《燃气技术在锅炉改造中的应用研究》7500字

燃气技术在锅炉改造中的应用研究目录TOC\o"1-3"\h\u引言 1第1章相关概述 11.1燃煤锅炉和燃气锅炉介绍 11.2燃气锅炉的构造和特点 11.3燃气技术的发展趋势和关键技术研究 2第2章锅炉的排放与NOx的生成 42.1燃气锅炉与燃煤锅炉的排放 42.2NOx的生成 42.2.1热力型NOx 42.2.2快速型NOx 52.2.3燃料型NOx 5第3章当前燃气锅炉存在的问题及解决措施 63.1当前燃气锅炉存在的问题 63.1.1质量不统一，售后不完善 63.1.2气体燃烧不充分，燃料利用率低 63.1.3排烟和排污时，热量损失严重 63.2燃气锅炉改造的解决措施 63.2.1构建燃气锅炉质量标准 63.2.2缩小锅炉内空气系数，合理配置燃烧器 73.2.3采用冷凝式锅炉，除烟环保，节省资源 7第4章低氮改造方案 84.1当前低氮燃烧技术 84.1.1空气分级燃烧技术 84.1.2燃料分级燃烧 84.1.3浓淡燃烧法 94.1.4全预混空气燃烧 94.2低氮改造方案的方法运用 94.2.1分级燃烧 94.2.2燃烧机预混 104.2.3烟气再循环 10第5章结束语 12参考文献 13引言随着社会经济的不断发展，人们的物质生活水平不断提高，环境保护问题成为近年来的重点，环保观念已经深入人心，为了将环保工作落实，就需要全面实行“煤改气”工程，将燃煤锅炉改用燃气锅炉，既响应了国家的环保政策，又使燃气锅炉技术得到更好的利用和发展，取得“双赢”的发展局面。燃气锅炉具有原料燃烧较充分、燃烧高热值、且危险性低、尾气排放无污染等优点，可以有效的降低对空气环境的污染。由此，本文对通过燃气技术改造锅炉进行了研究，主要通过对燃气锅炉和燃煤锅炉的排放对比，指出了燃气锅炉的优势；同时指出了当前燃气锅炉存在的问题，并给出了对应的解决措施；最后设计了燃气锅炉的低氮改造方案，可以给各个地区提供一定的参考。第1章相关概述对比燃煤锅炉来说，燃气锅炉有着各种各样的优势，而燃气锅炉的改造则主要是依靠燃气技术来进行的。由此，对当前锅炉介绍以及燃气锅炉的构造特点分析进行了探讨，旨在确立本文的理论基础。1.1燃煤锅炉和燃气锅炉介绍燃气锅炉的定义指的是所有使用可燃气体作为燃料的锅炉，这是一个很广泛的概念，按具体使用的燃料，产品结构，烟气流程，锅炉本体材料，燃烧方式可以分为很多种。天燃气锅炉顾名思义指的是燃料为天燃气的锅炉，天燃气锅炉和燃油锅炉、电锅炉比较起来最经济，所以大多数人们都选择了天燃气锅炉作为蒸汽、采暖、洗浴用的锅炉设备。燃煤锅炉和燃气锅炉正常生产用水相等，但燃气锅炉节约了燃煤锅炉用来除尘、除渣等防尘的辅助用水。燃气锅炉燃料输送及其它辅助设备少，功率小，连续运行时间短，所以耗电量低，费用较省。燃煤锅炉运行时产生大量烟尘，对环境造成很大污染，而天然气为清洁能源，对环境有很大的改善。1.2燃气锅炉的构造和特点（1）较高的热效率。由于水与烟气在炉膛内直接接触换热，设备的换热效率很高，经国家有关部门检测，该设备效率达98%。（2）安全可靠。燃气热水机组内没有锅筒，没有烟管，只有水管。简单地说就相当于一个换热管，烟气与水全部在避开的筒体内交换，才采用了避开式结构和有容无压的工艺。所以设备运行起来非常安全，完全排除了锅炉承受爆炸的隐患。（3）体积小。由于该设备独特的结构设计，使得设备的体积和占地面积都小于同规格的常规锅炉。可安装地下室，裙楼或建筑物的顶部。（4）升温速度。燃气热水机组由于是烟气直接与水相容结，所以它加热的热水速度非常快。只需要启动很短时间即可达到供水要求。这种快速升温的特点是任何采暖和生活用水设备所不能比拟的。