关博欣

摘 要：本研究以中原地区供暖用的燃油热水锅炉改造天然气锅炉项目为研究对象，通过对锅炉概况、改造、维护与保养的介绍，以及从技术、效率、环保、节能等方面进行分析，表明天然气锅炉具有经济、清洁、高效等优势。

关键词：柴油锅炉;天然气锅炉;改造;节能;分析

中图分类号：TK229.7     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）12-0051-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.010

Analysis of the Advantages of Gas-Fired Boiler Retrofitting Oil-Fired Boiler

GUAN Boxin

（Zhengzhou Transportation Sub-Company of Pipe China North Pipeline Company，Zhengzhou 450000，China）

Abstract： According to the project of gas-fired boiler retrofitting oil-fired hot water boiler for heating in the Central Plains of China，the Article introduces the profile，retrofitting，maintenance of boilers，analyzes aspects of the performance，efficiency，environment protection，and energy saving etc.，and then concludes that gas-fired boilers are economical，clean and efficient.

Keywords：diesel-fired boiler;gas-fired boiler; retrofitting;energy saving;analysis

0 引言

我国力争2030年前实现二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。我国提出，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和。石油、煤炭、天然气、电力等多种能源在能源系统中互补协调，节能技术的开发、推广及使用已成为必然。笔者以一台冬季供暖用全自动燃油（燃气）常压热水锅炉改造项目为研究对象。近十年，该锅炉一直以轻柴油为燃料，并在2021年冬季供暖前改造为天然气锅炉，在达到高效节能、低碳环保要求的同时，也实现了提质增效。

1 锅炉概况

中原地区某厂区内一台功率为1.05 MW的冬季供暖用全自动燃油（燃气）常压热水锅炉，其可使用柴油、天然气等燃料，电源电压为220 V或380 V±5 V，机器均安装有可靠的接地线。

1.1 结构

该锅炉采用锅壳式三回程、全湿背的结构。燃料在炉胆内微正压燃烧，高温烟气沿炉胆向后经回燃室进入第一烟道管束，经压迫式前烟箱转折180°后进入第二管束，经过对流换热后排入大气[1]。

锅炉所有的受压元件与锅筒为中心对称结构，锅炉采用全湿背式结构，以极大的内筒和偏心火箱的结构，有利于提供足够的辐射受热面。对流受热面由第二回程和第三回程的管束构成。回燃室前管板与炉胆相连接，回燃室后管板采用椭球形封頭和管板。第二回程和第三回程转变烟室成了前烟箱，此处烟的温度已低于500 ℃。因此，前烟箱的结构采用轻型结构的耐火保温材料。后烟箱烟气出口布置在沿筒体的纵轴方向。在锅炉启动停止时，冷凝水会腐蚀锅炉本体。锅炉回水入口内设有混水装置，回水先刷烟管管束，再接触炉胆，提高了回水的水温，从而避免局部产生沸腾的现象[2]。

1.2 优点

该锅炉结构紧凑、受热面积大、热效率高、升温快、供应热水充足，且安装维护方便。改造前锅炉采用轻柴油进口燃烧器，配有循环水泵，由全自动程序进行控制，有过热保护、缺水保护、自检功能等多重保护功能。该锅炉安全可靠，且自动化程度高。

1.3 供水

锅炉周围禁止存放易燃易挥发物质。锅炉房要始终保持干燥清洁，避免控制系统受潮。锅炉设有膨胀水箱，水箱离锅炉上部要高出1 m左右，使用额定流量和额定扬程与之相适应的循环泵。采用防火材料，做好保温，防止热损耗和火灾。各连接处要保证密封，以防漏水。锅炉的补水必须由膨胀水箱进行供水，不能直接连接到自来水管。水质应符合《工业锅炉水质》（GB/T 1576—2018）中的相关要求（见表1），要经常化验水质，以确保水质符合标准，防止锅壳底部结垢[3]。

