汽車生產(chǎn)企業(yè)能源中心綠色排放提升實踐

何秋菊 鄭大元 趙軍 孫建福

1. 北京奔馳汽車有限公司 北京 100176；

2. 北京匯恒遠大科技有限公司 北京 100176

引言

國務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》，北京市發(fā)布《北京市2013-2017年清潔空氣行動計劃》[1]。

1 項目背景及改造范圍

打造低碳、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的綠色工廠是北京奔馳走向卓越2039的核心目標(biāo)之一。

1.1 發(fā)動機廠區(qū)能源中心

4臺5.6MW燃?xì)忮仩t1臺2.1MW燃?xì)忮仩t更新為3臺4.2MW低氮燃?xì)忮仩t。

1.2 后驅(qū)車廠區(qū)能源中心

①4臺17.5MW燃?xì)忮仩t進行低氮燃燒器改造。②5臺7.5MW燃?xì)忮仩t更新為2臺14MW低氮燃?xì)忮仩t。③由發(fā)動機廠區(qū)能源中心搬遷過來2臺5.6MW鍋爐，進行低氮燃燒器改造。④2臺1.4MW燃?xì)忮仩t進行低氮燃燒器改造。

1.3 前驅(qū)車廠區(qū)能源中心

①2臺17.5MW燃?xì)忮仩t進行低氮燃燒器改造。②新增2臺17.5MW低氮燃?xì)忮仩t。

2 燃?xì)忮仩t煙氣的主要成分及污染危害

燃?xì)馔耆紵漠a(chǎn)物是由氮氣（N2）三原子氣體RO2（CO2，SO2）和水蒸氣及氮化物組成。燃?xì)庵械牧蚍忠粤蚧瘹洌℉2S）和有機硫的形式存在。燃?xì)庵械目扇剂蛟谌紵^程中，大部分形成SO2，小部分SO3，而其中SO2和煙氣中水蒸氣形成硫酸氣，在低于其露點時凝結(jié)，對金屬有強烈的腐蝕性，燃燒過程產(chǎn)生的氮氧化物是在燃料與空氣高溫燃燒時產(chǎn)生的，基本上是NO和NO2，其中NO約占95%（體積分?jǐn)?shù)），NO2占5%（體積分?jǐn)?shù)）。NO在大氣中容易被氧化成NO2。氮的氧化物污染是指煙氣中NO和NOX（總稱NOX），空氣中的NO2含量為3.5ppm時對人眼有刺激作用，達到150ppm時，對人呼吸器官有強烈的刺激性，與大氣中的烴類氣體在日光和氧的作用下生成化學(xué)煙霧。NOX經(jīng)光照射后，分散出游離氧原子，與氧氣反應(yīng)成臭氧（O3），O3與空氣中的烴類反應(yīng)成乙醛、過氧化硝酰等，長期吸入對人體危害較大。N2O會引起溫室效應(yīng)，在光合作用下釋放出氮原子，破壞臭氧分子，導(dǎo)致臭氧層減少。

3 低氮技術(shù)介紹

3.1 低氮燃燒器工作原理

本項目采用ES—GE燃燒器，是一種工業(yè)用電子比例調(diào)節(jié)天然氣燃燒器，采用電子比例調(diào)節(jié)式控制，對每一個負(fù)荷點，每一路風(fēng)、燃?xì)狻GR煙氣接受最佳的配比設(shè)定，獨立的點火位置, 可以確保燃燒器啟動的安全性；調(diào)節(jié)空氣/燃?xì)?FGR煙氣比，實現(xiàn)燃?xì)獬浞秩紵偷蚇Ox排放的穩(wěn)定[2]。燃燒器BMS控制，運行參數(shù)可以修改，如帶檢漏功能、電子空燃比功能、負(fù)荷調(diào)節(jié)PID功能、變頻功能、FGR煙氣自動調(diào)節(jié)功能、氧量監(jiān)控功能等；燃燒器的自動功能在自動系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。

3.2 燃燒器的技術(shù)特點及說明

對于燃?xì)忮仩t生成NOX的途徑主要有3種：熱力型、燃料型、快速型，主要是熱力型NOX。在外部條件不變的情況下，爐膛溫度、燃料和空氣的混合程序決定了NOX排放值的高低。針對氮氧化物排放的因素，燃燒器有以下技術(shù)措施降低NOx：

3.2.1 分級分區(qū)燃燒。燃燒器采用中心燃燒和外圍多槍嘴燃燒技術(shù)，形成多區(qū)域燃燒，擴大了燃燒區(qū)域，降低局部高溫，降低NOx的生成；