（5）绿色环保。燃气热水机组的烟气排放物中二氧化硫和氮氧化物的排放量仅为﹤1mg/m³和212mg/m³。远远低于国家排放标准中的500mg/m³和400mg/m³。1.3燃气技术的发展趋势和关键技术研究随着社会生活的信息化和经济的全球化，城市燃气工程作为与人们日常生活息息相关的基础性工程，其重要性日益突出，并受到了人们的广泛关注和重视。因此，针对我国城市燃气工程中存在的不足和弊端，要采取措施进行解决。城市燃气技术是进一步发展燃气工程的基础，只有不断对其进行创新，才能更好的发展。我国城市燃气技术的发展趋势主要是将燃气输配系统建设过程中存在的问题给予解决，并全面系统地掌握发达国家的先进技术，与我国的燃气技术进行比较和分析，总结出我国城市燃气技术的不足之处，进而在城市燃气输配系统中融入科技元素，推动燃气设备以及燃气信息化产业的健康发展，促使燃气技术向着更高、更好的方向发展。因此，城市燃气应该重点对以下关键技术进行研究。调峰与储气。重点研究城市高压环状管网、球罐、地下储气库、采用LNG等储气方式。对凋峰手段的技术经济性进行分析，并针对不同的城市燃气输配情况，采用与之相适应的储气方案，从而达到事半功倍的效果。建立相关数据库。以负荷与负荷特性的研究为基础建立数据库，建立对管网计算的评价方法和管网的模拟，不断实践检验和修正流量计算公式。进一步研究和修正管道埋设的强度计算方法，将高新技术应用于施工过程、维修改建以及运行中，并针对特殊地形的管道穿越方式进行研究。（4）建设城市燃气技术标准规范，并使之与国际接轨。第2章锅炉的排放与NOx的生成2.1燃气锅炉与燃煤锅炉的排放北京市从1998年开始进行燃煤锅炉清洁能源改造，持续推进多年后，目前燃煤锅炉总量约3万蒸吨，燃气锅炉约7万蒸吨。与之前比较，现在大气污染物构成比例发生了较大变化，燃煤锅炉时期主要是SO2、烟尘和NOx带来的污染，燃气锅炉为主时期减少了SO2、烟尘污染，但是NOx排放量却有所增加，带来了新的问题。肖云江等人在研究中提出燃气锅炉(热效率90%)提供1GJ热量所产生的NOx是燃煤锅炉(热效率82%)的3．5倍。2015年，北京市NOx浓度达标情况为，年均浓度为50μg/m3，与40μg/m3的国家标准相比超标25%。根据北京大学气象站点的空气监测数据，PM2．5与NOx的变化趋势呈现强相关性，NOx排放是重污染形成的主要因素之一。北京市的季节性污染特征明显，采暖季污染程度明显大于非采暖季，这其中有气候条件不利污染物扩散等方面因素，但重污染天气更主要的原因还在于季节性能源消耗产生的污染物排放，这种现象在整个北方地区都比较普遍。燃气锅炉作为北京地区冬季供暖的主要热源，所排放的NOx对大气污染的贡献率较大。煤改气后燃气锅炉的降氮问题开始引起环保部门重视，北京市NOx的排放浓度限值较之前更为严格，2017年4月1日开始执行在用锅炉80mg/Nm3的排放限值。王庆丰等对北京市85台小区集中供热燃气锅炉NOx排放情况进行了实测，测试数据表明:燃气锅炉NOx平均排放质量浓度为125mg/m3。另据环保部门调查报告，北京市NOx排放均值浓度为153mg/m3。这两组数据都表明，目前北京市的在用锅炉NOx排放达标困难。2.2NOx的生成燃料在燃烧过程中产生NOx可分为三种类型：热力型、快速型和燃料型，NOx主要成分是NO和NO2，其中NO占95%以上，它们的产生有着各自不同的机理。燃气锅炉产生的NOx主要是热力型NOx和快速型NOx。2.2.1热力型NOx燃烧时温度高于1500℃，空气中的氮在高温下氧化生成的NOx，即为热力型NOx。这种NOx只在高温下形成，其中的生成过程是一个不分支连锁反应，也被称为捷里多维奇反应式。