朱明磊（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州516086）

近年來(lái)國(guó)家相繼頒布了《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》《工業(yè)鍋爐能效限定值與能效等級(jí)》等規(guī)定，不斷優(yōu)化鍋爐的能效指標(biāo)，對(duì)工業(yè)發(fā)展既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，燃?xì)馊加湾仩t相較于燃煤鍋爐在污染物排放、熱效率、節(jié)能減排等方面具有優(yōu)勢(shì)，本文通過(guò)研究鍋爐低氦燃燒和能效提升的方法進(jìn)一步挖掘其應(yīng)用前景。

1 燃油燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)分析

近年來(lái)國(guó)家燃?xì)馊加湾仩t發(fā)展速度迅猛，設(shè)計(jì)水平不斷提升，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有多樣化。當(dāng)前燃?xì)馊加湾仩t主要包含以下幾種結(jié)構(gòu)：其一，立式火管類(lèi)型，主要應(yīng)用在0.35MV（0.5t/h）及以下的小容量鍋爐，優(yōu)勢(shì)是占地面積較小、結(jié)構(gòu)組成單一。其二，臥式火管類(lèi)型，鍋爐容量在0.5～20t/h，相當(dāng)于0.35～14MV，其結(jié)構(gòu)較為緊湊，便于工作人員進(jìn)行檢修。其三，立式水管類(lèi)型，其鍋爐容量為2.8MV（4t/h），產(chǎn)氣快、結(jié)構(gòu)緊湊，不過(guò)此設(shè)備對(duì)于水質(zhì)的要求較高，檢修工作開(kāi)展較困難。其四，臥式水管類(lèi)型，此結(jié)構(gòu)屬于較普遍的爐型，整個(gè)鍋爐的容量最大可以達(dá)到29MV(50t/h)左右，檢修方便，爐型結(jié)構(gòu)較成熟。同時(shí)，燃?xì)馊加湾仩t中還包含π型散裝結(jié)構(gòu)與雙鍋橫置結(jié)構(gòu)。

2 燃油燃?xì)忮仩t低氮燃燒及能效提升工作途徑

2.1 鍋爐低氦燃燒優(yōu)化策略

2.1.1 升級(jí)鍋爐結(jié)構(gòu)和低NOx燃燒器

燃?xì)馊加湾仩t的低氮燃燒控制工作可以通過(guò)優(yōu)化低NOx燃燒器、調(diào)整鍋爐結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其一，優(yōu)化低NOx燃燒器，通過(guò)升級(jí)燃?xì)鈬娮鞂?duì)燃燒器進(jìn)行創(chuàng)新。可以借鑒北美關(guān)于燃燒器實(shí)驗(yàn)中的蓄熱式燃?xì)鈬娮煸O(shè)備來(lái)減少NOx的排放量，同時(shí)利用高溫?zé)煔獾挠酂峄厥赵O(shè)備預(yù)熱助燃空氣，防止大量的NOx 產(chǎn)生，使冷空氣燃?xì)鈬娮旌蚇Ox的排放量相契合。通過(guò)使用蓄熱式燃?xì)鈬娮炜梢怨?jié)省大量的燃料，鍋爐溫度的不斷提升，節(jié)省的燃料數(shù)量也會(huì)逐漸增加。其二，調(diào)整鍋爐結(jié)構(gòu)，科學(xué)的鍋爐結(jié)構(gòu)需要圍繞爐筒和鍋爐的配風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行。其中，鍋爐的配風(fēng)系統(tǒng)可以在燃燒器喉口兩端導(dǎo)出引風(fēng)管，按照鍋爐的壁面科學(xué)設(shè)置引風(fēng)管，提升燃燒的效果。對(duì)于爐筒來(lái)說(shuō)，需要改變鍋爐形狀以減少NOx的排放量。相關(guān)數(shù)據(jù)研究顯示，垂直的橢圓形爐筒在燃燒工作中NOx的排放量較小，相較于圓形爐筒的排放量減少了約23%。

