李冬屹，鄭桂紅，許崇濤，張寶祥

(天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，天津 300192)

燃氣工業(yè)鍋爐燃燒后會產(chǎn)生大量的氮氧化物(NOx)，而NOx是形成酸雨的重要因素，可直接影響大氣環(huán)境及人體健康，且NOx經(jīng)過復(fù)雜的化學反應(yīng)后還會導(dǎo)致PM2.5濃度升高，從而加重霧霾程度、增加霧霾出現(xiàn)的頻率。隨著人們環(huán)保意識的提高，燃氣工業(yè)鍋爐煙氣中NOx對環(huán)境的危害越來越受到重視，天津市地方標準給予了嚴格的低氮排放要求，全天津市開始了如火如荼的低氮改造工作。然而在低氮改造過程中完全是以NOx的排放指標作為衡量改造的標準，忽略了低氮改造對鍋爐額定出力及熱效率的影響[1]，而安全、節(jié)能、環(huán)保是鍋爐三項最重要的指標，缺一不可。本文結(jié)合現(xiàn)場鍋爐能效的實測數(shù)據(jù)，具體分析采用不同形式進行煙氣再循環(huán)(flue gas recirculation，F(xiàn)GR)低氮改造的燃氣工業(yè)鍋爐額定出力及熱效率受到的影響。

1 低氮改造技術(shù)介紹

1.1 燃氣鍋爐NOx的生成原理

燃氣工業(yè)鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生的NOx主要分為熱力型、快速型及燃料型。

1)熱力型NOx。高溫(1 300 ℃以上)燃燒時，空氣中的氮與氧反應(yīng)生成NOx。熱力型NOx受到燃燒溫度、氧氣濃度及火焰停留時間3個因素的影響，燃燒溫度越高、氧氣濃度越高、燃燒停留時間越久，NOx生成速度越快，且溫度在高于1 500 ℃時，NOx的生成速度呈指數(shù)級增長。

2)快速型NOx。在富燃料區(qū)的火焰燃燒鋒面上，燃料揮發(fā)物中碳氫化合物與空氣中的氮反應(yīng)生成HCN和N，由這些物質(zhì)再進一步反應(yīng)生成NOx。因其生成速度極快，故稱快速型NOx。

3)燃料型NOx。燃料型NOx是由燃料中的含氮化合物經(jīng)過高溫分解等一系列化學過程產(chǎn)生的[2]。

燃氣工業(yè)鍋爐爐膛燃燒溫度通常高于1 300 ℃[3]，而快速型NOx的生成溫度通常低于1 300 ℃，因此快速型NOx不作為本文研究的重點。燃氣工業(yè)鍋爐采用天然氣作為燃料，天然氣中基本不含氮，所以燃料型NOx也不在研究范圍內(nèi)。因此，燃氣工業(yè)鍋爐低氮改造的目標主要是降低熱力型NOx的排放。

1.2 目前常用的低氮改造技術(shù)介紹

低氮改造技術(shù)主要是在鍋爐進風口和出風口進行，對燃燒熱效應(yīng)和尾部煙氣排放兩個方面進行處理。對于燃氣工業(yè)鍋爐，對燃燒熱效應(yīng)的改造是常見的工藝技術(shù)，而根據(jù)NOx生成原理，想要合理控制NOx的排放，控制燃燒過程的溫度和時間才是最重要的，即空氣燃料比、燃燒區(qū)溫度及分布、后燃燒區(qū)的冷卻程度和燃燒機性狀設(shè)計。目前，分級燃燒、燃燒器預(yù)混燃燒及FGR技術(shù)，是常見的3種低氮改造技術(shù)[4]。

分級燃燒是將空氣和燃料分級送入爐膛內(nèi)燃燒的技術(shù)，這樣會在爐膛尾部形成一個還原區(qū)，可將部分NOx還原成N2，從而減少煙氣中NOx的含量。

燃燒器預(yù)混燃燒是在燃燒器中預(yù)先將燃料與空氣按一定比例混合，之后送入爐膛內(nèi)燃燒，可對燃燒溫度進行控制，從而減少熱力型NOx的生成。

FGR技術(shù)是將燃燒產(chǎn)生的部分煙氣，循環(huán)送回爐膛內(nèi)燃燒區(qū)或送回燃燒器前與空氣混合后再送入燃燒器繼續(xù)參與燃燒的一種技術(shù)，其可降低燃燒溫度及氧氣濃度，從而降低熱力型NOx的生成。

