基于煙氣再循環(huán)的燃氣鍋爐運行安全及檢驗重點分析

陳湘清，陳鎮(zhèn)南，湯國樂，李美姣，梁楨

（湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，湖南 長沙 410000）

氮氧化物是PM2.5產(chǎn)生的前體物質(zhì)，加強對氮氧化物排放的治理有助于凈化環(huán)境，保證城市環(huán)境的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。有研究表明，如果燃氣鍋爐的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)從150mg/m3下降到30mg/m3及以下，當(dāng)供暖季燃燒天然氣時，每0.7MW所形成的氮氧化合物就會減少0.178t，所以，抑制燃氣鍋爐氮氧化合物的排放是目前環(huán)保工作的首要任務(wù)之一，并且是社會發(fā)展的現(xiàn)實要求。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有多種低氮燃燒控制技術(shù)，以合理優(yōu)化燃料與助燃空氣的混合過程、控制爐膛局部高溫為目的，通過分級燃燒、濃淡燃燒、催化燃燒、預(yù)混燃燒和煙氣再循環(huán)或者各類技術(shù)耦合等為技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)有效降低NOx的生成。長沙市燃氣鍋爐低氮改造工作主要應(yīng)用了分級燃燒、煙氣再循環(huán)、預(yù)混燃燒三種低氮燃燒控制技術(shù)，改造方式通過更換低氮燃燒器、增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)、整體更換低氮鍋爐進行。

本文將結(jié)合燃氣鍋爐低氮改造后的監(jiān)督檢驗和定期檢驗工作，對基于煙氣再循環(huán)的燃氣鍋爐運行安全風(fēng)險問題加以分析，并提出鍋爐檢驗過程應(yīng)關(guān)注的重點。

1 基于煙氣再循環(huán)（FGR）加分級燃燒的技術(shù)原理

分級燃燒或者煙氣再循環(huán)都屬于低NOx燃燒控制技術(shù)，若單獨使用其降氮效果雖較常規(guī)燃燒方式有明顯降低，但不足以滿足日趨嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。為了平衡燃燒效率與排放特性，在實際應(yīng)用中往往將這兩種技術(shù)手段聯(lián)合使用，不僅降低了爐內(nèi)燃燒溫度，同時也降低了氧氣的分壓，從而使熱力型NOx在原有的基礎(chǔ)上進一步降低，以達到NOx排放在標(biāo)準(zhǔn)限值要求以內(nèi)。該項技術(shù)在有效減弱NOx生成的同時CO也幾乎不產(chǎn)生，因此至今被廣泛使用。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)分級燃燒加煙氣再循環(huán)可以減少70%的NOx生成，其中對NOx控制效果起關(guān)鍵作用的是循環(huán)煙氣量，循環(huán)量從安全和經(jīng)濟兩方面考慮一般在10%～30%之間。

分級燃燒+煙氣再循環(huán)（FGR）的聯(lián)合應(yīng)用方式可以廣泛應(yīng)用于燃氣鍋爐的新建或改造項目。這種技術(shù)方式工程實施可行性較強，僅需更換采用分級燃燒的低氮燃燒器，再加裝一根煙氣循環(huán)管道，且僅有一次投資費用，運行維護費用低。在設(shè)備選型時，應(yīng)對改造鍋爐的基本情況（爐膛尺寸、背壓等參數(shù)）與燃燒器性能的匹配情況進行綜合分析，充分預(yù)判各類因素對于改造結(jié)果的影響。這種方式偏適用于較大型燃氣鍋爐低氮改造，承壓鍋爐低氮改造一般優(yōu)先選擇此種方式實施。在實際應(yīng)用中，這種方案主要存在冷凝水多影響火焰監(jiān)測器正常工作、煙氣再循環(huán)率不當(dāng)引起“喘振”甚至脫火、鍋爐出力有所降低，NOx排放不穩(wěn)定等負面影響。

