張佳敏

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 太原 030032)

近年來(lái),國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅速發(fā)展,鍋爐設(shè)備已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)各生產(chǎn)、生活領(lǐng)域,成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備。隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化和城鎮(zhèn)化快速推進(jìn),油氣資源開(kāi)發(fā)力度在持續(xù)擴(kuò)大,燃?xì)忮仩t的投產(chǎn)比例呈現(xiàn)日益擴(kuò)張態(tài)勢(shì),在國(guó)家倡行節(jié)能降耗、環(huán)保減排工作要求前提下,可通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和采取必要的節(jié)能減排措施來(lái)提高清潔能源利用效率,優(yōu)化產(chǎn)能途徑,實(shí)現(xiàn)供熱可持續(xù)環(huán)保型發(fā)展。

1 合理調(diào)整運(yùn)行方式

1.1 基于最優(yōu)空燃比運(yùn)行,優(yōu)化燃燒效果

在開(kāi)放的環(huán)境下,隨著室外溫度的變化,氣壓隨之發(fā)生變化,從而導(dǎo)致空氣密度發(fā)生變化,室外溫度與空氣密度對(duì)照表見(jiàn)表1。室外溫度升高,氣壓減小,空氣密度減小;室外溫度降低,氣壓增大,空氣密度增大,一定體積空氣中的含氧量則會(huì)不同。燃料燃燒本質(zhì)上是燃料與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此室外溫度階段性幅差變化勢(shì)必導(dǎo)致支持燃燒的空燃比發(fā)生變化,偏離最佳運(yùn)行工況的空燃比將誘使鍋爐實(shí)際運(yùn)行熱效率下降,能耗增加,煙氣排放超標(biāo)等情況。

表1 室外溫度與干空氣密度對(duì)照表

任何地方氣壓都在隨著時(shí)間的變化而改變,既包含周期性變化,也包含非周期性變化,所謂周期性變化是指氣壓隨時(shí)間的改變而呈現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng),晝夜之內(nèi)的日變化情況,最高值出現(xiàn)在上午9點(diǎn)—10點(diǎn),之后氣壓開(kāi)始下降,到下午15點(diǎn)—16點(diǎn)出現(xiàn)一天中氣壓的最低值,之后氣壓又開(kāi)始緩慢上升,到晚上21點(diǎn)—22點(diǎn)再現(xiàn)一天中氣壓的次高值,次日凌晨3點(diǎn)—4點(diǎn)則出現(xiàn)次低值;所謂非周期性變化是指氣壓變化受氣象驟變影響,不存在固定的周期。實(shí)際的氣壓變化是兩種變化因素綜合作用的結(jié)果。以熱負(fù)荷與最優(yōu)含氧量曲線為標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)圖1,通過(guò)綜合考慮室外氣溫、氣壓、空氣濕度、火焰穩(wěn)定情況、煙氣含氧量、煙氣NOx含量、鍋爐效率等因素,根據(jù)屬地冬季嚴(yán)寒期一天中室外氣溫及氣壓波動(dòng)規(guī)律,擬定四套各負(fù)荷段位空燃比參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)方案并編入BMS控制系統(tǒng)程序,基于煙氣含氧量均維持最優(yōu)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)不停爐安全自動(dòng)互切。

通過(guò)運(yùn)行期間高效負(fù)荷段位分時(shí)段切換及實(shí)時(shí)工況和能耗比對(duì)分析,見(jiàn)表2,求證此運(yùn)行方式可一定程度提高鍋爐運(yùn)行熱效率,達(dá)到節(jié)能降耗、優(yōu)化排放的目的。

表2 定值空燃比與最優(yōu)空燃比運(yùn)行實(shí)時(shí)工況及能耗比對(duì)分析表

1.2 合理分配鍋爐及配套輔機(jī)系統(tǒng)出力,靶向節(jié)能降耗

泵的揚(yáng)程H是指單位重量流體通過(guò)泵所獲得的有效能量,在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)泵的流體所獲得的總能量叫有效功率,以符號(hào)Ne(kW)表示,Ne=γQH/1 000,而風(fēng)機(jī)的全壓P是指單位體積氣體通過(guò)風(fēng)機(jī)所獲得的有效能量,所以其N(xiāo)e=QP/1 000,其中,γ為被輸送流體的容重,N/m3;Q為流量,m3/s;H為揚(yáng)程,m;P為壓頭,N/m2。

