态下,4台锅炉“中高负荷”运行比3台锅炉“高负荷”运行大功率辅机设备耗电量少,3台锅炉“中高负荷”运行比2台锅炉“高负荷”运行大功率辅机设备耗电量少,且单台锅炉均处高效区,具体运行工况及能耗数据统计见表3[1]。

表3 锅炉辅机设备运行电量节超分析统计表

因燃气热水锅炉炉膛辐射受热面为致密排布的膜式水冷壁围护结构,阻抗偏大,为有效匹配沿程及局部阻力损失,防止局部气化造成爆管停炉事故,循环系统提供流量须满足单台锅炉接近额定流量运行,为此得出结论,在鼓风机有效功耗高于循环泵有效功耗前提下,鼓风机节约电量整体高于循环泵超耗电量,节超分析利于节能降耗,且单台锅炉运行更稳定、安全。

2 冷凝水余热回收利用

2.1 冷凝水的生成及危害

燃气锅炉以天然气为燃料助燃,其主要成分为甲烷,占天然气体积百分比90%以上,另含有少量的乙烷、丙烷和非烃类气体等,甲烷与空气中的O2反应生成CO2和H2O,天然气燃烧产物烟气中主要成分为CO2,N2,H2O和过剩O2,同时还含有NOx,CO,SO2等其他气体。另外天然气和助燃空气中也含有一定的水分,所以烟气中的水分由两部分构成,一部分由化学反应生成,占冷凝水的绝大部分,另一部分由天然气和助燃空气带入。

烟气露点指的是烟气中水蒸气开始凝结时的温度,低于露点温度水蒸气即冷凝成水,且冷凝水的形成取决于气流截面温度及流态分布,正常情况下,烟气流经受热面对流管束和烟道时,芯流温度最高,管壁或烟道壁面温度最低,冷凝水最先贴壁产生,当芯流温度低于露点时,气流截面将均出现冷凝。在燃气锅炉实际运行中,锅炉本体烟窗出口烟气温度高于水蒸气的露点温度,烟气中的水蒸气主要在受热面对流管束尾部及节能器中冷凝成水[2-3]。

冷凝水产生后应及时排放或深度处理回收利用,若疏水不畅,冷凝水在烟道局部结构长期积聚,极易因酸腐蚀和电化学析氢、吸氧腐蚀而导致受热面壁厚减薄、强度减弱,生成的腐蚀产物Fe2O3(俗称铁锈)和Fe3O4(俗称磁性氧化铁)沉淀,久之将造成对流烟管堵塞,从而弱化烟气流通截面积,增加烟气流通沿程阻力,进而增加鼓风机运转动力电耗。且冷凝水在烟道积聚,若因烟道施焊不连续或减震补偿软连接密封不严,可能会渗透进保温材料中,保温材料长期浸透冷凝水会加速其老化变形,保温效果势必减弱,进而导致锅炉烟风系统散热损失增加。

2.2 冷凝水的深度处理回收利用

运行期间冷凝水的产生是不可避免的,偏酸属性的冷凝水若直接排入市政污水管道,其携带的热量不仅未被有效利用而损失,同时也造成了水资源的无端浪费及污水水质的进一步恶化,然而经过冷凝水回收利用处理系统深度处理(耐腐蚀潜污泵提升回收→石英砂过滤器除砂过滤→氨水、环己胺等碱化剂pH调节→冷凝水箱曝气装置处理→增压泵增压→锰砂过滤器截留吸附、除铁除锰,异色、异味处理→软化罐钙、镁离子去除软化处理)水质达标后,可直接补充热网水量损失,且冷凝水水温明显高于正常市政自来水经软化处理后的软水水温,接近于热网循环回水温度,依Q=cmΔt(其中,c为水的比热容,J/(kg·℃);m为冷凝水质量,kg;Δt为不同水源补水温差,℃),由此温差换得热量后,可一定程度减少回水经炉膛膜式水冷壁辐射及对流筒对流换热常规热量需求,有效节余天然气耗量。采暖季某燃气调峰热源厂经周期性数据采集,核算统计情况见表4,表5。

表4 冷凝水深度处理回收利用气、水节能核算统计表

表5 冷凝水深度处理回收利用电、盐能耗核算统计表

燃气公司提供天然气组分色谱分析记录表燃气低位发热量为8 168.53 kcal/Nm3,由于烟气排放前,燃烧产物中的水蒸气部分已在锅炉对流筒尾部及节能器中形成冷凝,考虑潜热释放,设定负荷段燃气发热量均按8 413.59 kcal/Nm3计。

