带有烟气再循环的燃气工业锅炉性能实验.pdf

142区域供热2023.5 期带有烟气再循环的燃气工业锅炉性能实验邢文朝1-2.3.4，马汝江4，贾楠1-2.3，郑祥玉1-2.3，苗鹏1-2 3，刘鹏中1-2.3（1.北京天地融创科技股份有限公司，北京100013;2.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京100013;3.北京天地融创科技股份济南分公司，山东济南250011;4.济南和仁热力有限公司，山东济南250011)摘要：为研究烟气再循环对燃气锅炉性能的影响，在山东济南某热源厂7 0 MW燃气锅炉上开展了实验研究，测试了不同循环烟气的比例对燃气工业锅炉运行状况的影响，分析锅炉长时间持续运行时的运行稳定性、炉膛温度、热效率，以及NOx初始排放变化趋势。结果表明，循环风配比在5 0%以下时，炉膛内的燃烧稳定，循环风配比超过5 0%时，燃烧工况逐渐失稳；随着循环风量配比的增加，炉膛中部温度逐渐降低，而燃气锅炉热效率呈现先增加后减小的趋势，热效率峰值出现在循环风量配比为5 0%时；满负荷运行，无循环风时，NOx初始排放浓度达到了7 8 mg/m，循环风量配比达到50%时，NOx初始排放浓度降低到45 mg/m，降幅42.3%；低负荷（即40 MW）运行时，NOx初始排放浓度由45 mg/m降低到了2 8 mg/m，实现了氮氧化物的超低排放。关键词：燃气；工业锅炉；炉膛温度；NO浓度DOI 编码:10.16 6 41/11-3241/tk.2023.05.019Experimental study on the performance of naturalgas industrial boilers with flue gas recirculationXING Wenzhao l-23,MA Ru jiag IA Nan-23,ZHENG X iangyu23,MIAO Peng.-23,LIU Pengzhong*1,2.3(1.China Coal Research Institute Company of Energy Conservation,Beijing 100013,China;2.National Energy Technology&Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission control,Beijing 100013,China;3.China Coal Research Institute Company of Energy ConservationJinan branch,Jinan 250011,China;4.Jinan Heren Heating Co.,Ltd,Jinan 250011,China)Abstract:In order to study the impact of flue gas recirculation on the performance of natural gasboilers,experimental research on a 70 MW natural gas boiler at a heat source plant in Jinan isconducted.The effect of different proportions of circulating flue gas on the operation status of naturalgas industrial boilers is investigated,and the operating stability,furnace temperature,thermalefficiency,and initial NOx emission trends of the boiler during long-term continuous operation areanalyzed.The results show that when the circulating air ratio is below 50%,the combustion in the1432023.5期区域供热furnace is stable,and when the ratio of circulating air exceeds 50%,the combustion conditiongradually becomes unstable.As the ratio of circulating air volume increases,the temperature in themiddle of the furnace gradually decreases,while the thermal efficiency of gas boilers shows a trend offirst increasing and then decreasing.The peak of thermal efficiency occurs when the ratio ofcirculating