2 低氮改造后鍋爐運行安全風(fēng)險問題分析

2.1 冷凝水污染

煙氣再循環(huán)技術(shù)把煙氣自煙道引回爐膛，煙氣通過回流管，熱量持續(xù)消散同時凝結(jié)析出冷凝水。大量的實踐經(jīng)驗表明，天然氣鍋爐煙氣中水蒸氣凝結(jié)溫度為30～60℃，天然氣燃燒主要生成水和二氧化碳，根據(jù)計算可得煙氣中含水量大約為18%。經(jīng)過對改造前、后鍋爐運行情況的對比分析，發(fā)現(xiàn)煙氣外循環(huán)會帶來大量的水蒸氣進入風(fēng)道和鼓風(fēng)機，主要存在以下問題：（1）在煙氣回流管和風(fēng)機中凝結(jié)成水，在溫度較低的地區(qū)甚至凝結(jié)成冰，造成風(fēng)道內(nèi)送風(fēng)面積減少，影響燃燒器正常供風(fēng)。（2）部分煙氣回流管材質(zhì)為普通碳鋼，長期處于帶弱酸性的冷凝水中，容易腐蝕生銹，導(dǎo)致回流煙氣伺服電機的轉(zhuǎn)軸不能正常運轉(zhuǎn)，甚至帶弱酸性與鐵銹的凝結(jié)水被吹進燃燒器，使得燃燒器的金屬配件與電控設(shè)備受污染侵蝕，嚴重影響到燃燒器的安全運行。針對冷凝水污染現(xiàn)象，當(dāng)燃氣鍋爐應(yīng)用煙氣再循環(huán)技術(shù)時，需要對再循環(huán)煙氣溫度進行嚴格控制，必要情況下可以考慮FGR管路加保溫、設(shè)計管道坡度且預(yù)留冷凝水排放口以及新風(fēng)預(yù)熱。

2.2 點火異常和故障停機

低氮改造后，運行過程中燃燒器與鍋爐本體易出現(xiàn)振動，對燃燒器主要配件的穩(wěn)定運行會有一定影響，可能會偏離設(shè)定位置，導(dǎo)致燃燒器有時會出現(xiàn)點火不順利，嚴重時甚至發(fā)生喘振和爆燃現(xiàn)象。另外，燃燒器電控元器件易被冷凝水污染，其絕緣與接地性能都會被影響，難以保證燃燒器穩(wěn)定運行，尤其是當(dāng)冷凝水污染火檢元件，將使燃燒情況被誤判，導(dǎo)致燃燒器發(fā)生故障停機。因此建議將常用的光管式熄火保護改成電極式熄火保護裝置或?qū)饳z元件采取加裝防護罩或冷卻風(fēng)裝置等措施。燃氣鍋爐低氮燃燒器需要定期調(diào)試，經(jīng)常性維護保養(yǎng)，確保煙氣再循環(huán)率和空燃比均處于合理的運行區(qū)間的才能確保穩(wěn)定高效運轉(zhuǎn)。

2.3 燃燒不充分

鍋爐低氮改造后，由于低氮燃燒器安裝位置或角度的偏差，會出現(xiàn)火焰沖刷受熱面的問題；或者由于調(diào)試不當(dāng)，燃燒火焰尺寸太大，直接接觸爐膽內(nèi)壁，在低溫作用下燃氣不能充分燃燒，從而形成積炭，影響鍋爐安全運行和使用壽命。改造項目排放抽查發(fā)現(xiàn)，部分項目出現(xiàn)CO排放不達標(biāo)現(xiàn)象，經(jīng)過再次調(diào)試后排放可達標(biāo)。分析得出，隨著不同生產(chǎn)負荷需求和環(huán)境溫度、空氣密度、煙囪抽力等因素變化，燃氣、空氣、回?zé)熑咧g的相對平衡會改變，導(dǎo)致CO排放不穩(wěn)定。因此，需要根據(jù)生產(chǎn)負荷和環(huán)境因素變化不斷調(diào)試燃燒器工作特性，使之持續(xù)處于穩(wěn)定高效的運行狀態(tài)。