N2+O→NO+NN+O2→NO+ON+OH→H+NO研究表明，决定NOx产生量的最主要变量是炉膛温度。当温度低于1500℃时，热力NOx的生成量很少;高于1500℃时，温度每升高100℃，反应速率将增大6倍～7倍。2.2.2快速型NOx1971年，费尼莫尔(Fenimore)根据碳氢燃料预混火焰的轴向NO分布实验结果，认为在反应区附近会快速生成NO，遂称其为“快速NO”，即费尼莫尔反应机理。快速型氮是在高燃料浓度燃烧条件下生成的。快速NO的形成与三个因素有关，即CH原子团的浓度及形成过程、N2分子反应生成氯化物的速率和氮化物间相互转换率。CH+N2→HCN+NN+H2→NH+HNH+H2→NH3HCN+O2→NO+HCO2.2.3燃料型NOx燃料型NOx是燃料中固定氮在高温(600℃)氧化后生成的NOx，煤燃烧时约75%～90%的NOx是燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤锅炉产生NOx的主要来源。而天然气中氮的含量非常少，基本可以忽略。第3章当前燃气锅炉存在的问题及解决措施3.1当前燃气锅炉存在的问题随着雾霾等污染的加剧，人们对环境保护的重视，许多地区都进行了“煤改气”这一举措，虽然环境污染逐渐得到了缓解，然而在当前，许多地区在“煤改气”的过程中暴露了许多问题，使得全面减排这一政策受到了影响。3.1.1质量不统一，售后不完善全国各地使用燃气锅炉的很多，生产的燃气锅炉也各色各样，各行各业对锅炉的要求也不一样。而且生产厂家为了降低成本，生产出来的燃气锅炉质量不过关，直接被投入使用，导致安全事故频繁发生。还有些企业售后服务不完善，对用户反映的情况视而不见，态度服务差，出现随意安装，草草了事等现象，严重影响了用户的使用效果，削减了燃气锅炉的口碑。3.1.2气体燃烧不充分，燃料利用率低质量合格的燃气锅炉在正常的情况下，气体充分燃烧，热能利用率高损失较少，节约资源；而燃气锅炉在使用一段时间后或锅炉质量不过关的情况下，气体的燃烧率在90%左右，将会损失10%的热能和资源；燃料在锅炉燃烧后，排烟温度相对较高，烟气中的水蒸汽仍处于气态，会带走大量的热量。燃气锅炉燃料利用率低，气体燃烧不充分，燃烧率在50%左右，浪费大部分热能和资源。3.1.3排烟和排污时，热量损失严重一般情况下，排烟和排污量与热能损失成正比，排烟量越大，排烟温度越大，热能损失就越大；排污率越大，排污压力越高，排污损失越大。由于燃气锅炉没有排污热能回收装置，所以排放污水和排烟会对热量损失严重。3.2燃气锅炉改造的解决措施3.2.1构建燃气锅炉质量标准联系相关部门，统一国家燃气锅炉质量标准，完善公司售后服务，可以通过写信或电子邮件或公告的方式，将统一国家燃气锅炉质量标准的愿望告诉相关部门，达成质量统一和协作。同时建立健全公司售后服务体系，保证公司有良好的服务态度和责任心，保证公司安装和维修锅炉的质量，深化售前、售中和售后服务改革，保障用户的良好体验和公司的良好信誉和口碑，建立一个集技术、服务、质量为一体的体系，这样可以在一定程度上降低事故的发生率。3.2.2缩小锅炉内空气系数，合理配置燃烧器气体的不充分燃烧主要是因为锅炉之中掺杂了许多空气，过量的空气系数，导致燃烧时会出现大量的烟雾，带走大量的热量，损失大部分的热能。因此，在保证燃气锅炉燃烧率的基础上，尽可能地降低过量的空气系数，合理配置燃烧器，严格进行调试，使燃烧器与锅炉设备特点相匹配，既能使燃料充分燃烧，又能减少热能损失。