燃?xì)鉄崴仩t供熱系統(tǒng)節(jié)能減排措施及效果探究

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,國內(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)展國民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備。隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化和城鎮(zhèn)化快速推進(jìn),油氣資源開發(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,在國家倡行節(jié)能降耗、環(huán)保減排工作要求前提下,可通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和采取必要的節(jié)能減排措施來提高清潔能源利用效率,優(yōu)化產(chǎn)能途徑,實現(xiàn)供熱可持續(xù)環(huán)保型發(fā)展。

1 合理調(diào)整運行方式

1.1 基于最優(yōu)空燃比運行,優(yōu)化燃燒效果

在開放的環(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照表見表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必導(dǎo)致支持燃燒的空燃比發(fā)生變化,偏離最佳運行工況的空燃比將誘使鍋爐實際運行熱效率下降,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照表

任何地方氣壓都在隨著時間的變化而改變,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間的改變而呈現(xiàn)規(guī)律性波動,晝夜之內(nèi)的日變化情況,最高值出現(xiàn)在上午9點—10點,之后氣壓開始下降,到下午15點—16點出現(xiàn)一天中氣壓的最低值,之后氣壓又開始緩慢上升,到晚上21點—22點再現(xiàn)一天中氣壓的次高值,次日凌晨3點—4點則出現(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),見圖1,通過綜合考慮室外氣溫、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),實現(xiàn)不停爐安全自動互切。

通過運行期間高效負(fù)荷段位分時段切換及實時工況和能耗比對分析,見表2,求證此運行方式可一定程度提高鍋爐運行熱效率,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)空燃比運行實時工況及能耗比對分析表

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

泵的揚程H是指單位重量流體通過泵所獲得的有效能量,在單位時間內(nèi)通過泵的流體所獲得的總能量叫有效功率,以符號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風(fēng)機(jī)所獲得的有效能量,所以其Ne=QP/1 000,其中,γ為被輸送流體的容重,N/m3;Q為流量,m3/s;H為揚程,m;P為壓頭,N/m2。

泵或風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)都是針對某一特定轉(zhuǎn)速nm來說的,當(dāng)實際運行轉(zhuǎn)速n與nm不同時,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,通過公式可直觀體現(xiàn)出采取加大泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n來提高流量的同時,原動機(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”運行時,消耗的燃?xì)饬繙p少,爐內(nèi)溫度相對較低,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”運行時,消耗的燃?xì)饬吭龆?導(dǎo)致爐內(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,在確保單臺鍋爐處于高熱效率負(fù)荷區(qū)間運行工況下,鍋爐擬定運行臺數(shù)與配套輔機(jī)設(shè)備電耗大小關(guān)系頗大,N臺鍋爐“中高負(fù)荷”高效運行比N-1臺鍋爐“高負(fù)荷”高效運行配套輔機(jī)設(shè)備節(jié)電量甚為可觀。以某燃?xì)庹{(diào)峰熱源廠采暖季運行實際為例分析,該熱源廠供熱系統(tǒng)單臺燃?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,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個不同室外溫度節(jié)點進(jìn)行比對分析研判,在鍋爐總產(chǎn)熱量接近的運行狀態(tài)下,4臺鍋爐“中高負(fù)荷”運行比3臺鍋爐“高負(fù)荷”運行大功率輔機(jī)設(shè)備耗電量少,3臺鍋爐“中高負(fù)荷”運行比2臺鍋爐“高負(fù)荷”運行大功率輔機(jī)設(shè)備耗電量少,且單臺鍋爐均處高效區(qū),具體運行工況及能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3[1]。

表3 鍋爐輔機(jī)設(shè)備運行電量節(jié)超分析統(tǒng)計表

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鍋爐接近額定流量運行,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,且單臺鍋爐運行更穩(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和過剩O2,同時還含有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。