泵或風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)都是針對(duì)某一特定轉(zhuǎn)速nm來(lái)說(shuō)的,當(dāng)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速n與nm不同時(shí),可用相似律求出新的性能參數(shù)。相似律可表達(dá)為Q/Qm=n/nm,H/Hm=(n/nm)2,N/Nm=(n/nm)3,通過(guò)公式可直觀體現(xiàn)出采取加大泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n來(lái)提高流量的同時(shí),原動(dòng)機(jī)所需功率與轉(zhuǎn)數(shù)成三次方比例陡增。

當(dāng)鍋爐“低負(fù)荷”運(yùn)行時(shí),消耗的燃?xì)饬繙p少,爐內(nèi)溫度相對(duì)較低,由此導(dǎo)致燃燒工況變差,加大了氣體不完全燃燒熱損失,鍋爐熱效率將下降;同樣,當(dāng)鍋爐“超高負(fù)荷”運(yùn)行時(shí),消耗的燃?xì)饬吭龆?導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)溫度升高,排煙溫度隨之升高,加大了排煙熱損失,鍋爐熱效率亦將受到影響。同樣的熱量產(chǎn)送能力,在確保單臺(tái)鍋爐處于高熱效率負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行工況下,鍋爐擬定運(yùn)行臺(tái)數(shù)與配套輔機(jī)設(shè)備電耗大小關(guān)系頗大,N臺(tái)鍋爐“中高負(fù)荷”高效運(yùn)行比N-1臺(tái)鍋爐“高負(fù)荷”高效運(yùn)行配套輔機(jī)設(shè)備節(jié)電量甚為可觀。以某燃?xì)庹{(diào)峰熱源廠采暖季運(yùn)行實(shí)際為例分析,該熱源廠供熱系統(tǒng)單臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t額定熱功率116 MW,配套鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)為Q=190 000 m3/h,P=10 000 Pa,N=800 kW,水系統(tǒng)循環(huán)泵設(shè)備參數(shù)為Q=1 900 m3/h,H=80 m,N=630 kW,嚴(yán)寒期調(diào)峰供熱期間,外網(wǎng)供熱面積不變時(shí),根據(jù)室外溫度階段性變化規(guī)律,在滿足轄區(qū)熱用戶熱量需求,且室溫達(dá)標(biāo),體感舒適前提下,擇取3個(gè)不同室外溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)分析研判,在鍋爐總產(chǎn)熱量接近的運(yùn)行狀態(tài)下,4臺(tái)鍋爐“中高負(fù)荷”運(yùn)行比3臺(tái)鍋爐“高負(fù)荷”運(yùn)行大功率輔機(jī)設(shè)備耗電量少,3臺(tái)鍋爐“中高負(fù)荷”運(yùn)行比2臺(tái)鍋爐“高負(fù)荷”運(yùn)行大功率輔機(jī)設(shè)備耗電量少,且單臺(tái)鍋爐均處高效區(qū),具體運(yùn)行工況及能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3[1]。

表3 鍋爐輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行電量節(jié)超分析統(tǒng)計(jì)表

因燃?xì)鉄崴仩t爐膛輻射受熱面為致密排布的膜式水冷壁圍護(hù)結(jié)構(gòu),阻抗偏大,為有效匹配沿程及局部阻力損失,防止局部氣化造成爆管停爐事故,循環(huán)系統(tǒng)提供流量須滿足單臺(tái)鍋爐接近額定流量運(yùn)行,為此得出結(jié)論,在鼓風(fēng)機(jī)有效功耗高于循環(huán)泵有效功耗前提下,鼓風(fēng)機(jī)節(jié)約電量整體高于循環(huán)泵超耗電量,節(jié)超分析利于節(jié)能降耗,且單臺(tái)鍋爐運(yùn)行更穩(wěn)定、安全。