2.1.2 對(duì)燃燒空氣的預(yù)處理

其一，高溫空氣燃燒技術(shù)，屬于深度、溫和低氧稀釋性燃燒，可以使燃料在低氧的環(huán)境中處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。其中低氧環(huán)境指的是空氣中含有2%～20%的氧氣[1]。相較于傳統(tǒng)燃燒技術(shù)，高溫空氣燃燒技術(shù)可以減少約70%的NOx排放量。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在高溫環(huán)境中燃燒空氣，其預(yù)熱溫度和氧氣的濃度均會(huì)對(duì)NOx 的排放量產(chǎn)生一定的影響：一般來(lái)說(shuō)，NOx 的排放量會(huì)隨著空氣預(yù)熱溫度的提升而增加，同時(shí)氧氣濃度的上升會(huì)使火焰峰值溫度變大，增加NOx 的排放量。其二，柔和燃燒技術(shù)，又名無(wú)焰氧化技術(shù)或無(wú)焰燃燒技術(shù)。此技術(shù)的原理是在燃燒中混合物的自然溫度應(yīng)高于最大的溫升燃燒反應(yīng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)顯示，射流速度提升會(huì)導(dǎo)致煙氣的回流比和卷吸率升高，減少火焰的峰值溫度，降低NOx 的排放量。不過(guò)柔和燃燒技術(shù)具有一定的劣勢(shì)，只能在排煙溫度較高的情況下利用爐外的空氣預(yù)熱和爐內(nèi)的高溫?zé)煔饣亓鞣椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.3 提升鍋爐含氧量

加強(qiáng)鍋爐燃燒效率的前提需要確保設(shè)備在燃燒工作中具有穩(wěn)定的二次風(fēng)供給，利用氧氣的供給量提升鍋爐的燃燒效率。燃燒負(fù)荷需要與之對(duì)應(yīng)的氧氣含量，適當(dāng)?shù)难鯕夂靠梢詫⑴艧煋p失降到最低，提升鍋爐燃燒效率。鍋爐機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中通過(guò)BLR會(huì)有較大的負(fù)荷波動(dòng)，出現(xiàn)鍋爐內(nèi)的氧氣含量不足或遇到負(fù)氧的情況，對(duì)于鍋爐的整體燃燒效率造成嚴(yán)重的影響，對(duì)接下來(lái)的脫硫工作造成限制。因此，建議技術(shù)人員在鍋爐燃燒時(shí)側(cè)重對(duì)送風(fēng)量的調(diào)整，確保有足夠的氧氣含量來(lái)支持設(shè)備工作。

2.2 鍋爐能效提升技術(shù)分析

在基本確定燃油燃?xì)忮仩t類(lèi)型及結(jié)構(gòu)的前提下，若想提升其能效需要圍繞自身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)著手。其中，燃油燃?xì)獾臒崞胶夤綖椋篞T=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6.公式中的字母分別代表鍋爐輸出熱量、有效利用熱量、排煙損失熱量、化學(xué)不完全燃燒熱量、物理不完全燃燒熱量、鍋爐散熱損失熱量、灰渣熱損失[2]。以下是通過(guò)對(duì)鍋爐自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)分析其能效提升的途徑。

2.2.1 冷凝技術(shù)

傳統(tǒng)鍋爐排煙過(guò)程的熱量高達(dá)150～250℃，煙氣中的水蒸氣溫度過(guò)高，無(wú)法轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水進(jìn)行汽化潛熱。因此在熱力計(jì)算時(shí)，忽視了燃燒產(chǎn)物中關(guān)于水蒸氣的汽化潛熱過(guò)程，只計(jì)算低位發(fā)熱量來(lái)統(tǒng)計(jì)熱效率，會(huì)對(duì)鍋爐能效工作的提升造成阻礙。若降低煙氣溫度，會(huì)將其中的水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水進(jìn)而施放汽化潛熱。因此，建議借助冷凝水蒸氣的方法，充分利用其汽化潛熱作用，將使用的熱量提升甚至超過(guò)燃料的低位發(fā)熱量，強(qiáng)化鍋爐的熱效應(yīng)。如排煙溫度達(dá)到65℃時(shí)，鍋爐熱效應(yīng)已經(jīng)趨近于100%。