2.4 設(shè)備振動異常

低氮改造過程中應(yīng)用FGR技術(shù)，就是把部分回流煙氣與新風(fēng)混合后重新送入爐膛參與燃燒，通過煙氣中的水蒸氣、氮氣及二氧化碳冷卻火焰，同時抑制燃氣順利燃燒與傳播。此項技術(shù)不僅可以阻礙NOx形成，還能讓燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?，從而增加燃燒難度，燃燒穩(wěn)定性也會隨著煙氣再循環(huán)率增加而降低，尤其是注入的煙氣若不能快速均勻混合，將會令一些區(qū)域出現(xiàn)火焰熄滅與反復(fù)點燃現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力波動劇烈，造成設(shè)備異常振動，當(dāng)火焰脈動頻率與爐體或煙風(fēng)道振動頻率相同時，爐體或煙風(fēng)道會產(chǎn)生強烈共振現(xiàn)象。另外，F(xiàn)GR技術(shù)也會讓鍋爐煙氣總量有所增加，燃燒器調(diào)試不當(dāng)可能會讓風(fēng)機偏離穩(wěn)定工作區(qū)，導(dǎo)致運轉(zhuǎn)出現(xiàn)噪音與喘振。因此，在鍋爐設(shè)計時就應(yīng)該考慮投入FGR對鍋爐穩(wěn)定性造成的影響。一般對燃燒器采取調(diào)整配風(fēng)、優(yōu)化燃燒頭等方法提高燃燒器火焰的穩(wěn)定性，減少脈動。

2.5 燃燒器未定期維護保養(yǎng)

燃氣鍋爐低氮改造后，低氮燃燒器的維護保養(yǎng)工作至關(guān)重要，其維護保養(yǎng)的頻次和要求比常規(guī)燃燒器也更嚴格。FGR技術(shù)存在的安全隱患主要在：（1）由于回流煙氣冷凝水對火焰監(jiān)測器的污染，造成熄火保護裝置失效或頻繁動作，導(dǎo)致燃燒器點火失敗。在鍋爐運行期間應(yīng)經(jīng)常性對火焰監(jiān)測器檢查清理，確保其功能靈敏可靠。（2）煙氣冷凝水溶解少量CO2氣體后，呈現(xiàn)弱酸性，對鍋爐金屬受熱面和再循環(huán)煙管產(chǎn)生腐蝕作用，腐蝕產(chǎn)物容易在底部聚集堵塞冷凝水泄放管，導(dǎo)致不能及時排出冷凝水，影響燃燒器正常工作。（3）由于更換了低氮燃燒器并增加了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，對鍋爐房環(huán)境提出了更高的要求，需要定期校驗可燃氣體泄漏報警儀探頭，并進行泄漏報警聯(lián)動試驗，確保一次探頭監(jiān)測準(zhǔn)確，通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動可靠。

2.6 保護裝置未可靠聯(lián)鎖

燃氣鍋爐低氮改造后應(yīng)確保燃燒器和鍋爐各項安全聯(lián)鎖保護功能并入控制系統(tǒng)，實際改造項目中存在安全保護功能漏項，安全隱患很大。個別燃燒器技術(shù)人員在安裝調(diào)試過程中，由于工作疏忽或責(zé)任心不強，并沒有把燃燒器與鍋爐所有的安全聯(lián)鎖保護功能并入鍋爐控制系統(tǒng)，僅對燃燒器部分聯(lián)鎖保護實現(xiàn)安全聯(lián)鎖，未有效連接鍋爐溫度、壓力、水位等參數(shù)超限的安全聯(lián)鎖保護。甚至還有人為屏蔽燃氣閥組檢漏功能、隨意調(diào)整燃氣高壓保護開關(guān)等危險性操作，使鍋爐運行存在嚴重的安全隱患。

3 低氮改造后鍋爐檢驗重點

燃氣鍋爐低氮改造重點關(guān)注改造后安全性能、運行效率與排放濃度是否符合安全技術(shù)規(guī)范與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求?！短胤N設(shè)備目錄》范圍內(nèi)的燃氣鍋爐低氮改造絕大部分采用的分級燃燒加煙氣外循環(huán)的低氮燃燒技術(shù)，本文從以下兩個方面分析低氮改造完成后的檢驗關(guān)注重點。