2 冷凝水余熱回收利用

2.1 冷凝水的生成及危害

燃?xì)忮仩t以天然氣為燃料助燃,其主要成分為甲烷,占天然氣體積百分比90%以上,另含有少量的乙烷、丙烷和非烴類(lèi)氣體等,甲烷與空氣中的O2反應(yīng)生成CO2和H2O,天然氣燃燒產(chǎn)物煙氣中主要成分為CO2,N2,H2O和過(guò)剩O2,同時(shí)還含有NOx,CO,SO2等其他氣體。另外天然氣和助燃空氣中也含有一定的水分,所以煙氣中的水分由兩部分構(gòu)成,一部分由化學(xué)反應(yīng)生成,占冷凝水的絕大部分,另一部分由天然氣和助燃空氣帶入。

煙氣露點(diǎn)指的是煙氣中水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)時(shí)的溫度,低于露點(diǎn)溫度水蒸氣即冷凝成水,且冷凝水的形成取決于氣流截面溫度及流態(tài)分布,正常情況下,煙氣流經(jīng)受熱面對(duì)流管束和煙道時(shí),芯流溫度最高,管壁或煙道壁面溫度最低,冷凝水最先貼壁產(chǎn)生,當(dāng)芯流溫度低于露點(diǎn)時(shí),氣流截面將均出現(xiàn)冷凝。在燃?xì)忮仩t實(shí)際運(yùn)行中,鍋爐本體煙窗出口煙氣溫度高于水蒸氣的露點(diǎn)溫度,煙氣中的水蒸氣主要在受熱面對(duì)流管束尾部及節(jié)能器中冷凝成水[2-3]。

冷凝水產(chǎn)生后應(yīng)及時(shí)排放或深度處理回收利用,若疏水不暢,冷凝水在煙道局部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期積聚,極易因酸腐蝕和電化學(xué)析氫、吸氧腐蝕而導(dǎo)致受熱面壁厚減薄、強(qiáng)度減弱,生成的腐蝕產(chǎn)物Fe2O3(俗稱鐵銹)和Fe3O4(俗稱磁性氧化鐵)沉淀,久之將造成對(duì)流煙管堵塞,從而弱化煙氣流通截面積,增加煙氣流通沿程阻力,進(jìn)而增加鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力電耗。且冷凝水在煙道積聚,若因煙道施焊不連續(xù)或減震補(bǔ)償軟連接密封不嚴(yán),可能會(huì)滲透進(jìn)保溫材料中,保溫材料長(zhǎng)期浸透冷凝水會(huì)加速其老化變形,保溫效果勢(shì)必減弱,進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)散熱損失增加。

2.2 冷凝水的深度處理回收利用

運(yùn)行期間冷凝水的產(chǎn)生是不可避免的,偏酸屬性的冷凝水若直接排入市政污水管道,其攜帶的熱量不僅未被有效利用而損失,同時(shí)也造成了水資源的無(wú)端浪費(fèi)及污水水質(zhì)的進(jìn)一步惡化,然而經(jīng)過(guò)冷凝水回收利用處理系統(tǒng)深度處理(耐腐蝕潛污泵提升回收→石英砂過(guò)濾器除砂過(guò)濾→氨水、環(huán)己胺等堿化劑pH調(diào)節(jié)→冷凝水箱曝氣裝置處理→增壓泵增壓→錳砂過(guò)濾器截留吸附、除鐵除錳,異色、異味處理→軟化罐鈣、鎂離子去除軟化處理)水質(zhì)達(dá)標(biāo)后,可直接補(bǔ)充熱網(wǎng)水量損失,且冷凝水水溫明顯高于正常市政自來(lái)水經(jīng)軟化處理后的軟水水溫,接近于熱網(wǎng)循環(huán)回水溫度,依Q=cmΔt(其中,c為水的比熱容,J/(kg·℃);m為冷凝水質(zhì)量,kg;Δt為不同水源補(bǔ)水溫差,℃),由此溫差換得熱量后,可一定程度減少回水經(jīng)爐膛膜式水冷壁輻射及對(duì)流筒對(duì)流換熱常規(guī)熱量需求,有效節(jié)余天然氣耗量。采暖季某燃?xì)庹{(diào)峰熱源廠經(jīng)周期性數(shù)據(jù)采集,核算統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表4,表5。

