超低氮排放的天然气角管式蒸汽锅炉技术及其应用

超低氮排放的天然气角管式蒸汽锅炉技术及其应用

徐子逸 车云霞 刘大平

浙江特富发展股份有限公司 浙江省海宁市 314400

摘要：引出管、上集箱及再循环管构成预分离装置，其利用汽液两相密度差异对单组分汽液混合物进行初步分离，但是其结构又比T型管复杂。在预分离装置内，一部分工质经上集箱直接进入锅筒，另一部分经汽水分离后，大多数蒸汽由引出管流入锅筒，大多数水携带少量蒸汽由再循环管向下进入环形下集箱，继续参与水循环。汽水混合物的主要分离区域在再循环管入口处。本文对超低氮排放的天然气角管式蒸汽锅炉技术及其应用进行分析，以供参考。

关键词：低氮排放；天然气角管式；蒸汽锅炉

引言

蒸汽锅炉燃烧空气与天然气的比例由司炉工凭经验调节，过程中会造成燃烧不充分。过剩空气系数如果在1.3～1.4，过剩氧含量在4%～6%，会造成烟气排放量增加，热损失增加，锅炉热效率降低。经测试，过剩空气系数在1.05%～1.2%，烟气中的氧含量在2%～4%较合适。烟气排放量控制的核心是准确检测锅炉烟气含氧，并进行有效的控制，实现锅炉合适助燃空气和天然气的比例。

1角管式锅炉

角管式锅炉是德国水动力专家Vorkauf于1944年发明的一种水循环性能独特的锅炉．经过多年的发展，我国锅炉企业无论是在蒸汽锅炉的容量，还是在热水锅炉的热功率上都有了长足发展．随着环境问题的日益严重，国家加大了对环保的控制力度，作为PM2.5颗粒物污染源的工业锅炉首先得到了治理．角管式锅炉是一种高效节能的产品，但由于其结构紧凑、水动力循环管道布置复杂，常规的水动力计算方法已无法满足其设计要求．一般的锅炉水动力计算采用图解法，即将水动力系统划分为比较简单的回路，利用压差平衡计算出每个回路的水动力特性，再通过叠加法确定上升和下降系统的压差和流量，最后作图比较得出子系统的水动力工作点，这种方法不但工作量大，而且计算精度也低．

2蒸汽锅炉烟气排放温度及节能控制

2.1室内布置式蒸汽

锅炉室内布置式高压蒸汽锅炉，利用300℃左右的烟气余热，提高锅炉的进水温度。这种余热利用方式与工艺简单，改造难度小，效果明显。将针型管换热器安装在锅炉的对流段上部，通过换热降温，有效控制了烟气的排放温度，通过近2年的运行发现针型管换热器出现低温腐蚀穿孔现象。

2.2烟气排放量控制

室内布置式高压蒸汽锅炉。送风机由变频器控制转速，也就控制空气送入量；在锅炉烟气排出口设置氧含量监测仪，监测锅炉排放烟气中的氧含量，将监测到的氧含量信号（0～5V）经D/A转换后输入到PLC控制器中，通过PLC闭环控制送风机变频器，达到动态调整空气量，使进炉膛空气量与烟气含氧量形成合理的比例，使锅炉处在最佳燃烧状态，烟气排放热损失最低。

2.3增设余热水箱

由于锅炉结构原因，一些小型燃气蒸汽锅炉一般都没有设计尾部受热面，造成排烟温度偏高。这部分排出的烟气温度比环境温度高很多，占锅炉热损失的一半以上，大量的燃气蒸汽锅炉排放烟气余热浪费，污染了环境，对其进行节能改造是非常必要的。 蒸汽锅炉上方有一个排烟口，在排烟口上方增设一个余热水箱。它具有一个进水管与一个出水管，进出水管都与储水箱相连通，这样使得余热水箱和储水箱都保持在常压下运行，保证了余热水箱的安全使用。在进水管与储水箱之间增设一个循环水泵，储水箱出来的水通过循环水泵加压，流入余热水箱，通过余热水箱的预热后变成温水再流入储水箱内，如此往复循环，提高了进入蒸汽锅炉的给水温度，锅炉给水温度每提高 6℃，节省燃料约 1%， 进而提高了锅炉的热效率。