2.2.2 高參數(shù)、大容量的鍋爐整裝化

隨著燃油燃?xì)忮仩t的市場(chǎng)比重的提升，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，高參數(shù)、大容量的燃油燃?xì)忮仩t的使用量不斷提升，通過(guò)強(qiáng)化其整裝化技術(shù)能力，減少鍋爐表面的熱量損失，提升鍋爐運(yùn)行效率，滿足市場(chǎng)需求。其一，大容量鍋爐容易受到運(yùn)輸寬度的約束，若想減少工作現(xiàn)場(chǎng)的工作量，提升工作效率，可以通過(guò)模塊組裝的鍋爐結(jié)構(gòu)使對(duì)流受熱面與爐膛分開(kāi)，當(dāng)安裝條件具備后，再通過(guò)耐高溫的膨脹節(jié)進(jìn)行連接，不僅可以滿足對(duì)流受熱面的面積流通要求和爐膛燃燒尺寸要求，還可以降低技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量，利用微正壓燃燒形式和膜式水冷壁結(jié)構(gòu)提升鍋爐出廠容量，提升燃油燃?xì)忮仩t的整體運(yùn)行效率[3]。其二，對(duì)于中溫中壓參數(shù)類(lèi)型的鍋爐，需要考慮鍋筒壁和水循環(huán)安全性。若設(shè)置π 型散裝結(jié)構(gòu)，會(huì)出現(xiàn)金屬消耗量大，安裝周期較長(zhǎng)的情況。因此，可以根據(jù)SZS快裝水管鍋爐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)新式三鍋筒水管鍋爐，克服參數(shù)高、容量小的問(wèn)題，減少燃料的消耗量、安裝時(shí)間，提升設(shè)備能效。其中，新式鍋爐利用三分體結(jié)構(gòu)，其中20～40t/h鍋爐主要包含省煤器、頂置汽包、鍋爐主體組件等結(jié)構(gòu)。45～75t/h鍋爐主要設(shè)計(jì)成四體式結(jié)構(gòu)，包含對(duì)流管、爐膛組件、省煤器、頂置汽包等結(jié)構(gòu)。

2.2.3 燃燒和控制系統(tǒng)的能效提升技術(shù)

燃油燃?xì)忮仩t燃燒控制系統(tǒng)的能效與其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、使用壽命、安全性有較大的關(guān)系。鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)通過(guò)把控燃燒率、空氣量、燃料適應(yīng)負(fù)荷變化，可以結(jié)合外界負(fù)荷的變化調(diào)整空燃比，將各項(xiàng)參數(shù)控制在合理的區(qū)間，確保鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在鍋爐實(shí)際燃燒工作中，影響其熱效率的關(guān)鍵因素是煙氣中的空氣系數(shù)和氧含量，若想提升鍋爐的熱效率就要科學(xué)控制二者的數(shù)值。當(dāng)存在最佳過(guò)量空氣系數(shù)時(shí)，燃料可以進(jìn)行完全燃燒，此時(shí)爐內(nèi)熱效率和熱損失量較小。同時(shí)，燃油燃?xì)忮仩t中應(yīng)保證8%～15%的過(guò)量空氣量和2%～3%的氧含量，此時(shí)熱損失量最低。通過(guò)將電子比調(diào)、低NOx 技術(shù)、氧含量控制、室外溫度傳感等研究技術(shù)與鍋爐的燃燒與控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的低能耗、高效率的運(yùn)行管理。

2.2.4 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

當(dāng)前大多數(shù)燃油燃?xì)忮仩t應(yīng)用于單一發(fā)電或者供熱環(huán)境中，尚未實(shí)現(xiàn)科學(xué)的梯級(jí)運(yùn)用，綜合使用能效較低。熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可以利用管網(wǎng)換熱站進(jìn)行換熱工作，再將熱水向用戶供給或者直接供應(yīng)蒸汽，充分利用蒸汽熱量，提升機(jī)組熱效率。結(jié)合多種近汽參數(shù)將全廠的熱效率由之前的30%～40%提升到70%～80%。例如丹麥地區(qū)已經(jīng)將熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)作為能源計(jì)劃的基礎(chǔ)，此技術(shù)的發(fā)電量可以達(dá)到總發(fā)電量的30%，芬蘭地區(qū)的占比甚至達(dá)到70%，成為當(dāng)今節(jié)能提效的主要技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前燃油燃?xì)忮仩t具有廣闊的發(fā)展空間，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有核心競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于節(jié)能減排的新要求、新形勢(shì)可以促進(jìn)鍋爐和系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新，極大地提升了系統(tǒng)熱效率。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整使氣體燃料逐漸向第一能源推動(dòng)，提升了節(jié)能減排的要求，促進(jìn)了我國(guó)燃油燃?xì)忮仩t技術(shù)的發(fā)展。