表4 冷凝水深度處理回收利用氣、水節(jié)能核算統(tǒng)計(jì)表

表5 冷凝水深度處理回收利用電、鹽能耗核算統(tǒng)計(jì)表

燃?xì)夤咎峁┨烊粴饨M分色譜分析記錄表燃?xì)獾臀话l(fā)熱量為8 168.53 kcal/Nm3,由于煙氣排放前,燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣部分已在鍋爐對(duì)流筒尾部及節(jié)能器中形成冷凝,考慮潛熱釋放,設(shè)定負(fù)荷段燃?xì)獍l(fā)熱量均按8 413.59 kcal/Nm3計(jì)。

冷凝水深度處理回收利用既節(jié)約了水資源也捕獲了其自身攜帶的熱量,相較處理系統(tǒng)設(shè)備能耗情況,總體節(jié)能效益甚為可觀。但由于熱網(wǎng)補(bǔ)水時(shí)間不呈規(guī)律性,經(jīng)深度處理的冷凝水送入軟化水箱部分時(shí)段可能處于靜置狀態(tài),勢(shì)必存在溫降,其蓄積的熱量利用率不免打折;再則,冷凝水屬蒸餾水,其溶解性總固體含量很低,而鍋爐水質(zhì)溶解性總固體含量越高排污頻次也越高,由此可見(jiàn),利用冷凝水為熱網(wǎng)補(bǔ)水可以有效減少鍋爐排污頻次,一定意義上也可節(jié)省鍋爐系統(tǒng)燃?xì)饧八暮牧縖4-5]。

3 燃燒器降低NOx排放升級(jí)改造

供熱行業(yè)燃?xì)忮仩t市場(chǎng)普遍應(yīng)用的燃燒器是把燃料和空氣以一定空燃配比及流速噴入爐內(nèi),使其在爐內(nèi)進(jìn)行良好的混合以保證燃料及時(shí)著火和迅速完全地燃燒,在配合啟動(dòng)煙氣外循環(huán)系統(tǒng)FGR工況條件下,燃燒產(chǎn)物煙氣中NOx排放含量亦在30 mg/Nm3以上,雖達(dá)到屬地燃?xì)忮仩tNOx排放不大于50 mg/Nm3標(biāo)準(zhǔn),但運(yùn)行期間受大氣環(huán)境污染適控指標(biāo)強(qiáng)制性要求,部分階段須配合環(huán)保監(jiān)管部門(mén)政治任務(wù)執(zhí)行30 mg/Nm3以下NOx排放,在安全范圍內(nèi)適度越限調(diào)控外循環(huán)煙氣比率,折損鍋爐出力前提下也難以滿足超低氮排放要求,環(huán)保減排很大程度上受限。

某燃?xì)庹{(diào)峰熱源廠鍋爐升級(jí)改造選配美國(guó)柘科FreeJet超低NOx排放燃燒器,該設(shè)計(jì)帶有燃燒煙氣自由射流和分級(jí)燃燒技術(shù),可以在不使用煙氣外循環(huán)系統(tǒng)的情況下達(dá)到超低NOx排放。燃燒器爐膛內(nèi)部由中心燃?xì)鈽孋FG,FreeJet燃?xì)饧h(huán)和分級(jí)燃料FreeJet燃?xì)饧h(huán)三級(jí)火焰支持燃燒,中心燃?xì)鈽寣?dǎo)管連接并通過(guò)可產(chǎn)生低漩渦的旋流器,旋葉設(shè)計(jì)有CFG噴嘴孔,使得初級(jí)燃燒穩(wěn)定而可靠,由于中心燃?xì)鈽屘幱谥伎諝鈿饬鞯闹行?過(guò)剩空氣富氧環(huán)境一定程度冷卻了中心火焰,低負(fù)荷燃燒時(shí)可有效降低熱力型NOx產(chǎn)生;FreeJet一級(jí)和二級(jí)燃?xì)饧h(huán)在標(biāo)準(zhǔn)燃料噴射技術(shù)基礎(chǔ)上定向升級(jí)改造后,其特殊噴嘴設(shè)計(jì)有效利用流體力學(xué)燃料氣體降壓增速的射流能量,使得燃料在噴出燃料孔時(shí)獲得較大的動(dòng)量,通過(guò)文丘里結(jié)構(gòu)原理局部負(fù)壓帶吸入燃燒產(chǎn)物CO2惰性氣體稀釋燃?xì)?誘使?fàn)t膛內(nèi)部FIR自身煙氣內(nèi)循環(huán),從而降低燃料低位熱值,燃?xì)庠跊](méi)有完全燃燒前夾帶煙氣預(yù)混噴入爐膛,產(chǎn)生一個(gè)燃料低氧區(qū)域,在該區(qū)域火焰表面氧濃度被稀釋,燃料進(jìn)行一次低氧燃燒熱能釋放,降低燃燒火焰溫度,熱力型NOx產(chǎn)生能力隨之降低,二次冷富氧燃燒時(shí)冷卻一次燃燒烴類(lèi)化合物溫度,在富氧冷態(tài)環(huán)境中燃燒速率和燃燒溫度有效降低,亦可降低NOx生成,且優(yōu)化控制火焰尺寸,滿足鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)苛刻設(shè)計(jì)要求,從燃燒器升級(jí)改造中實(shí)現(xiàn)貧氧一次燃燒和冷富氧二次燃燒控制熱轉(zhuǎn)換NOx生成理念[6-7]。