3.2.3采用冷凝式锅炉，除烟环保，节省资源冷凝式锅炉就是利用高效的烟气冷凝余热回收装置来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸汽凝结所释放的潜热，以达到提高锅炉热效率的目的。冷凝式锅炉与传统的锅炉不同，传统的锅炉排烟的温度在150-200摄氏度之间，排烟时，会导致炉内的水高温气化时造成热量流失；冷凝式锅炉与之不同的是：它能利用热量回炉凝结的成水的原理，降低排烟温度，并将其保持在50-80摄氏度之间，冷凝式锅炉既回收了排烟时的热量，减少了损失，又能除去烟中的有害物质，节能环保。同时定期做污水处理和清洗锅炉或者使用软化水，减少水垢的出现，这样能保证锅炉内的清洁，能有效减少锅炉内的损伤程度，可进一步保证用户的身体健康。如果在锅炉的底部安装一个污水处理装置，促进污水的重复利用率，又能达到节约水资源的效果。第4章低氮改造方案通过以上分析，对燃气锅炉进行低氮改造能在很大程度上解决很多问题，能进一步有效减少环境污染。西方发达国家早在数十年前就遇到了NOx污染问题，其控制对策值得借鉴。燃气锅炉低氮燃烧技术发展到现在，主要通过分级燃烧、燃烧机预混和烟气再循环等技术手段和措施来进行低氮控制。4.1当前低氮燃烧技术当前低氮燃烧技术主要方法有空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、浓淡燃烧技术、全预混燃烧技术、烟气再循环技术。4.1.1空气分级燃烧技术空气分级燃烧技术是将空气分级送入锅炉，使天然气在炉内分级燃烧。通常采用的方法是第一级营造贫氧燃烧环境，降低燃烧区域的氧浓度及燃烧温度，减少热力型NOx的产生；第二级将燃烧所需的其余空气通过燃烬风喷口（位于燃烧器）进入炉内，形成富氧燃烧环境，将燃料燃尽。燃烧过程中会有一部分一级燃烧残留的氮氧化为NO，但由于燃烧温度较低，总的生成量不大。采用空气分级燃烧技术，通常可将氮氧化物的排放量减少约20%～30%。但由于采用该燃烧技术之后，增大了不完全燃烧热损失，致使炉膛内的燃烧区域向后面区域偏移，导致炉膛出口烟温骤升，从而大大降低了燃料燃烧的热效率。该技术目前在工业应用中使用较为广泛。4.1.2燃料分级燃烧燃料分级燃烧也被称为燃料再燃技术。已生成的NO在遇到烃根和未完全燃烧产物时，会发生还原反应。利用这一原理，将80%～85%燃料送入一级燃烧区（富燃料区），在过剩空气系数大于1的条件下燃烧生成NOx；其余15%～20%的燃料则通过主燃烧器送入二级燃烧区，在过剩空气系数小于1的条件下形成还原气氛，将NOx还原。二级燃烧区上面还布置第三级燃烧区（燃尽区），将二级燃烧生成的未完全反应产物燃尽。燃料分级燃烧法技术可以较大程度地降低NOx排放，一般情况下可以使NOx排放浓度降低50%以上，同时保证燃料一级燃烧的良好效果。4.1.3浓淡燃烧法浓淡燃烧法适用于装有两个燃烧器以上的锅炉，该方法原理是给部分燃烧器供应较多的空气（呈贫燃料区，α＞1），即燃料过淡燃烧，此过程空气含量过量，使燃烧火焰降低，热力型NOx产生量较少；部分燃烧器供应较少的空气（呈富燃料区，α＜1），即燃料过浓燃烧，此过程燃料过量，会有NOx生成，但因炉内整体温度较低，氧气贫乏，其生成量较少；浓淡燃烧的两种情况均偏离了NOx产生的化学当量比，因此降低了NOx的生成浓度。浓淡燃烧法因天然气在炉内的持续燃烧使锅炉内的温度更加均匀，从而降低炉内燃烧温度，延长燃烧器及炉体寿命，同时提高天然气的热效率。使用该法工作时应协调两种燃烧形式，使浓淡互补、搭配均匀，才能达到好的降低火焰温度、减少NOx产生的效果。4.1.4全预混空气燃烧燃气全预混燃烧是指天然气在进入燃烧器前与足够的空气充分混合，燃烧过程中不再供给空气的燃烧方式。