高效低氮冷凝燃气锅炉技术分析

2018-11-26刘林冲

重庆建筑 2018年11期

刘林冲

（山东新热源城市供热管理有限公司，山东邹城 273500）

0 引言

随着国家对大气污染治理的持续推进，公共机构对节能减排的重视，各省市将具体工作任务细化到了每个点，文件更是逐年得到加强和落实，重点支持燃气锅炉低氮改造[1]，鼓励发展低氮节能的技术路线。本文结合京津冀大气污染传输通道2+26城市中的邹城市进行实例分析。

1 全预混概述

全预混[2]是将所需空气和天然气预先按比例混合好，再送入燃烧室的燃烧方式（图1），是目前最安全、环保、节能的燃烧方式，其特点是火焰短，燃烧充分；热效率高达105%以上，热损失小；排烟温度低于60℃，PVC管材排烟，美国和加拿大有这方面相关标准（ANSI/ASTM/D1785 或D2665，ULC-S636)；结构紧凑，炉内水容积少，不足百升；整机设计小巧（图2），约是常规燃气锅炉占地面积的1/5，2万m2供热面积，只需约12m2锅炉房，噪音低于55dB。

图1 全预混变频

全预混技术描述如下：

（1）关于全预混燃烧几种不同的结构形式,常用的有多孔陶瓷板、双金属网、金属纤维燃烧器。

（2）关于全预混金属纤维燃烧器，是全预混后的空气和天然气进入燃烧室之后进行燃烧的器具，该燃气器具有安全无回火、热惯性小、耐高温、冷却快等优势，可以使天然气在充分燃烧的同时，降低空气的需求量，提高烟气的露点，使烟气尽早进入冷凝阶段，以进一步提高燃烧效率。

（3）关于利用金属纤维表面燃烧的蓝焰效应（图3），将火焰温度控制在850℃左右，可大幅度减少热力型氮氧化物产生；由于火焰径向燃烧，火焰长度小于100mm，燃烧速度极快，基本杜绝了快速型氮氧化物的产生，从而促使氮氧化物排放低于30mg/m2。

图2 冷凝锅炉

图3 蓝焰效应

我国一方面需要大量能源来保持经济的高速发展，一方面又要应对空气污染和气候变化。我国正努力保持两者之间的平衡关系。为应对全球气候变化，在1992年联合国大会通过了《联合国气候变化框架公约》。在近几年，我国更进一步细化了相关标准规程，针对大气污染治理的内容更加明细，比如燃煤治理方面：燃煤锅炉改造、散煤治理、煤炭清洁利用等；比如燃气锅炉治理方面：低氮改造等等。

2 高效变频在燃气锅炉控制系统中的应用

目前高效变频有四大特点：通过智能控制系统自动调节火焰大小来满足实际热负荷需求，根据负载的不同自动调整进入燃烧室的燃气和空气量[3]，比例精准地自动跟踪负载使燃烧过程保持最佳状态，输出从5%至100%实现曲线输出贴近实际需求。因此，在设定供热出水温度时，高效变频控制系统可以满足燃气锅炉频繁启停的要求，而不会卡顿，这对于供热企业具有很高的可行性。具体的应用包括以下几个方面：

2.1通过智能控制系统自动调节火焰大小来满足实际热负荷需求

当热用户短时间需要快速升温时，回水温度传感器会给到变频控制系统一个信号；变频系统调节输出功率，以求在最合理的时间内满足热用户供热需求。

2017年1月16日夜,山东省邹城市室外温度骤降至零下9℃，某敬老院供热（图4、图5）系统需要尽快提温，由于供热面积1万m2围护结构保温性差，原有设定供水温度55℃已经不能满足使用，办公室人员第一时间在控制面板调整出水温度至65℃，在调整完温度以后20min的时间里，回水温度由30℃飙升至45℃，保证了室温不低于20℃的要求。

图4 敬老院供热安装前

图5 敬老院供热安装中

正是因为变频系统响应迅速，同时较普通燃气锅炉水容积少，才使得末端用户升温快。

2.2根据负载的不同自动调整进入燃烧室的燃气和空气量

进入燃烧室的空气量不足或过多、天然气量不足或过多，都会引起点不着火或者点着立马就灭等情况出现，对此类情况就需要通过控制系统后台程序调整混合比，从而达到正常比例。

2016年12月25日，某中学锅炉操作面板显示故障代码5，多次调整混合比后，点火正常，但是火焰一直处于小火燃烧。当询问燃气公司后，得知天然气出现流量不足，不能满足使用，需要等几个小时（冬季气荒），该设备在遇到燃气流量低时具有可调节性。