煙氣露點指的是煙氣中水蒸氣開始凝結(jié)時的溫度,低于露點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)受熱面對流管束和煙道時,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)芯流溫度低于露點時,氣流截面將均出現(xiàn)冷凝。在燃?xì)忮仩t實際運行中,鍋爐本體煙窗出口煙氣溫度高于水蒸氣的露點溫度,煙氣中的水蒸氣主要在受熱面對流管束尾部及節(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)運轉(zhuǎn)動力電耗。且冷凝水在煙道積聚,若因煙道施焊不連續(xù)或減震補償軟連接密封不嚴(yán),可能會滲透進(jìn)保溫材料中,保溫材料長期浸透冷凝水會加速其老化變形,保溫效果勢必減弱,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,同時也造成了水資源的無端浪費及污水水質(zhì)的進(jìn)一步惡化,然而經(jīng)過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→石英砂過濾器除砂過濾→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,可直接補充熱網(wǎng)水量損失,且冷凝水水溫明顯高于正常市政自來水經(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流筒對流換熱常規(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)計情況見表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)計表

表5 冷凝水深度處理回收利用電、鹽能耗核算統(tǒng)計表

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。

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)補水時間不呈規(guī)律性,經(jīng)深度處理的冷凝水送入軟化水箱部分時段可能處于靜置狀態(tài),勢必存在溫降,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,利用冷凝水為熱網(wǎng)補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排放升級改造

供熱行業(yè)燃?xì)忮仩t市場普遍應(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著火和迅速完全地燃燒,在配合啟動煙氣外循環(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),但運行期間受大氣環(huán)境污染適控指標(biāo)強制性要求,部分階段須配合環(huán)保監(jiān)管部門政治任務(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)峰熱源廠鍋爐升級改造選配美國柘科FreeJet超低NOx排放燃燒器,該設(shè)計帶有燃燒煙氣自由射流和分級燃燒技術(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)和分級燃料FreeJet燃?xì)饧h(huán)三級火焰支持燃燒,中心燃?xì)鈽寣?dǎo)管連接并通過可產(chǎn)生低漩渦的旋流器,旋葉設(shè)計有CFG噴嘴孔,使得初級燃燒穩(wěn)定而可靠,由于中心燃?xì)鈽屘幱谥伎諝鈿饬鞯闹行?過?？諝飧谎醐h(huán)境一定程度冷卻了中心火焰,低負(fù)荷燃燒時可有效降低熱力型NOx產(chǎn)生;FreeJet一級和二級燃?xì)饧h(huán)在標(biāo)準(zhǔn)燃料噴射技術(shù)基礎(chǔ)上定向升級改造后,其特殊噴嘴設(shè)計有效利用流體力學(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獲得較大的動量,通過文丘里結(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]有完全燃燒前夾帶煙氣預(yù)混噴入爐膛,產(chǎn)生一個燃料低氧區(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,二次冷富氧燃燒時冷卻一次燃燒烴類化合物溫度,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)計要求,從燃燒器升級改造中實現(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)計采用高度惰性氣體(煙氣混合物)和高溫爐膛環(huán)境來穩(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,燃燒工況也是穩(wěn)定的,燃燒過程中耐火磚蓄積儲存熱量,從而保證火焰持續(xù)穩(wěn)定。燃燒前,爐膛通常沒有燃料僅積聚常態(tài)空氣,氧量體積占比約21%,運行過程中爐膛含氧量一般維持2%～3%,為確保燃燒器從氧量約21%啟動階段安全平穩(wěn)過渡到2%～3%中、高負(fù)荷高效運行階段,燃燒器結(jié)構(gòu)件設(shè)計有穩(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,且在無需獨立煙氣外循環(huán)系統(tǒng)FGR支持低氮排放,煙氣含氧量基于3%運行工況下,NOx排放值可長期低于30 mg/Nm3,通過運行期間持續(xù)觀測及數(shù)據(jù)收集整理、分析比對研判,實際印證燃?xì)忮仩t煙氣排放連續(xù)在線監(jiān)測反饋NOx排放值基本維持在25 mg/Nm3左右,在實現(xiàn)超低氮排放的同時,也根本上節(jié)余了煙氣外循環(huán)風(fēng)機(jī)動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

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