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工业燃气和锅炉燃烧器系统发展历程

文章来源:中国锅炉与锅炉水处理协会 编辑:华道顾问

  锅炉燃烧器是燃烧系统实际设计中的核心功能部件,包括气体燃料分配、燃料准备、燃烧控制和炉体设计。在过去50年中,工业燃气和锅炉燃烧器的发展经历了许多变化,使得锅炉系统更加高效和耐久。
    通过新的锅炉技术,现代工业锅炉在实现多燃料灵活性、低排放、高调节比、长寿命、燃烧器系统稳定运行等方面取得了重大进展。
    先进的工业锅炉控制技术和成熟的燃烧性能大大提高了锅炉的效率,促进了工业运行和应用。以下介绍锅炉燃烧器系统在过去50年中的变化。



基础调风燃烧器:1960-1970

    从20世纪60年代和70年代最基础的燃烧器到今天更现代化、更高效的低NOx燃烧器,锅炉行业发生了翻天覆地的变化。尽管多年来燃烧器设计发生了变化,即使采用了新的锅炉技术,但实现其最大效率和安全性仍然是设计要素的关键。另一个重大变化的领域在于调风燃烧器的使用。

    什么是调风燃烧器?

    在工业锅炉系统中,工厂服务工程师通过调风燃烧器调节和供应精确的空气量以实现高效燃烧。过去的基础调风燃烧器都配有一套或两套可调节的百叶窗式调节风门或叶片,以优化或控制助燃空气在与燃料混合之前的旋转。

    空气过少会导致不完全燃烧、积灰、冒烟和火焰不稳定。过多的空气则会从炉内空间排出热量而降低整体燃烧效率,这可能会增加硫沉积和“白烟”。

    维修工程师也将调风燃烧器作为一个方便的工具,来控制火焰成型或调整火焰宽度。这些燃烧器广泛应用于油和气体燃料。针对燃气,调风燃烧器配有多个喷枪,更甚至有一个中心枪或一个环状燃气配件。针对燃油,则必须在调风燃烧器的中心插入枪式燃烧器或雾化器。

    燃烧器设计的变化

    多年来,随着燃烧器设计的变化,出现了更高效的燃烧器,这类燃烧器没有采用文丘里型燃烧器那样的对流百叶窗式的调节风门。尽管新锅炉技术在进步,但大多数燃烧器仍然需要稳焰装置,如燃烧器旋流器或扩散器。

    如今,现代的调风燃烧器被应用于工业锅炉中,用于精确控制和分配大量的助燃空气,并在设计时兼顾了安全性和效率。



NOx减排:20世纪80年代

    直到20世纪80年代初,大多数锅炉都配置了开放烟道,用来排放工业设备的燃烧垃圾。锅炉燃烧器的排放物是当时最大的安全隐患之一。这就需要通过各种方式减少NOx排放量,包括进行可能影响热力型NOx水平的微小设计变更,如使用特殊的燃气元件钻孔模式。这促进了低NOx燃烧器的发展。

    工业锅炉控制—NOx控制
    减少NOx排放涉及各种过程的改动,如对燃烧器的燃烧过程进行修改、实施新的锅炉技术或使用各种NOx控制策略,例如:
  • 燃料转换

  • 分级燃烧

  • 烟气再循环(FGR)

  • 低NOx燃烧器的安装

  • 选择性催化还原(SCR)等

  • FGR(烟气再循环)

