關(guān)博欣
摘 要:本研究以中原地區(qū)供暖用的燃油熱水鍋爐改造天然氣鍋爐項(xiàng)目為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)鍋爐概況、改造、維護(hù)與保養(yǎng)的介紹,以及從技術(shù)、效率、環(huán)保、節(jié)能等方面進(jìn)行分析,表明天然氣鍋爐具有經(jīng)濟(jì)、清潔、高效等優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞:柴油鍋爐;天然氣鍋爐;改造;節(jié)能;分析
中圖分類號(hào):TK229.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A ? ? 文章編號(hào):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
我國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。我國(guó)提出,二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值,力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。石油、煤炭、天然氣、電力等多種能源在能源系統(tǒng)中互補(bǔ)協(xié)調(diào),節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)、推廣及使用已成為必然。筆者以一臺(tái)冬季供暖用全自動(dòng)燃油(燃?xì)猓┏簾崴仩t改造項(xiàng)目為研究對(duì)象。近十年,該鍋爐一直以輕柴油為燃料,并在2021年冬季供暖前改造為天然氣鍋爐,在達(dá)到高效節(jié)能、低碳環(huán)保要求的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了提質(zhì)增效。
1 鍋爐概況
中原地區(qū)某廠區(qū)內(nèi)一臺(tái)功率為1.05 MW的冬季供暖用全自動(dòng)燃油(燃?xì)猓┏簾崴仩t,其可使用柴油、天然氣等燃料,電源電壓為220 V或380 V±5 V,機(jī)器均安裝有可靠的接地線。
1.1 結(jié)構(gòu)
該鍋爐采用鍋殼式三回程、全濕背的結(jié)構(gòu)。燃料在爐膽內(nèi)微正壓燃燒,高溫?zé)煔庋貭t膽向后經(jīng)回燃室進(jìn)入第一煙道管束,經(jīng)壓迫式前煙箱轉(zhuǎn)折180°后進(jìn)入第二管束,經(jīng)過(guò)對(duì)流換熱后排入大氣[1]。
鍋爐所有的受壓元件與鍋筒為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu),鍋爐采用全濕背式結(jié)構(gòu),以極大的內(nèi)筒和偏心火箱的結(jié)構(gòu),有利于提供足夠的輻射受熱面。對(duì)流受熱面由第二回程和第三回程的管束構(gòu)成?;厝际仪肮馨迮c爐膽相連接,回燃室后管板采用橢球形封頭和管板。第二回程和第三回程轉(zhuǎn)變煙室成了前煙箱,此處煙的溫度已低于500 ℃。因此,前煙箱的結(jié)構(gòu)采用輕型結(jié)構(gòu)的耐火保溫材料。后煙箱煙氣出口布置在沿筒體的縱軸方向。在鍋爐啟動(dòng)停止時(shí),冷凝水會(huì)腐蝕鍋爐本體。鍋爐回水入口內(nèi)設(shè)有混水裝置,回水先刷煙管管束,再接觸爐膽,提高了回水的水溫,從而避免局部產(chǎn)生沸騰的現(xiàn)象[2]。
1.2 優(yōu)點(diǎn)
該鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊、受熱面積大、熱效率高、升溫快、供應(yīng)熱水充足,且安裝維護(hù)方便。改造前鍋爐采用輕柴油進(jìn)口燃燒器,配有循環(huán)水泵,由全自動(dòng)程序進(jìn)行控制,有過(guò)熱保護(hù)、缺水保護(hù)、自檢功能等多重保護(hù)功能。該鍋爐安全可靠,且自動(dòng)化程度高。
1.3 供水
鍋爐周?chē)勾娣乓兹家讚]發(fā)物質(zhì)。鍋爐房要始終保持干燥清潔,避免控制系統(tǒng)受潮。鍋爐設(shè)有膨脹水箱,水箱離鍋爐上部要高出1 m左右,使用額定流量和額定揚(yáng)程與之相適應(yīng)的循環(huán)泵。采用防火材料,做好保溫,防止熱損耗和火災(zāi)。各連接處要保證密封,以防漏水。鍋爐的補(bǔ)水必須由膨脹水箱進(jìn)行供水,不能直接連接到自來(lái)水管。水質(zhì)應(yīng)符合《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》(GB/T 1576—2018)中的相關(guān)要求(見(jiàn)表1),要經(jīng)常化驗(yàn)水質(zhì),以確保水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn),防止鍋殼底部結(jié)垢[3]。