2 锅炉改造

2.1 改造原则

按照国家出台的节能降耗和环保政策，以及国家安全生产政策，在消除安全隐患的同时，提高管理水平。合理利用已有设施，降低工程造价，确保技术先进、经济合理。

一台1.05 MW的燃油热水锅炉，供回水温度为85 ℃/60 ℃，改造的主要部分是将燃油燃烧器更换为低氮燃烧器，该燃烧器以天然气为燃料（氮氧化物排放浓度≤30 mg/m3），包括低氮燃烧器控制柜（防爆）、炉前阀组等必备器件。

气源为燃气有限公司已建的天然气管道，终点为锅炉房。在可燃气体易泄漏区域和室外可燃气体调压箱处均设有可燃气体探测器，配电室设有可燃气体报警控制器。当任何一台可燃气体探测器探测到的可燃气体浓度达到20% LEL时高报警，达到40% LEL时高高报警，并联锁关闭电磁阀，将可燃气体报警控制器的信号上传至控制室PLC系统，同时启动锅炉房轴流风机。

2.2 燃烧器更换

改造是将原有的轻柴油燃烧器更换为多重燃烧超低氮燃烧器。多重燃烧超低氮燃烧器由进风箱、风机、混合燃烧头、点火枪、控制箱、阀组等部分组成。混合燃烧头内有中心枪、分配器、内圈喷射口、外圈喷射口等部件，燃烧器采用管内走燃气、管外供助燃风的方式。枪及喷口采用分层、分段的方式布置，使火焰得以充分展开，在炉膛内形成不同的压力场区域，避免火焰过于集中，造成火焰的平均温度降低，从而减少氮氧化物的产生。再加上烟气回收系统，可实现在低氧量情况下超低氮氧化物排放。

多重燃烧超低氮燃烧器采用模块化的控制方式，提供预吹扫和后吹扫、点火系统控制、流量调节、风燃比配比、安全联锁保护等全自动程序功能。

2.2.1 多重燃烧超低氮燃烧器混合燃烧头。多重燃烧超低氮燃烧器混合燃烧头（见图1）的枪及喷口采用分层、分段的布置方式，通过错层、错位布置燃烧器机头，可在炉膛内形成不同的压力场区域，能够使气流产生回旋，从而形成内循环，使燃气能够充分燃烧，降低排放气体中氮氧化物的含量。

2.2.2 点火枪。在多重燃烧超低氮燃烧器中，燃气通过烧头分级喷射后与空气混合直接燃烧，并采用双极打火的方式。点火变压器将220 V电压转换成2×7.5 kV电压通过高压导线、点火电极，在点火电极尖点间产生电火花，电火花成功率达到100%。由于点火枪枪头部分采用的是耐火材料，所以在燃烧运行时无须退出。

2.2.3 火检系统。系统通过火焰探测器来感应是处在点火状态，还是主火焰出现故障，从而确保燃烧器能够点火成功或自动关闭。

2.2.4 燃气系统。燃气通过过滤器到达燃烧区域时，主要是由主燃气管路上蝶阀来进行负荷调节。燃气通过组合电磁阀（关闭阀、压力调节器）和流量调节阀进入燃烧器，流量调节阀根据输入需求来控制流量。调节阀是通过执行器来设置位置，空气和烟循环系统挡板是由控制器驱动风门执行器（伺服）来控制开度。燃气关断阀只在燃气泄漏开关闭合时才会被启动。当燃气压力正常时，高压及低压燃气压力开关处于闭合状态，如果超过正常气压范围，二者则会断开。

2.2.5 烟气再循环。烟气再循环（FGR）是锅炉燃烧领域中一种能够有效降低NOx含量的方法。根据锅炉现场情况对FGR系统进行合理的布置。在锅炉烟气出口处，通过烟气再循环管道接至鼓风机入口的混合箱，使烟气与空气进行混合。通过调节再循环烟道上的控制挡板及空气的进风风门挡板，循环烟气量和空气量的配比达到最佳。