3角管式锅炉的研究开发

合理设计旗式受热面，提高其传热效率，旗式受热面布置在炉膛后的烟井内，通常是从后烟井的后膜式壁管或两侧膜式壁管引出，同省煤器一样工质在其中强制流动(蒸汽锅炉也可自然循环)。由于旗式受热面管子的横向节距S，取决于膜式壁管的节距，烟气流通截面占全烟道截面的53%，烟气流速偏低。烟气在整个旗式受热面管组中的焓降很大，使最后一组中的烟气流速更低，传热效果恶化，并易积灰。我们进行研究并在设计中采取了多种方法，以在各组受热面中获得合理的烟速，如利用烟井后膜式壁管的形状，形成变截面烟道，在各组旗式受热面中取得等烟速的效果;如果旗式受热面管子是由后烟道两侧水冷壁管引出时，左右两侧水冷壁管错列，减小旗式受热面管子的节距S1。设计者还可通过系列标准中，选用合适的膜式水冷壁管径和节距，同时选用合适的旗式受热面管子规格，以组成满意的组合。通过多种方法的综合应用，提高了旗式受热面的烟速，提高了传热效果。

4超低氮天然气角管式蒸汽锅炉设计特点

锅炉为单锅筒、自然循环、集中下降管、卧式布置的角管式燃气锅炉，见图1。锅炉前部为炉膛，四周膜式水冷壁，炉膛出口布置过热器，之后为对流换热面，炉顶、水平烟道和尾部均采用膜式壁管包敷。对流换热面之后的绝热烟道中布置省煤器、节能器、空预器;锅炉构架为辅助钢结构，为设置平台扶梯而设置。锅筒、过热器、对流换热面分别模块出厂，膜式壁部分分为多个模块出厂，具有安装方便的巨大优势。两只燃烧器前墙上下布置，炉膛微正压，强制通风。

该锅炉选用两台35MWth燃烧器，前墙上下布置安装，配合炉外FGＲ技术。低氮燃烧器采用分级燃烧技术，局部高温区贫氧燃烧，燃尽区氧气充足，燃料射流速度＞100m/s，高速射流增强了燃料和空气的混合，形成部分预混燃烧的状态，同时控制热力型和快速性NOx的生成。该锅炉在尾部烟气出口处连接FGＲ烟管，通过FGＲ风机将部分烟气送入鼓风机吸入口，与新鲜空气混合，并通过调节FGＲ控制挡板，控制鼓风机的吸入烟气量，以调节循环烟气量和空气量的配比，确保在进入燃烧器后稳定燃烧，达到降低氮氧化物的目的。

5天然气角管式蒸汽锅炉的性能

该锅炉的冷态启动速率很快，从冷态到饱和温度的时间仅需120min，当达到饱和温度后，锅炉的负荷变化率可达20%/min，即从0到100%负荷仅需5min。温态启动时间仅需20min;热态启动仅需10min。

锅炉在全负荷下试运行了多种情况，其NOx排放结果。FGＲ率定义为循环烟气量与无FGＲ时总烟气量的比值。结果表明，在不投入SCＲ的条件下，随着FGＲ比例的增加，NOx原始排放显著降低，当FGＲ率超过13%时，NOx可降低至30mg/m3以下稳定运行。

结束语

综上所述，锅炉的温度场分布比改造前变差了。炉膛上下温度差由原来≤２０℃增大到１００℃左右，燃气蒸汽锅炉企业要根据自身实际情况采取合适的节能措施，并由相关负责人构建节能管理体系， 号召专业工作人员加强锅炉保养维修工作，合理设计锅炉 节能管道，优化锅炉节能方案，利用先进设备与技术节省 人力、物力及财力等资源的损耗，提高企业经济效益，为 社会的现代化建设提供保障。

参考文献

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[2]胡建平.蒸汽锅炉缺水事故原因分析及预防[J].科技风,2019(04):116.