圖1 燃燒器分級分區(qū)燃燒

3.2.2 爐內(nèi)煙氣再循環(huán)技術(shù)。本項目要求新增鍋爐煙氣NOx排放濃度≤30 mg/Nm3（北京檢測標(biāo)準(zhǔn)下），改造鍋爐煙氣NOx排放濃度≤80 mg/Nm3（北京檢測標(biāo)準(zhǔn)下）。需要增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，將部分煙氣回收進入燃燒器再次利用，并在煙氣口增加FGR煙氣調(diào)節(jié)閥。在不改變原有鼓風(fēng)機的情況下，增加FGR系統(tǒng)（煙氣回流系統(tǒng)），以達到降低NOx的目的；考慮到鍋爐鼓風(fēng)機余量不足，因此FGR系統(tǒng)增加1臺獨立風(fēng)機和調(diào)節(jié)閥，抽取并控制部分高溫?zé)煔夂湾仩t鼓風(fēng)機的冷風(fēng)混合進入燃燒器，控制局部高溫區(qū)火焰溫度低于1500℃，同時降低局部高溫區(qū)混合氣體中O2體積百分比，從而達到降低NOx的目的。

4 鍋爐節(jié)能技術(shù)特點介紹

4.1 鍋爐煙氣節(jié)能器

燃?xì)忮仩t系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)主要從改善燃?xì)赓|(zhì)量、提高燃燒效率和煙氣排放余熱利用等方面，降低運行成本。鍋爐煙氣節(jié)能器就是利用煙氣節(jié)能潛力。為防止鍋爐尾部受熱面腐蝕和堵灰，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，燃?xì)忮仩t的排煙溫度一般不低于180℃，最高可達250℃。高溫?zé)煔馀欧旁斐纱罅繜崮芾速M，同時污染環(huán)境。1Nm3天然氣燃燒后會放出9450Kcal的熱量，其中顯熱為8500Kcal，水蒸氣含有的熱量（潛熱）為950Kcal。燃?xì)忮仩t可利用的熱能是8500Kcal的顯熱。供熱行業(yè)中常規(guī)計算天然氣熱值一般以8500Kcal/Nm3為基礎(chǔ)計算。這樣，天然氣的實際總發(fā)熱量9450Kcal與天然氣的顯熱8500Kcal比例關(guān)系以百分?jǐn)?shù)表示就是111%，其中顯熱部分占100%，潛熱部分占11%，對于傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t來說，潛熱部分的熱量在運行中實際上被全部浪費。高溫?zé)煔馀欧旁斐傻呐艧煙釗p失，主要為煙氣顯熱和蒸汽潛熱。假設(shè)煙氣溫度200℃降低至70℃，1 Nm3天然氣燃燒后的排煙中，可放出物理顯熱約1600KJ，水蒸氣冷凝率取50%，可放出汽化潛熱約1850KJ，即總計放熱達3450KJ[3]。這正是燃?xì)忮仩t節(jié)能的潛力所在。本項目鍋爐廠家采用獨立自主研發(fā)的鍋爐配套節(jié)能器。節(jié)能器是燃油（氣）鍋爐提高熱效率的專用輔機，它能很好地回收鍋爐尾部煙氣中大部分的余熱，來加熱鍋爐給水，降低排煙溫度，以達到提高燃料利用率的目的。

鍋爐專利節(jié)能器采用先進的螺旋翅片管生產(chǎn)技術(shù)，利用螺旋管高頻焊接生產(chǎn)線制造。節(jié)能器由一系列螺旋翅片管、進出口集箱、彎管、保溫材料和其他一些輔助材料構(gòu)成；節(jié)能器被安裝在鍋爐尾部煙道，鍋爐給水（65℃）經(jīng)過節(jié)能器后再進入鍋爐，利用鍋爐排出的高溫?zé)煔饧訜峤o水，螺旋翅片管作為換熱管束，臥式串聯(lián)布置，給水在管內(nèi)流動，煙氣則在管外沖刷進行換熱，在節(jié)能器上裝有溫度計，壓力表，安全閥等儀表裝置，保證了節(jié)能器安全、穩(wěn)定的運行。

螺旋翅片管是一種新型高效換熱元件，通過高頻電阻焊把金屬翅片螺旋形焊接于鋼管壁面上，使金屬翅片與鋼管焊接成為一體。采用高頻焊接工藝，焊接熱影響區(qū)小，自冷作用強，焊接不易氧化，焊著率可達95%以上。螺旋翅片可改進氣體湍流程度，改進傳熱速率，起到強化傳熱的作用，煙氣流動阻力低，并且使煙氣產(chǎn)生漩渦，飛灰顆粒撞擊到管壁的機會很少，不容易產(chǎn)生積灰現(xiàn)象。與傳統(tǒng)光管式節(jié)能器相比，螺旋翅片管節(jié)能器能大幅度擴展換熱面積（一般為光管的幾倍甚至十幾倍），從而使節(jié)能器的傳熱面積增加，體積減小，結(jié)構(gòu)緊湊，減少了受壓彎頭和焊縫數(shù)量，并增強了傳熱效果。螺旋翅片管還有適應(yīng)溫度廣，耐腐蝕，承受壓力高等特點。