2 鍋爐改造
2.1 改造原則
按照國(guó)家出臺(tái)的節(jié)能降耗和環(huán)保政策,以及國(guó)家安全生產(chǎn)政策,在消除安全隱患的同時(shí),提高管理水平。合理利用已有設(shè)施,降低工程造價(jià),確保技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。
一臺(tái)1.05 MW的燃油熱水鍋爐,供回水溫度為85 ℃/60 ℃,改造的主要部分是將燃油燃燒器更換為低氮燃燒器,該燃燒器以天然氣為燃料(氮氧化物排放濃度≤30 mg/m3),包括低氮燃燒器控制柜(防爆)、爐前閥組等必備器件。
氣源為燃?xì)庥邢薰疽呀ǖ奶烊粴夤艿溃K點(diǎn)為鍋爐房。在可燃?xì)怏w易泄漏區(qū)域和室外可燃?xì)怏w調(diào)壓箱處均設(shè)有可燃?xì)怏w探測(cè)器,配電室設(shè)有可燃?xì)怏w報(bào)警控制器。當(dāng)任何一臺(tái)可燃?xì)怏w探測(cè)器探測(cè)到的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到20% LEL時(shí)高報(bào)警,達(dá)到40% LEL時(shí)高高報(bào)警,并聯(lián)鎖關(guān)閉電磁閥,將可燃?xì)怏w報(bào)警控制器的信號(hào)上傳至控制室PLC系統(tǒng),同時(shí)啟動(dòng)鍋爐房軸流風(fēng)機(jī)。
2.2 燃燒器更換
改造是將原有的輕柴油燃燒器更換為多重燃燒超低氮燃燒器。多重燃燒超低氮燃燒器由進(jìn)風(fēng)箱、風(fēng)機(jī)、混合燃燒頭、點(diǎn)火槍、控制箱、閥組等部分組成?;旌先紵^內(nèi)有中心槍、分配器、內(nèi)圈噴射口、外圈噴射口等部件,燃燒器采用管內(nèi)走燃?xì)狻⒐芡夤┲硷L(fēng)的方式。槍及噴口采用分層、分段的方式布置,使火焰得以充分展開(kāi),在爐膛內(nèi)形成不同的壓力場(chǎng)區(qū)域,避免火焰過(guò)于集中,造成火焰的平均溫度降低,從而減少氮氧化物的產(chǎn)生。再加上煙氣回收系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)在低氧量情況下超低氮氧化物排放。
多重燃燒超低氮燃燒器采用模塊化的控制方式,提供預(yù)吹掃和后吹掃、點(diǎn)火系統(tǒng)控制、流量調(diào)節(jié)、風(fēng)燃比配比、安全聯(lián)鎖保護(hù)等全自動(dòng)程序功能。
2.2.1 多重燃燒超低氮燃燒器混合燃燒頭。多重燃燒超低氮燃燒器混合燃燒頭(見(jiàn)圖1)的槍及噴口采用分層、分段的布置方式,通過(guò)錯(cuò)層、錯(cuò)位布置燃燒器機(jī)頭,可在爐膛內(nèi)形成不同的壓力場(chǎng)區(qū)域,能夠使氣流產(chǎn)生回旋,從而形成內(nèi)循環(huán),使燃?xì)饽軌虺浞秩紵?,降低排放氣體中氮氧化物的含量。
2.2.2 點(diǎn)火槍。在多重燃燒超低氮燃燒器中,燃?xì)馔ㄟ^(guò)燒頭分級(jí)噴射后與空氣混合直接燃燒,并采用雙極打火的方式。點(diǎn)火變壓器將220 V電壓轉(zhuǎn)換成2×7.5 kV電壓通過(guò)高壓導(dǎo)線、點(diǎn)火電極,在點(diǎn)火電極尖點(diǎn)間產(chǎn)生電火花,電火花成功率達(dá)到100%。由于點(diǎn)火槍槍頭部分采用的是耐火材料,所以在燃燒運(yùn)行時(shí)無(wú)須退出。
2.2.3 火檢系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)火焰探測(cè)器來(lái)感應(yīng)是處在點(diǎn)火狀態(tài),還是主火焰出現(xiàn)故障,從而確保燃燒器能夠點(diǎn)火成功或自動(dòng)關(guān)閉。