冷凝水深度处理回收利用既节约了水资源也捕获了其自身携带的热量,相较处理系统设备能耗情况,总体节能效益甚为可观。但由于热网补水时间不呈规律性,经深度处理的冷凝水送入软化水箱部分时段可能处于静置状态,势必存在温降,其蓄积的热量利用率不免打折;再则,冷凝水属蒸馏水,其溶解性总固体含量很低,而锅炉水质溶解性总固体含量越高排污频次也越高,由此可见,利用冷凝水为热网补水可以有效减少锅炉排污频次,一定意义上也可节省锅炉系统燃气及水的耗量[4-5]。

3 燃烧器降低NOx排放升级改造

供热行业燃气锅炉市场普遍应用的燃烧器是把燃料和空气以一定空燃配比及流速喷入炉内,使其在炉内进行良好的混合以保证燃料及时着火和迅速完全地燃烧,在配合启动烟气外循环系统FGR工况条件下,燃烧产物烟气中NOx排放含量亦在30 mg/Nm3以上,虽达到属地燃气锅炉NOx排放不大于50 mg/Nm3标准,但运行期间受大气环境污染适控指标强制性要求,部分阶段须配合环保监管部门政治任务执行30 mg/Nm3以下NOx排放,在安全范围内适度越限调控外循环烟气比率,折损锅炉出力前提下也难以满足超低氮排放要求,环保减排很大程度上受限。

某燃气调峰热源厂锅炉升级改造选配美国柘科FreeJet超低NOx排放燃烧器,该设计带有燃烧烟气自由射流和分级燃烧技术,可以在不使用烟气外循环系统的情况下达到超低NOx排放。燃烧器炉膛内部由中心燃气枪CFG,FreeJet燃气集环和分级燃料FreeJet燃气集环三级火焰支持燃烧,中心燃气枪导管连接并通过可产生低漩涡的旋流器,旋叶设计有CFG喷嘴孔,使得初级燃烧稳定而可靠,由于中心燃气枪处于助燃空气气流的中心,过剩空气富氧环境一定程度冷却了中心火焰,低负荷燃烧时可有效降低热力型NOx产生;FreeJet一级和二级燃气集环在标准燃料喷射技术基础上定向升级改造后,其特殊喷嘴设计有效利用流体力学燃料气体降压增速的射流能量,使得燃料在喷出燃料孔时获得较大的动量,通过文丘里结构原理局部负压带吸入燃烧产物CO2惰性气体稀释燃气,诱使炉膛内部FIR自身烟气内循环,从而降低燃料低位热值,燃气在没有完全燃烧前夹带烟气预混喷入炉膛,产生一个燃料低氧区域,在该区域火焰表面氧浓度被稀释,燃料进行一次低氧燃烧热能释放,降低燃烧火焰温度,热力型NOx产生能力随之降低,二次冷富氧燃烧时冷却一次燃烧烃类化合物温度,在富氧冷态环境中燃烧速率和燃烧温度有效降低,亦可降低NOx生成,且优化控制火焰尺寸,满足锅炉炉膛结构苛刻设计要求,从燃烧器升级改造中实现贫氧一次燃烧和冷富氧二次燃烧控制热转换NOx生成理念[6-7]。

该FreeJet燃烧器设计采用高度惰性气体(烟气混合物)和高温炉膛环境来稳定燃烧火焰,在位于耐火砖分层突出部位低压区域,当火焰稳定时,燃烧工况也是稳定的,燃烧过程中耐火砖蓄积储存热量,从而保证火焰持续稳定。燃烧前,炉膛通常没有燃料仅积聚常态空气,氧量体积占比约21%,运行过程中炉膛含氧量一般维持2%～3%,为确保燃烧器从氧量约21%启动阶段安全平稳过渡到2%～3%中、高负荷高效运行阶段,燃烧器结构件设计有稳定作用的凸起部位,既能够保证燃料自射流和低氧预燃功能,又能够保证燃料燃烧的稳定性,且在无需独立烟气外循环系统FGR支持低氮排放,烟气含氧量基于3%运行工况下,NOx排放值可长期低于30 mg/Nm3,通过运行期间持续观测及数据收集整理、分析比对研判,实际印证燃气锅炉烟气排放连续在线监测反馈NOx排放值基本维持在25 mg/Nm3左右,在实现超低氮排放的同时,也根本上节余了烟气外循环风机动力电耗并能有效防止助燃空气中外烟气循环后水雾和助燃空气过饱和度的出现,凸显出节能减排的重要性[8-9]。

4 结语

节能减排是新形势下深入贯彻落实科学发展观的必然要求,是建设资源节约型、环境友好型社会的关键举措,现如今,我国经济增长速度虽势如破竹,但粗放型增长模式尚未根本改变,经济增长的同时附带着很大的弊病代价付出,有限的资源和脆弱的自然环境已经成为制约社会良性发展的瓶颈,靠大量消耗资源和恶化环境来维持经济快速增长的模式已然难以为继,我们必须增强忧患和危机意识,本着对未来可持续发展高度负责的态度,深刻认识节能减排工作的重要性,切实狠抓落实,力求长期见效。