對于傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t來說，潛熱部分的熱量在運行中實際上被全部浪費。高溫?zé)煔馀欧旁斐傻呐艧煙釗p失，主要為煙氣顯熱和蒸汽潛熱。經(jīng)理論計算和實測數(shù)據(jù)表明，使用螺旋翅片管節(jié)能器，能使鍋爐排煙溫度降低80℃左右（≤90℃），鍋爐效率由不帶節(jié)能器的91%提高到96%～97%，增加5-6個百分點，節(jié)能效果十分顯著。

4.2 鍋爐燃燒器

燃?xì)馊紵鳂?gòu)造由以下5個系統(tǒng)組成：送風(fēng)系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、電控系統(tǒng)。當(dāng)天然氣由微電腦控制系統(tǒng)按程序控制進入燃燒器的燃燒頭內(nèi)，由一次風(fēng)與可燃?xì)怏w混合，點火燃燒，二次風(fēng)助燃，實現(xiàn)充分燃燒。燃燒狀況由火焰自動跟蹤系統(tǒng)檢測控制燃燒，當(dāng)燃燒出現(xiàn)故障（燃燒室缺氧、可燃?xì)怏w欠壓、可燃燒氣體斷流、氣量不足等），控制系統(tǒng)發(fā)出指令，供氣系統(tǒng)的電磁閥迅速關(guān)閉，切斷氣電源，燃燒器自動吹掃后停機，指示故障[4]。ES-GE電子調(diào)節(jié)燃燒器熱適應(yīng)燃?xì)鈮毫Σ▌幽芰?，自行調(diào)節(jié)一次配風(fēng)（即燃?xì)鈮毫Υ?，吸入一次風(fēng)多；燃?xì)鈮毫π?，吸入一次風(fēng)少），燃燒充分，熱效率高。能節(jié)約燃?xì)?%以上。

4.3 鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)

燃?xì)忮仩t自控系統(tǒng)，通過對供熱負(fù)荷、環(huán)境溫度以及系統(tǒng)運行參數(shù)的監(jiān)測，動態(tài)調(diào)節(jié)鍋爐的運行模式和火力配置，同時對煙氣余熱回收、循環(huán)水泵變頻運行等部分進行自動監(jiān)控。系統(tǒng)具有豐富的組態(tài)功能，實時顯示鍋爐運行狀態(tài)、氣候補償數(shù)據(jù)、變頻水泵狀態(tài)、燃?xì)庀牡认嚓P(guān)運行參數(shù)。實時跟蹤供熱負(fù)荷和環(huán)境溫度變化，控制鍋爐變負(fù)荷運行以及變流量循環(huán)。通過自控系統(tǒng)控制并聯(lián)運行鍋爐投入臺數(shù)、火力大小的自動配合，實現(xiàn)鍋爐變負(fù)荷運行。鍋爐控制系統(tǒng)對鍋爐的給水、燃燒等熱工過程變量進行自動調(diào)節(jié)。實現(xiàn)鍋爐的自動控制，進行精細(xì)化節(jié)能運行。降低燃?xì)?、電力消耗?/p>

5 效果效益

5.1 鍋爐運行燃?xì)庀牧繉Ρ?/h3>

同期數(shù)據(jù)對比：全年節(jié)約燃?xì)饬靠傆嫻?jié)約天然氣200萬m3。

5.2 節(jié)約運行費用

節(jié)約費用：總計每年節(jié)約燃?xì)赓M用540萬元人民幣。

6 結(jié)束語

鍋爐低氮改造項目完成后，新增鍋爐煙氣NOx排放濃度≤30mg/Nm3（北京檢測標(biāo)準(zhǔn)下），改造鍋爐煙氣NOx排放濃度≤80mg/Nm3（北京檢測標(biāo)準(zhǔn)下）。已通過北京市特種設(shè)備檢測中心和北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)環(huán)境保護局的驗收。

在鍋爐改造施工期間，保障工廠正常生產(chǎn)所需的熱源供應(yīng)。鍋爐更新?lián)Q代，鍋爐單臺節(jié)能16%，實現(xiàn)“雙降”（降低氮氧化物排放同時降低鍋爐能耗總量），如期兌現(xiàn)向北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的節(jié)能減排承諾。

北京奔馳倡導(dǎo)以提高能源利用效率和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)，促進生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)企業(yè)發(fā)展與環(huán)境改善雙贏。綠色生產(chǎn)與綠色生活相融合，青山綠水就是金山銀山。