3.1 監(jiān)督檢驗關(guān)注重點

（1）告知程序。更換低氮燃燒器的項目，應(yīng)當(dāng)按重大修理的規(guī)定履行施工告知程序且及時向當(dāng)?shù)靥貦z機構(gòu)申請監(jiān)督檢驗。

（2）低氮燃燒器選型與鍋爐匹配性。燃燒器配套選型是熱能設(shè)備高效、安全運行的基礎(chǔ)，且直接影響系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。燃燒器應(yīng)當(dāng)由鍋爐制造單位根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)和燃料特性等因素選配。低氮改造施工方案中應(yīng)明確燃燒器選型的合理性分析和計算過程，應(yīng)確保燃燒器額定功率應(yīng)與鍋爐出力相匹配，且能克服鍋爐煙風(fēng)阻力，燃燒器火焰的幾何尺寸與鍋爐燃燒室相匹配。

（3）燃燒器主要配件型號的符合性。燃燒器的制造或者供應(yīng)單位應(yīng)當(dāng)提供有效的燃燒器型式試驗證書和報告，檢驗時應(yīng)重點檢查燃燒器型式試驗證書相關(guān)信息與實物是否一致，若不一致應(yīng)提供型式試驗機構(gòu)出具的主要配件變更安全性說明。

（4）安全聯(lián)鎖保護功能完整有效性。低氮改造完成后，燃燒器控制系統(tǒng)應(yīng)并聯(lián)燃氣鍋爐控制系統(tǒng)，燃氣壓力、空氣流量、火焰故障、燃氣閥門泄漏、與鍋爐有關(guān)的壓力、水位、溫度等參數(shù)超限等安全聯(lián)鎖保護功能應(yīng)完整有效。

（5）燃燒器性能調(diào)試。燃燒器調(diào)試人員應(yīng)具備一定專業(yè)能力和同類型設(shè)備的調(diào)試經(jīng)驗。調(diào)試完成后應(yīng)出具燃燒器調(diào)試報告，報告中至少應(yīng)包含點火安全時間、熄火安全時間、前后吹掃時間、點火燃氣壓力、燃燒器工作特性曲線等內(nèi)容。

3.2 定期檢驗關(guān)注重點

（1）停爐內(nèi)檢。內(nèi)部檢驗是在停爐狀態(tài)下，對鍋爐設(shè)備本身的安全狀況和性能進行的檢驗。由于低氮改造后對流受熱面進出口溫度比原設(shè)計溫度有所提高，因此內(nèi)部檢驗應(yīng)重點檢查煙氣側(cè)回燃室及回燃室管板、前后管板、煙管等受壓部件是否有變形、過熱、裂紋、結(jié)垢等缺陷。

（2）運行外檢。外部檢驗是在鍋爐運行狀態(tài)下，對鍋爐使用管理狀況進行的檢驗。主要通過見證功能性試驗驗證鍋爐水位、蒸汽壓力、熄火保護等安全聯(lián)鎖功能的完整有效性。另外，應(yīng)重點關(guān)注使用單位是否按照維護保養(yǎng)的要求，認真落實各項維保措施，包括定期檢查燃料供應(yīng)和供風(fēng)系統(tǒng)、冷凝水的排放情況，火焰監(jiān)測裝置的清理、燃氣泄漏報警儀的檢定情況等內(nèi)容。

4 結(jié)語

在當(dāng)前嚴峻的節(jié)能減排形勢下，長沙市已完成燃氣鍋爐低氮改造工作。這項工作專業(yè)性很強，以基于煙氣再循環(huán)的擴散式燃燒器為例，在低氮改造后調(diào)試和運行過程中陸續(xù)出現(xiàn)了一些安全風(fēng)險問題，燃氣鍋爐和燃燒器的制造、銷售、安裝、調(diào)試和使用單位應(yīng)轉(zhuǎn)變解決思路，實施相應(yīng)對策，相關(guān)職能部門也應(yīng)履職盡責(zé)，共同努力促使燃氣鍋爐在安全穩(wěn)定的情況下，達到經(jīng)濟高效、清潔低氮的應(yīng)用效果。