該FreeJet燃燒器設(shè)計(jì)采用高度惰性氣體(煙氣混合物)和高溫爐膛環(huán)境來(lái)穩(wěn)定燃燒火焰,在位于耐火磚分層突出部位低壓區(qū)域,當(dāng)火焰穩(wěn)定時(shí),燃燒工況也是穩(wěn)定的,燃燒過(guò)程中耐火磚蓄積儲(chǔ)存熱量,從而保證火焰持續(xù)穩(wěn)定。燃燒前,爐膛通常沒(méi)有燃料僅積聚常態(tài)空氣,氧量體積占比約21%,運(yùn)行過(guò)程中爐膛含氧量一般維持2%～3%,為確保燃燒器從氧量約21%啟動(dòng)階段安全平穩(wěn)過(guò)渡到2%～3%中、高負(fù)荷高效運(yùn)行階段,燃燒器結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)有穩(wěn)定作用的凸起部位,既能夠保證燃料自射流和低氧預(yù)燃功能,又能夠保證燃料燃燒的穩(wěn)定性,且在無(wú)需獨(dú)立煙氣外循環(huán)系統(tǒng)FGR支持低氮排放,煙氣含氧量基于3%運(yùn)行工況下,NOx排放值可長(zhǎng)期低于30 mg/Nm3,通過(guò)運(yùn)行期間持續(xù)觀測(cè)及數(shù)據(jù)收集整理、分析比對(duì)研判,實(shí)際印證燃?xì)忮仩t煙氣排放連續(xù)在線監(jiān)測(cè)反饋NOx排放值基本維持在25 mg/Nm3左右,在實(shí)現(xiàn)超低氮排放的同時(shí),也根本上節(jié)余了煙氣外循環(huán)風(fēng)機(jī)動(dòng)力電耗并能有效防止助燃空氣中外煙氣循環(huán)后水霧和助燃空氣過(guò)飽和度的出現(xiàn),凸顯出節(jié)能減排的重要性[8-9]。

4 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能減排是新形勢(shì)下深入貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的必然要求,是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的關(guān)鍵舉措,現(xiàn)如今,我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度雖勢(shì)如破竹,但粗放型增長(zhǎng)模式尚未根本改變,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)附帶著很大的弊病代價(jià)付出,有限的資源和脆弱的自然環(huán)境已經(jīng)成為制約社會(huì)良性發(fā)展的瓶頸,靠大量消耗資源和惡化環(huán)境來(lái)維持經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的模式已然難以為繼,我們必須增強(qiáng)憂患和危機(jī)意識(shí),本著對(duì)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展高度負(fù)責(zé)的態(tài)度,深刻認(rèn)識(shí)節(jié)能減排工作的重要性,切實(shí)狠抓落實(shí),力求長(zhǎng)期見(jiàn)效。