2.2.4 燃?xì)庀到y(tǒng)。燃?xì)馔ㄟ^(guò)過(guò)濾器到達(dá)燃燒區(qū)域時(shí),主要是由主燃?xì)夤苈飞系y來(lái)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。燃?xì)馔ㄟ^(guò)組合電磁閥(關(guān)閉閥、壓力調(diào)節(jié)器)和流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入燃燒器,流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)輸入需求來(lái)控制流量。調(diào)節(jié)閥是通過(guò)執(zhí)行器來(lái)設(shè)置位置,空氣和煙循環(huán)系統(tǒng)擋板是由控制器驅(qū)動(dòng)風(fēng)門(mén)執(zhí)行器(伺服)來(lái)控制開(kāi)度。燃?xì)怅P(guān)斷閥只在燃?xì)庑孤╅_(kāi)關(guān)閉合時(shí)才會(huì)被啟動(dòng)。當(dāng)燃?xì)鈮毫φr(shí),高壓及低壓燃?xì)鈮毫﹂_(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài),如果超過(guò)正常氣壓范圍,二者則會(huì)斷開(kāi)。
2.2.5 煙氣再循環(huán)。煙氣再循環(huán)(FGR)是鍋爐燃燒領(lǐng)域中一種能夠有效降低NOx含量的方法。根據(jù)鍋爐現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)FGR系統(tǒng)進(jìn)行合理的布置。在鍋爐煙氣出口處,通過(guò)煙氣再循環(huán)管道接至鼓風(fēng)機(jī)入口的混合箱,使煙氣與空氣進(jìn)行混合。通過(guò)調(diào)節(jié)再循環(huán)煙道上的控制擋板及空氣的進(jìn)風(fēng)風(fēng)門(mén)擋板,循環(huán)煙氣量和空氣量的配比達(dá)到最佳。
2.2.6 燃燒器安裝。在鍋爐或其他加熱設(shè)備安裝前,應(yīng)準(zhǔn)備好相應(yīng)尺寸的安裝板。安裝時(shí),先將燃燒頭配備好的法蘭與鍋爐或加熱設(shè)備連接在一起。鍋爐喉口與燃燒頭之間的間隙部分要用硅酸鋁棉(或其他密封隔熱防火材料)進(jìn)行填塞,確保隔熱保溫。燃燒器和前爐墻板接口部分要填塞石棉繩(或其他密封隔熱墊),從而確保無(wú)煙氣泄漏。
2.2.7 燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)。燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)可通過(guò)控制屏控制手操器來(lái)選擇是自動(dòng)控制,還是手動(dòng)控制。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)控制(Auto)時(shí),系統(tǒng)根據(jù)鍋爐蒸汽壓力/出水溫度的設(shè)定值來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)火力大小。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)控制(Manual)時(shí),可通過(guò)控制屏按鍵來(lái)手動(dòng)增加或減少負(fù)荷。
2.2.8 燃燒器維護(hù)。燃燒器控制系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行需要定期進(jìn)行檢查和維護(hù)。在進(jìn)行維護(hù)和檢查時(shí),應(yīng)遵循以下6個(gè)原則:在進(jìn)行定期維護(hù)或檢查前,確保關(guān)閉任何燃料供應(yīng);除去所有電器接點(diǎn)、控制室內(nèi)的風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥等設(shè)備上的灰塵或異物;火檢系統(tǒng)、限位開(kāi)關(guān)、執(zhí)行器等安全裝置的維護(hù)只能由經(jīng)過(guò)授權(quán)或認(rèn)證的人員進(jìn)行;安全設(shè)備的功能測(cè)試應(yīng)在定期維護(hù)時(shí)進(jìn)行,以確保所有開(kāi)關(guān)工作正常;控制系統(tǒng)本身不需要調(diào)整,如需要任何額外調(diào)整或故障排除,要聯(lián)系維修人員;保持火焰探測(cè)器的清潔,確保其不沾上灰塵或異物。
2.3 燃?xì)庹{(diào)壓箱