3種低氮改造技術(shù)中，分級燃燒需要較大的燃燒空間，不適用于燃氣工業(yè)鍋爐；燃燒器預(yù)混燃燒火焰穩(wěn)定性較差，回火控制不好容易產(chǎn)生爆燃[5]，且該燃燒方式主要用在小噸位鍋爐；FGR技術(shù)改造方便、安全性高、適用范圍廣，因而目前FGR技術(shù)在低氮改造中被廣泛采用和認可。FGR技術(shù)對于降低煙氣中氮氧化物的含量有顯著的作用，經(jīng)數(shù)值模擬及實測證明可有效降低煙氣中熱力型NOx的濃度，但采用不同形式的FGR技術(shù)對鍋爐進行低氮改造后，鍋爐的額定出力及熱效率是否會受到影響，目前還沒有具體的研究。

1.3 采用不同形式進行FGR技術(shù)改造的鍋爐測試具體情況介紹

天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院分別對兩臺不同型號、采用不同形式進行FGR技術(shù)改造的燃氣工業(yè)鍋爐進行了能效測試。兩臺鍋爐具體情況如下：

1)型號為SZS29-1.6/130/70-Q的燃氣熱水鍋爐，裝有兩級節(jié)能器，在FGR系統(tǒng)煙道上單獨裝有引風機，F(xiàn)GR系統(tǒng)開啟或關(guān)閉狀態(tài)下對排煙處過量空氣系數(shù)基本無影響；

2)型號為SZS20-1.25-Q的燃氣蒸汽鍋爐，裝有一級節(jié)能器，在FGR系統(tǒng)煙道上未單獨加裝引風機，僅靠燃燒器鼓風機引入再循環(huán)煙氣送入爐膛，F(xiàn)GR系統(tǒng)開啟后會降低排煙處過量空氣系數(shù)。

在不同工況下對這兩臺鍋爐進行多次能效測試，每種工況都分為FGR系統(tǒng)開啟及關(guān)閉兩種情況，從而得到不同工況下、FGR系統(tǒng)開啟前后的不同數(shù)據(jù)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，分析采用不同形式的FGR技術(shù)及FGR系統(tǒng)開啟前后對鍋爐額定出力及熱效率的影響[6]。圖1～圖3為現(xiàn)場測試情況照片。

2 FGR技術(shù)對鍋爐額定出力的影響

鍋爐出力是鍋爐本體及鍋爐冷凝器有效吸收熱量之和，是能效測試中的一項重要指標[7]。因而采用FGR技術(shù)之后，鍋爐是否還能達到額定工況下的出力，是首先要研究的問題。對型號為SZS29-1.6/130/70-Q的燃氣熱水鍋爐進行額定負荷工況下的定型能效測試，采用此次測試的數(shù)據(jù)對鍋爐出力情況進行分析。

圖1 測試現(xiàn)場1

圖2 測試現(xiàn)場2

圖3 測試現(xiàn)場3

熱水鍋爐出力Q計算公式為:

(1)

式中：G為熱水鍋爐循環(huán)水量；hcs為熱水鍋爐出水焓；hjs為熱水鍋爐回水焓。

由式(1)可知，Q僅與G，hcs，hjs有關(guān)。表1是在額定工況下進行定型能效測試時測得的鍋爐出力相關(guān)數(shù)據(jù)，分別在FGR系統(tǒng)開啟及關(guān)閉狀態(tài)下進行數(shù)據(jù)采集。

表1 額定工況下系統(tǒng)開啟前后兩工況的測試數(shù)據(jù)

從表1可以看出，F(xiàn)GR系統(tǒng)開啟前后，鍋爐額定工況下的出力并沒有明顯改變，因而采用FGR技術(shù)改造鍋爐并不會對鍋爐額定工況下的出力產(chǎn)生明顯影響。

3 FGR技術(shù)對鍋爐熱效率的影響

一般對鍋爐熱效率的計算均采用反平衡方式。

反平衡熱效率η計算公式為：

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6+q7)

(2)

式中：q2為排煙熱損失；q3為氣體不完全燃燒熱損失；q4為固體不完全燃燒熱損失；q5為散熱損失；q6為灰渣物理熱損失；q7為石灰石脫硫熱損失。

對于燃氣鍋爐，q4，q6，q7均為零，因而燃氣鍋爐反平衡熱效率僅考慮q2，q3，q5的影響。其中：

(3)

式中：m，n為計算系數(shù)，對于燃氣鍋爐，m=0.5，n=3.45；αpy為排煙處過量空氣系數(shù)；tpy為排煙溫度，℃；tlk為入爐冷空氣溫度，℃。

因燃氣鍋爐無固體燃料，q4為零，q2僅與αpy、tpy、tlk有關(guān)。q3與一氧化碳(CO)的含量有關(guān)，q5與鍋爐噸位及運行熱負荷有關(guān)。

3.1 FGR技術(shù)對熱水鍋爐熱效率的影響

兩種負荷運行工況下在熱水鍋爐現(xiàn)場測試時測得的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2，3。

表2 滿負荷運行工況下系統(tǒng)開啟前后相關(guān)數(shù)據(jù)

表3 78%負荷運行工況下系統(tǒng)開啟前后相關(guān)數(shù)據(jù)