2.2.6 燃烧器安装。在锅炉或其他加热设备安装前，应准备好相应尺寸的安装板。安装时，先将燃烧头配备好的法兰与锅炉或加热设备连接在一起。锅炉喉口与燃烧头之间的间隙部分要用硅酸铝棉（或其他密封隔热防火材料）进行填塞，确保隔热保温。燃烧器和前炉墙板接口部分要填塞石棉绳（或其他密封隔热垫），从而确保无烟气泄漏。

2.2.7 燃烧器负荷调节。燃烧器负荷调节可通过控制屏控制手操器来选择是自动控制，还是手动控制。当系统处于自动控制（Auto）时，系统根据锅炉蒸汽压力/出水温度的设定值来自动调节火力大小。当系统处于手动控制（Manual）时，可通过控制屏按键来手动增加或减少负荷。

2.2.8 燃烧器维护。燃烧器控制系统长时间运行需要定期进行检查和维护。在进行维护和检查时，应遵循以下6个原则：在进行定期维护或检查前，确保关闭任何燃料供应;除去所有电器接点、控制室内的风机和风阀等设备上的灰尘或异物;火检系统、限位开关、执行器等安全装置的维护只能由经过授权或认证的人员进行;安全设备的功能测试应在定期维护时进行，以确保所有开关工作正常;控制系统本身不需要调整，如需要任何额外调整或故障排除，要联系维修人员;保持火焰探测器的清洁，确保其不沾上灰尘或异物。

2.3 燃气调压箱

本研究通过新建一座燃气调压箱，其内采用高品质调压器和过滤器，最大流量为150 Nm3 /h。调压箱之前管道的设计压力为0.4 MPa，调压之后管道的设计压力为50 kPa 。在用气单位厂区内到锅炉房用气点之间设有调压箱，经调压计量后输送至锅炉用气点。

悬挂式调压箱距其他建筑物、构筑物的水平净距（m）应符合表2中的规定。

调压箱的箱底距地坪的高度为1.0～1.2 m，可安装在用气建筑物的外墙壁或悬挂在专用的支架上。当安装在用气建筑物的外墙上时，调压器进出口的管径不宜大于DN50。

调压箱到建筑物的门、窗或其他通向室内孔槽的水平净距应符合以下规定。当调压器进口燃气压力不大于0.4 MPa时，不应小于1.5 m;调压箱不应安装在建筑物的门窗上方、下方墙上方及阳台的下方，不应装在室内通风机进风口墙上;安装调压箱的墙体应为永久性的实体墙，其建筑物耐火等级不应低于二级，调压箱上应有自然通风孔。

2.4 锅炉的供气管路

燃烧器上有进气法兰接口，只要将进气管法兰与燃烧器管法兰连接起来即可。燃气在进入燃烧器前，装设有必要的阀门及检测系统，并设置燃气手动和自动切断装置。

2.5 可燃气体报警系统

天然气发热量、总硫和硫化氢含量、水露点指标应符合《天然气》（GB 17820—2018）中的二类气的相关规定。天然气的烃露点应比最低环境温度低5 ℃，天然气中不应有固态、液态或胶状物质。

在气体检测监控系统中，气体探测器将探测到的气体浓度传输至气体报警控制器，一旦可燃气体浓度达到20% LEL的低限报警值时，控制主机就会发出声光报警，并输出低限报警信号（保持信号），然后启动排风扇，降低现场可燃气体的浓度。如果探测器探测到可燃气体的浓度持续上升，并达到40%LEL高限报警值时，控制主机会输出高限报警信号，并启动紧急切断电磁阀，切断气源。

2.6 改造注意事项

各测控点的位置可做适当调整，但必须符合规范要求。所有电缆外部有保护钢管，由防爆挠性接管、防爆密封接头敷至仪表和防爆接线箱。仪表和防爆接线箱应使用金属防爆密封封堵头进行严格密封。现场要严格按照有关防爆规范进行施工。仪表及自控系统采用联合接地的方式。现场仪表外壳、电缆屏蔽层、电缆备用芯均按要求进行接地，接地电阻不大于4 Ω。自控电缆与电力电缆平行敷设时距离不小于0.45 m。自控施工要嚴格按照《自动化仪表工程施工及质量验收规范》（GB 50093—2013）中的要求执行。