本研究通過(guò)新建一座燃?xì)庹{(diào)壓箱,其內(nèi)采用高品質(zhì)調(diào)壓器和過(guò)濾器,最大流量為150 Nm3 /h。調(diào)壓箱之前管道的設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa,調(diào)壓之后管道的設(shè)計(jì)壓力為50 kPa 。在用氣單位廠區(qū)內(nèi)到鍋爐房用氣點(diǎn)之間設(shè)有調(diào)壓箱,經(jīng)調(diào)壓計(jì)量后輸送至鍋爐用氣點(diǎn)。
懸掛式調(diào)壓箱距其他建筑物、構(gòu)筑物的水平凈距(m)應(yīng)符合表2中的規(guī)定。
調(diào)壓箱的箱底距地坪的高度為1.0~1.2 m,可安裝在用氣建筑物的外墻壁或懸掛在專用的支架上。當(dāng)安裝在用氣建筑物的外墻上時(shí),調(diào)壓器進(jìn)出口的管徑不宜大于DN50。
調(diào)壓箱到建筑物的門(mén)、窗或其他通向室內(nèi)孔槽的水平凈距應(yīng)符合以下規(guī)定。當(dāng)調(diào)壓器進(jìn)口燃?xì)鈮毫Σ淮笥?.4 MPa時(shí),不應(yīng)小于1.5 m;調(diào)壓箱不應(yīng)安裝在建筑物的門(mén)窗上方、下方墻上方及陽(yáng)臺(tái)的下方,不應(yīng)裝在室內(nèi)通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口墻上;安裝調(diào)壓箱的墻體應(yīng)為永久性的實(shí)體墻,其建筑物耐火等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí),調(diào)壓箱上應(yīng)有自然通風(fēng)孔。
2.4 鍋爐的供氣管路
燃燒器上有進(jìn)氣法蘭接口,只要將進(jìn)氣管法蘭與燃燒器管法蘭連接起來(lái)即可。燃?xì)庠谶M(jìn)入燃燒器前,裝設(shè)有必要的閥門(mén)及檢測(cè)系統(tǒng),并設(shè)置燃?xì)馐謩?dòng)和自動(dòng)切斷裝置。
2.5 可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)
天然氣發(fā)熱量、總硫和硫化氫含量、水露點(diǎn)指標(biāo)應(yīng)符合《天然氣》(GB 17820—2018)中的二類氣的相關(guān)規(guī)定。天然氣的烴露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5 ℃,天然氣中不應(yīng)有固態(tài)、液態(tài)或膠狀物質(zhì)。
在氣體檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中,氣體探測(cè)器將探測(cè)到的氣體濃度傳輸至氣體報(bào)警控制器,一旦可燃?xì)怏w濃度達(dá)到20% LEL的低限報(bào)警值時(shí),控制主機(jī)就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警,并輸出低限報(bào)警信號(hào)(保持信號(hào)),然后啟動(dòng)排風(fēng)扇,降低現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w的濃度。如果探測(cè)器探測(cè)到可燃?xì)怏w的濃度持續(xù)上升,并達(dá)到40%LEL高限報(bào)警值時(shí),控制主機(jī)會(huì)輸出高限報(bào)警信號(hào),并啟動(dòng)緊急切斷電磁閥,切斷氣源。
2.6 改造注意事項(xiàng)
各測(cè)控點(diǎn)的位置可做適當(dāng)調(diào)整,但必須符合規(guī)范要求。所有電纜外部有保護(hù)鋼管,由防爆撓性接管、防爆密封接頭敷至儀表和防爆接線箱。儀表和防爆接線箱應(yīng)使用金屬防爆密封封堵頭進(jìn)行嚴(yán)格密封?,F(xiàn)場(chǎng)要嚴(yán)格按照有關(guān)防爆規(guī)范進(jìn)行施工。儀表及自控系統(tǒng)采用聯(lián)合接地的方式?,F(xiàn)場(chǎng)儀表外殼、電纜屏蔽層、電纜備用芯均按要求進(jìn)行接地,接地電阻不大于4 Ω。自控電纜與電力電纜平行敷設(shè)時(shí)距離不小于0.45 m。自控施工要嚴(yán)格按照《自動(dòng)化儀表工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50093—2013)中的要求執(zhí)行。
3 鍋爐的維護(hù)與保養(yǎng)
3.1 維護(hù)