    虽然可以减少和控制锅炉燃烧器中NOx排放的方法众多,但烟气再循环(FGR)迅速成为了80年代中后期主要的关注点,当时加利福尼亚州的南海岸空气质量管理区强制要求燃气工业锅炉的NOx排放量小于30ppm。在大多数情况下,这一要求都会通过引入FGR的方法来实现。在未来几年,随着严格的低NOx排放要求成为常态,新的燃烧器设计有助于实现更低的NOx水平。
    虽然FGR有助于大幅度减少NOx排放,但它也有缺点:FGR比例的增加常常导致质量流量的增加,从而使燃烧器缺少所需的氧气,造成不稳定燃烧。
    因此,锅炉供应商开始研发新的锅炉技术和更复杂的燃烧器控制系统,以适配高FGR比例。在一些如加利福尼亚的州,个位数值的低NOx排放量已经被强制执行多年,低NOx燃气燃烧器系统一直被使用着。
    然而,在美国大部分地区,不需要进行极端的氮氧化物减排。在燃烧过程中降低NOx水平所面临的最大挑战可能是快速型NOx。这是所有传统燃烧器的常见问题。由于它是瞬间形成的,使用FGR无法帮助降低快速型NOx。因此采取超低NOx燃烧器使用更高的FGR比例来解决热力型和快速型NOx排放问题。

超低NOx燃烧器


    超低NOx燃烧器的主要功能是防止热力型NOx或快速型NOx的产生。如今,美国拥有不同类型的超低NOx燃烧器设计,既适用于小型商业锅炉,如火管锅炉,也适用于大型工业水管锅炉。使用的新锅炉技术—这类燃烧器在燃烧前充分预混燃料和空气,消除了大多数导致生成快速型NOx的富燃料区。

    使用超低NOx燃烧器的优点

  • 它们有助于解决快速型NOx问题,同时也减少了热力型NOx

  • 减少由不受控制的NOx水平引起的主要运行问题

  • 可与复杂的工业锅炉控制集成,以实现更低的NOx水平

  •  NOx排放量显著减少

    设计变更及其对NOx水平和排放的影响

    多年来,已经对不同的超低NOx燃烧器设计修改进行了测试,以确保更好地控制燃烧过程中的NOx含量。这些燃烧器包括新的锅炉技术,如复杂的燃烧控制、更大的助燃风机以引入更大量的FGR、使用扩展的网孔管、助燃空气过滤器等。这些设计上的改变保证了小型和大型超低NOx燃烧器都能有效地抑制快速型NOx和热力型NOx。

    尾气后端净化

    在过去的50年中,虽然在降低NOx方面做了很多工作,但烟囱气体的后端净化及其在降低NOx排放方面的作用基本上被忽视。庆幸的是使用选择性催化还原(SCR)设计方面已取得了重大进展,这种设计有助于有效地实现大型工业燃气锅炉烟气中的NOx水平低至个位数值,而无需依赖可将NOx降至个位数值的低NOx燃烧器和控制系统。

使用SCR降低NOx


    选择性催化还原(SCR)是一种NOx生成后控制技术,它使用特定的催化剂材料来帮助降低NOx水平,这种催化剂材料有助于NOx和氨之间的化学反应,从而产生水和氮气。

    尽管对于安装成套SCR和其他锅炉新型技术的成本、所用催化剂材料的使用寿命和维护成本等问题存疑,但大型工业锅炉使用者仍采用SCR作为一种更有效的降低NOx策略,其NOx降低率高达95%。

    特别是像加利福尼亚州,与使用SCR控制技术的燃烧器相比,其一直密切关注使用超低NOx燃烧器系统带来的高耗能成本问题。

要旨


    燃烧器制造商仍在开发更有效的燃烧理念和工业锅炉控制技术,以有效降低NOx的排放。只要燃气燃烧器为所有类型的工业锅炉和熔炉提供能量,这种情况将继续下去。使用重油和柴油的燃烧器在降低NOx方面构成了巨大的挑战。重质燃料油中高浓度的结合态氮使得在现代成套锅炉中任何切实可行的NOx降低成为了一项挑战。

技术的持续改进


    多年来,随着锅炉新技术的不断改进,燃烧器管理和燃烧控制系统有助于降低NOx水平和锅炉运行问题。这使得锅炉的效率、耐久性、操作和维护更加容易。


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