2.3比例精准地自动跟踪负载使燃烧过程保持最佳状态

在实际供热中，由于气温是发生着变化的，所以锅炉回水温度也会发生变化，回水温控器会时刻给控制器传输信号，让其温度时刻保持在设定温度值。温度发生变化的过程，控制也随之调整，同步进行。

2.4输出从5%至100%实现曲线输出贴近实际需求

回水温度与控制器之间联动，进而输出功率呈现高低曲线的变化，这种变化对于天然气的消耗量起到了节能的作用。输出功率曲线如图6。

图6 输出功率曲线变化

3 氮氧化物危害及低氮技术

氮氧化物对环境有那些影响？NOx自身的污染、臭氧（O3）污染、酸沉降等问题，对人身健康、生产生活以及环境产生影响。作为生成臭氧（O3）的重要物质之一，与臭氧（O3）浓度和光化学污染紧密相关，排入大气中的氮氧化物（NOx）和二氧化硫会导致酸雨。酸雨落在地表，渗透到地下水，造成地表水和地下水富营养化、土壤酸化等生态系统失衡。在氮氧化物排放时要保证清洁生产生活，还要统筹考虑到环境保护。

3.1低氮技术

低氮技术主要包括：低氮燃烧技术和烟气脱硝技术。

低氮燃烧技术主要包括全预混表面燃烧、分级燃烧和烟气再循环等。

烟气脱硝技术主要包括选择性非催化还原法(SNCR)和选择性催化还原法(SCR)等。

4 冷凝技术及实例

具有独特热利用原理，充分利用燃烧过程中的显热和烟气中水蒸气凝结所释放的气化潜热，以提高锅炉整体热利用率，节约天然气，高效冷凝换热器是一些发达国家冷凝锅炉的主流配置。使排烟温度降至60℃以下，从原理上有效回收烟气中高温水蒸气的热量，锅炉热效率随冷凝排烟温度变化，热效率曲线变化如图7。

图7 锅炉热效率曲线变化

4.1天然气热值

天然气燃烧有两个热值，即高热值和低热值。低热值等于显热加潜热，显热是天然气燃烧时直接加热的热量，潜热是高温（高于100℃）烟气对从板换侧或房间侧循环回水预热释放的热量。如果100℃的排烟温度被锅炉低温循环回水吸收至低于60℃以下，所能释放的潜热是：水的比热容是4200J，即温度下降1℃，所释放4200J能量，100℃降低到60℃，所释放4200×（100－60）＝168000J，约占热效率的5%～8%，由于采用的是全预混燃烧技术，进而热效率即105%～108%[4]。普通燃气锅炉虽然具备低氮排放，但是由于不具备高效冷凝技术，在实际的供热运营中企业会因气价波动而面临亏损的风险。

4.2实例

以一台1MW锅炉为例：在相同一座城市，在相近的时间段，以出水温度为50℃，回水温度30℃，末端设施为风机盘管，带有燃气表的是排烟温度105℃，带有文字每天记录的是排烟温度55℃。图8燃气表中描述的是2016年10月5日9点36分至10点30分所消耗的燃气量为3359－3310=49方/时，图9文字记录描述的是2016年9月22日20点30分至22点所消耗燃气量为354－332=22方/时。前者是排烟温度过高，造成能源浪费；后者高效低氮冷凝是近三五年在中国市场出现的，该产品技术的出现是因为中国大面积的“煤改气”，供热运营企业在满足环保排放的情况下，还要考虑盈利，所以尝试接纳新技术新材料，安全高效节能的环保设备才得以推广应用。

图8 燃气表描述燃气量

图9 文字描述燃气量

5 在供热运营中的应用

高效低氮冷凝锅炉可单台供热，也可多台组网供热，还可以接入云端远程，做到精细化管理。比如建筑面积3万m2以下的节能建筑可以采用单台供热，如果是对一个区域实行供热就要组网供热，实现多台锅炉联控运行，采用循环模式和顺序平均模式，保证每台锅炉运行时间和运行功率相等，延长整体使用寿命。组网运行状态下，系统可完全自动开启和关闭，也可与原有供热设备联网运行，大大降低了供热企业运营费用。