每季都要檢查電器儀表線路是否松動(dòng),并清掃灰塵。檢查所有鍋爐閥門(mén)是否完好,并進(jìn)行清洗工作。清洗水泵入口濾網(wǎng)或油氣過(guò)濾網(wǎng)。每年要檢查密封墊片及煙垢,從而決定是否更換或清理,同時(shí)檢修澆注的耐火混凝土和密封石棉墊(繩)。檢查鍋爐及管道的腐蝕情況,檢查電機(jī)、電器、線路的絕緣情況,檢查儀表指示的正確性。
3.2 保養(yǎng)
鍋爐停爐時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),必須進(jìn)行保養(yǎng),以防止鍋爐受熱面的腐蝕,常用的保養(yǎng)方法有干法和濕法保養(yǎng)。
3.2.1 干法保養(yǎng)。鍋爐停爐后,將鍋爐內(nèi)的水放完,并對(duì)內(nèi)部污垢進(jìn)行清洗,用小火烘干。將直徑10~30 mm的塊狀生石灰或無(wú)水氯化鈣放入鍋爐盆內(nèi),放6 kg左右。然后將鍋筒關(guān)嚴(yán),之后每三個(gè)月檢查一次,若發(fā)現(xiàn)干燥劑失效,要及時(shí)更換。
3.2.2 濕法保養(yǎng)。濕法保養(yǎng)就是將堿性液體灌滿整個(gè)鍋爐。鍋爐停爐后,放出鍋爐內(nèi)的水,將內(nèi)部污垢清理干凈,然后注入凈水,再將固體藥品(如磷酸三鈉Na3PO4)配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%~0.2%的藥液,將其注入鍋筒內(nèi),防止金屬被腐蝕。
4 改造對(duì)比
4.1 技術(shù)
改造前,燃油鍋爐正常運(yùn)行需要配備輔助設(shè)備,而燃?xì)忮仩t不需要配備輔助設(shè)備。改造只對(duì)燃燒器、管路進(jìn)行更換,爐體本身基本不需要改造,改造工程量不大,可大幅度提高鍋爐的效率。
4.2 效率高
新的天然氣燃燒器助燃風(fēng)系統(tǒng)可以將回收的煙氣通過(guò)煙氣混合箱先送入風(fēng)機(jī)再經(jīng)過(guò)燃燒頭,充分利用煙氣的余熱,可以提高鍋爐的熱效率[4]。
4.3 環(huán)保
目前,阻斷NO2形成或降低NO2含量的技術(shù)已日趨成熟,可有效控制NO2實(shí)現(xiàn)低排放。改造后,燃燒器是低氮型,鍋爐的氮氧化物、二氧化硫、顆粒物、煙氣黑度均有所降低,從而減少空氣污染,實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)[5]。
4.4 節(jié)能
本次項(xiàng)目改造的是中原地區(qū)某廠區(qū)內(nèi)的鍋爐,供暖時(shí)長(zhǎng)為2021年11月15日零時(shí)至2022年3月15日零時(shí),該地區(qū)冬季氣溫為-10~9 ℃,廠區(qū)供暖面積為10 130 m2。鍋爐燃料消耗對(duì)比表如表3所示。
天然氣按單價(jià)4.5 元/m3來(lái)計(jì)算,年耗氣總費(fèi)用為370 602元,同比改造前年消耗柴油60 t,柴油按當(dāng)季實(shí)時(shí)平均單價(jià)7 729 元/t計(jì)算,年消耗柴油463 740元,共節(jié)約成本93 138元。
5 結(jié)語(yǔ)
隨著鍋爐廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高,將輕柴油為燃料的燃油鍋爐改造為天然氣鍋爐已成為一種趨勢(shì)。天然氣鍋爐燃料燃燒后有害物排放量比柴油低,既提高了燃料的利用率,也節(jié)約了成本。改造后有斷氣保護(hù),安全性也隨之提高。天然氣屬于清潔環(huán)保能源,本研究的改造不僅促進(jìn)了新能源和清潔能源的發(fā)展,也是助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的途徑之一。
參考文獻(xiàn):
[1] 陶永明.鍋殼式燃油燃?xì)忮仩t原理與設(shè)計(jì)[M].蘇州:蘇州大學(xué)出版社,2021.
[2] 曹治明,王凱軍,謝巒峰,等.燃油燃?xì)忮仩t運(yùn)行實(shí)用技術(shù)[M].鄭州:黃河水利出版社,2021.
[3] 奚士光,吳味隆,蔣君衍.鍋爐及鍋爐房設(shè)備[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995.
[4] 王海榮,費(fèi)志強(qiáng),李芳芹.鍋爐節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2017.
[5] 周強(qiáng)泰.鍋爐原理[M].北京:中國(guó)電力出版社,2013.