3 锅炉的维护与保养

3.1 维护

每季都要检查电器仪表线路是否松动，并清扫灰尘。检查所有锅炉阀门是否完好，并进行清洗工作。清洗水泵入口滤网或油气过滤网。每年要检查密封垫片及烟垢，从而决定是否更换或清理，同时检修浇注的耐火混凝土和密封石棉垫（绳）。检查锅炉及管道的腐蚀情况，检查电机、电器、线路的绝缘情况，检查仪表指示的正确性。

3.2 保养

锅炉停炉时间较长时，必须进行保养，以防止锅炉受热面的腐蚀，常用的保养方法有干法和湿法保养。

3.2.1 干法保养。锅炉停炉后，将锅炉内的水放完，并对内部污垢进行清洗，用小火烘干。将直径10～30 mm的块状生石灰或无水氯化钙放入锅炉盆内，放6 kg左右。然后将锅筒关严，之后每三个月检查一次，若发现干燥剂失效，要及时更换。

3.2.2 湿法保养。湿法保养就是将碱性液体灌满整个锅炉。锅炉停炉后，放出锅炉内的水，将内部污垢清理干净，然后注入净水，再将固体药品（如磷酸三钠Na3PO4）配制成质量分数为0.1%～0.2%的药液，将其注入锅筒内，防止金属被腐蚀。

4 改造对比

4.1 技术

改造前，燃油锅炉正常运行需要配备辅助设备，而燃气锅炉不需要配备辅助设备。改造只对燃烧器、管路进行更换，炉体本身基本不需要改造，改造工程量不大，可大幅度提高锅炉的效率。

4.2 效率高

新的天然气燃烧器助燃风系统可以将回收的烟气通过烟气混合箱先送入风机再经过燃烧头，充分利用烟气的余热，可以提高锅炉的热效率[4]。

4.3 环保

目前，阻断NO2形成或降低NO2含量的技术已日趋成熟，可有效控制NO2实现低排放。改造后，燃烧器是低氮型，锅炉的氮氧化物、二氧化硫、颗粒物、烟气黑度均有所降低，从而减少空气污染，实现对环境的保护[5]。

4.4 节能

本次项目改造的是中原地区某厂区内的锅炉，供暖时长为2021年11月15日零时至2022年3月15日零时，该地区冬季气温为-10～9 ℃，厂区供暖面积为10 130 m2。锅炉燃料消耗对比表如表3所示。

天然气按单价4.5 元/m3来计算，年耗气总费用为370 602元，同比改造前年消耗柴油60 t，柴油按当季实时平均单价7 729 元/t计算，年消耗柴油463 740元，共节约成本93 138元。

5 结语

随着锅炉废气排放标准的提高，将轻柴油为燃料的燃油锅炉改造为天然气锅炉已成为一种趋势。天然气锅炉燃料燃烧后有害物排放量比柴油低，既提高了燃料的利用率，也节约了成本。改造后有断气保护，安全性也随之提高。天然气属于清洁环保能源，本研究的改造不仅促进了新能源和清洁能源的发展，也是助力实现碳达峰、碳中和的途径之一。

参考文献：

[1] 陶永明.锅壳式燃油燃气锅炉原理与设计[M].苏州：苏州大学出版社，2021.

[2] 曹治明，王凯军，谢峦峰，等.燃油燃气锅炉运行实用技术[M].郑州：黄河水利出版社，2021.

[3] 奚士光，吴味隆，蒋君衍.锅炉及锅炉房设备[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.

[4] 王海荣，费志强，李芳芹.锅炉节能技术[M].北京：中国电力出版社，2017.

[5] 周強泰.锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，2013.