由表可知，該鍋爐滿負荷及78%負荷運行工況下的熱效率與FGR系統(tǒng)開啟與否關(guān)系不大。但該鍋爐裝有兩級節(jié)能器，煙氣經(jīng)過兩級節(jié)能器后溫度降到50 ℃左右，極大釋放了汽化潛熱，或許會對FGR技術(shù)對熱效率的改變作用產(chǎn)生一定的影響。

因而在78%負荷運行工況下對該鍋爐額外采集了兩組數(shù)據(jù)——FGR系統(tǒng)開啟前后的爐膛溫度、節(jié)能器入口的煙氣溫度，并用該爐膛溫度及其他數(shù)據(jù)計算出了節(jié)能器入口對應(yīng)的鍋爐熱效率，見表4。

表4 忽略節(jié)能器影響測得的相關(guān)數(shù)據(jù)及鍋爐熱效率

由表可知，F(xiàn)GR系統(tǒng)開啟之后，即采用FGR技術(shù)改造之后，爐膛溫度大幅降低，從而降低了爐膛內(nèi)受熱面的換熱效率，而節(jié)能器入口的煙氣溫度大幅上升，鍋爐熱效率降低了1.2%。由此可見，采用FGR技術(shù)對鍋爐進行改造，鍋爐熱效率明顯降低。

目前我國天然氣價格相對昂貴，對于大中型燃氣鍋爐供熱站來說，熱效率降低1.2%會造成極大的經(jīng)濟損失。節(jié)能器的存在，可以弱化FGR對鍋爐熱效率的降低作用。本文采用FGR技術(shù)改造前后的鍋爐熱效率分別為90.46%及89.36%，但通過兩級節(jié)能器之后，節(jié)能器出口處鍋爐熱效率分別提高到96.09%及96.08%，兩者并無明顯區(qū)別。因而通過加裝多級節(jié)能器，可以忽視FGR對鍋爐熱效率的影響，避免了因熱效率降低所帶來的經(jīng)濟損失，但每多加裝一級節(jié)能器，其本身造價及電耗都會增加，因此如何平衡鍋爐熱效率與造價之間的關(guān)系，是今后研究的重點。

3.2 FGR技術(shù)對蒸汽鍋爐熱效率的影響

該蒸汽鍋爐不同負荷運行工況下測試所得數(shù)據(jù)見表5。

由表可知，F(xiàn)GR系統(tǒng)開啟之后，熱效率會有一定的提升，在40%負荷運行工況下熱效率提升最為明顯，從系統(tǒng)開啟前的94.01%提升至94.31%。

表5 不同負荷運行工況下系統(tǒng)開啟前后相關(guān)數(shù)據(jù)

蒸汽鍋爐排煙溫度較高，在經(jīng)過節(jié)能器后，該鍋爐排煙溫度仍高于露點溫度，因而可以不用考慮汽化潛熱問題。由此可見，采用FGR技術(shù)改造后，該鍋爐的熱效率有略微提升。

3.3 FGR 技術(shù)對兩臺鍋爐熱效率影響的分析

型號為 SZS29-1.6/130/70-Q 的燃氣熱水鍋爐，在不考慮煙氣通過節(jié)能器大量釋放汽化潛熱的情況下，經(jīng)FGR 技術(shù)改造之后，降低了鍋爐熱效率。而對型號為 SZS20-1.25-Q 的燃氣蒸汽鍋爐，在無釋放汽化潛熱的情況下，經(jīng)FGR 技術(shù)改造之后，鍋爐熱效率有略微提升。前文中已介紹，這兩臺鍋爐采用了不同的 FGR 技術(shù)改造方式：在煙氣再循環(huán)煙道上單獨裝有引風機，排煙處過量空氣系數(shù)基本無影響；在煙氣再循環(huán)煙道上沒有單獨加裝引風機，會降低排煙處過量空氣系數(shù)?？梢钥闯觯煌?FGR 技術(shù)改造方式，會對排煙處過量空氣系數(shù)產(chǎn)生影響，對鍋爐熱效率也有一定的影響，因此在煙氣循環(huán)煙道加裝引風機，可以達到降低排煙處過量尾氣排放的目標。

4 結(jié)束語

本文通過對不同鍋爐、不同工況下的能效測試數(shù)據(jù)進行分析，計算得出不同改造形式的FGR技術(shù)對鍋爐熱效率有不同的影響。對于熱水鍋爐，在節(jié)能器處存在大量汽化潛熱釋放過程的情況下，可忽略FGR技術(shù)對鍋爐熱效率的影響；對于蒸汽鍋爐，一般不存在汽化潛熱釋放的過程，因而盡量選用單風機的FGR技術(shù)改造方式，可以降低排煙處過量空氣系數(shù)，從而降低鍋爐熱效率。這樣可在保證FGR技術(shù)降低NOx排放的同時，減少其對鍋爐熱效率的影響。