全预混燃烧的火焰传播速度快，燃烧室内容积热强度高，一般可达28～56×103kW/m2，且能在很小的过剩空气系数下达到完全燃烧（通常α＝1.05～1.1），几乎不存在不完全燃烧现象。全预混燃烧器表面式燃烧，火焰径向分布，温度场均匀，火焰稳定，安全性好，与传统的燃气燃烧器相比，燃烧更均匀、充分，燃烧表面大，强度高，空气过量系数小，不需要二次空气，省去了二次空气的入口的面积，更有利于热能的利用和环境保护。（1）全预混燃烧不产生燃料型氮氧化物；（2）不产生快速型氮氧化物；（3）全预混燃烧降低了热力型氮氧化物的生成浓度，因此降低氮氧化物浓度的效果较为明显。但全预混燃烧器对进气系统的要求较其他燃烧器更高，使用时应该注意。4.2低氮改造方案的方法运用4.2.1分级燃烧分级燃烧技术的主要特点是燃料和空气分级送入炉膛。燃料分级是在主燃烧区送入大部分燃料，可在一次火焰区尾部形成一个富含NH3，CH，HCN的低氧还原区，已生成的NOx在通过该区域时，部分会被还原成N2。空气分级是将燃料燃烧所需空气分阶段送入炉膛，先将理论空气量的80%左右送入主燃烧器，形成缺氧富燃料燃烧区，在燃烧后期将燃烧所需空气的剩余部分以二次风形式送入，使燃料在空气过剩区燃尽。分级燃烧能够确保燃料进行充分燃烧，同时大大降低烟气中NOx的生成，采用分级燃烧技术可减少60%左右的NOx排放。4.2.2燃烧机预混预混燃烧是相对于扩散燃烧的另一种典型燃烧方式，根据预混氧化剂的含量是否能够使燃料完全燃烧，分为部分预混和完全预混燃烧两类。在燃烧前，燃料与氧气已经在燃烧器内充分混合，预混燃烧的燃烧温度高、燃烧强度大，对当量比可进行完全控制，由此能够实现对燃烧温度的控制，进而控制热力型NOx的生成。在降低NOx生成方面，完全预混燃烧和部分预混都具有很大潜力，较之非预混燃烧可减少85%左右的NOx生成。不过，预混气体有着极高的可燃性，预混燃烧火焰稳定性差，有可能导致回火，回火现象控制不好，轻则影响燃烧机使用寿命，重则会给燃烧机带来灾害性后果。由于预混燃烧在安全性控制上存在一定技术困难，目前应用并不十分广泛。这项技术还会导致过量空气系数偏高，增加排烟损失、降低锅炉效率。4.2.3烟气再循环燃烧产生的部分烟气，经冷却后再循环送回燃烧区，或与空气进行混合后送入燃烧区，由此降低氧浓度和燃烧区的温度，达到减少NOx生成量的目的，这种方式被称为烟气再循环燃烧技术。其原理是通过循环烟气的吸热作用降低火焰温度，稀释氧气浓度，降低燃烧速度，以减少热力型NOx生成。烟气再循环技术主要减少的是热力型NOx，对燃气锅炉降氮效果最为显著，这是由于天然气的含氮量低，且NOx生成又以热力型为主。另外，该技术的使用效果与再循环烟气量也有关，烟气再循环率一般控制在10%～20%，若过高则会出现燃烧不稳定的情况，未完全燃烧热损失也会增加。经验表明，烟气再循环率为10%～15%时，燃气炉的NOx排放浓度可降低40%以上。烟气再循环的控制方法是通过风机进口控制挡板来调节烟气再循环回收的烟气量，挡板由PLC通过4mA～20mA信号进行控制，通过回收烟气量与燃烧负荷整定出最佳燃烧曲线，实现自动控制，根据锅炉不同工况下运行状况自动调整烟气的回收量，以达到锅炉在不同负荷运行下，将NOx浓度控制在合理的范围内的目的。烟气再循环技术会在一定程度上降低锅炉的热效率，需要通过合理的回收和精准的控制将其影响降至最低。烟气再循环技术可在一台锅炉上单独使用，也可和其他低氮燃烧技术配合使用，使得NOx排放更低，对环境污染更低，更有利于环境保护。第5章结束语由于燃气中的灰分、含硫量和含氮量比煤低，燃烧充分，烟气中粉尘量极少，排放易达到国