air volume is 50%.When operating at full load and without circulating air,the initial NOxemission reached 78 mg/m?.When the ratio of circulating air volume reached 50%,the initial NOxemission decreased to 45 mg/m,a decrease of 42.3%.When operating at low load(i.e.40 MW),theinitial NOx emissions are reduced from 45 mg/m to 28 mg/m,achieving ultra-low nitrogen oxideemissions.Keywords:natural gas;industrial boilers;furnace temperature;initial NOx emission0前言近年来，我国对燃气资源开发利用的力度不断加大，其燃烧排放的NOx对环境造成的影响随之逐年加大 1-4。因此，我国制定了严格的燃气工业炉NO排放标准，各大城市已经相应出台30 mg/m的氮氧化物排放标准 5-刀未来还将更加严格，现有的低氮燃烧技术难以满足实际需要，开发低氮燃烧技术成为当前的重要课题 8.9 目前，燃气低氮燃烧技术多集中在开发低氮燃烧器方向，例如空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术，其中空气分级法是将燃烧用的空气分阶段送入，燃料分级法是把燃料分为两股或多股燃料流，这些燃料流经过3个燃烧区发生燃烧反应，其燃烧控制原理与空气分级类似，都是通过营造“缺氧燃烧”和“富氧燃尽”氛围，避免温度过高和大过剩空气系数同时出现，降低NO的生成。本文采用烟气回流的方式实现低氮燃烧，通过对山东济南某热源厂7 0 MW燃气锅炉开展实验研究，考察了循环烟气位置和不同循环烟气的比例对燃气工业锅炉运行状况的影响，分析锅炉长时间持续运行时的运行稳定性、炉膛温度、排烟温度，以及NO初始排放浓度变化趋势，为燃气锅炉的设计与开发提供理论参考。1研究对象1.1工业锅炉实验所用的燃气锅炉额定负荷7 0 MW，如图1所示，燃气和空气进人燃烧器燃烧，燃烧器位于炉膛的前墙顶部，沿炉膛宽度左右各一套。炉膛内主要通过辐射进行热交换，烟气由上至下在出炉膛前被冷却。烟气通过炉膛底部的转弯烟室进入高温对流受热面，从高温对流受热面由下至上流动，烟气从高温对流受热面出来后再进入低温对流受热面，换热完成的部分烟气由回流风机抽取与助燃风混合，其余烟气经烟道排出。工艺系统图如图2 所示，二次风即为助燃风，在预燃室内与燃气掺混燃烧，三次风为燃尽风，由炉膛中部送人，循环风即为循环风机抽取的尾部烟气。燃气燃气循环风燃烧器循环风工二次风二次风上1次风高温省煤器定预器三次风锅炉炉膛低温一级高温换热面低温一级图1实验锅炉结构1.2实验用燃气成分实验用燃气成分如表1所示。144区域供热2023.5期燃气指标CH94%燃烧器低位发热量 36.5 8 MJ/m3空预器1长区瓷三次风机三次风特烟风机厂B侧流量计循环风抽取位置天然气调&D次压站阀组风机循环风A侧流量计循环风机图2工艺系统图表1实验用燃气成分分析序号检验项目检验结果1高位发热量（2 0）/MJm337.742低位发热量（2 0）/MJm34.0333密度(2 0)/kgm30.69424相对密度(2 0)0.576 4甲烷/%95.74乙烷/%3.03丙烷%0.15正丁烷/%0.03异丁烷/%0.025组分正戊烷/%0.01异戊烷/%0.01已烷%未检出(0.0 1)二氧化碳/%未检出(0.0 1)氮气/%0.92氧气/%0.091.3实验方法锅炉正常点火后，将燃气送入燃烧器，调整二次风、三次风和循环风配比，维持锅炉运行稳定，逐步增加燃气供给量，提升锅炉负荷，测量并记录不同负荷对应的炉膛中部温度、热效率、NO初始排放浓度。在此过程中，保证每次测量实验初始条件相同2结果与讨论2.1不同循环风量下火焰状态的变化在开展实验前，给定相同的工况参数，即风量、风压、炉膛负压一致，调整循环风配比，这里的循环风配比指的是从引风机后抽出的风量占总风量的比值 循环风配比=循环风量/二次风量+三次风量）。在不同循环风配比下观察炉膛火焰状态，发现随着循环风量配比的增加，火焰状态逐渐暗淡，这是因为氧含量逐渐降低，火焰中心燃烧强度逐渐减弱，局部高温点消失；循环风配比在5 0%以下时，均能维持炉膛内的燃烧稳定，当循环风配比超过5 0%时，燃烧工况逐渐不稳定。2.2不同循环风量下炉膛中部温度变化情况保持过量空气系数不变，经过长周期的燃烧实验，考察锅炉炉膛中部温度随负荷的变化。如图3所示，在相同循环风量配比的情况下，随着锅炉负荷升高，炉膛中部温度逐渐升高，燃料供给量增加，燃烧反应剧烈，炉膛内单位容积热量增加，炉膛温度升高；在相同的锅炉负荷情况下，随着循环风量配比的增加，炉膛中部温度逐渐降低，这是因为循环风稀释了新鲜空气中的氧气，炉膛内整体氧气含量降低，从而降低了炉膛内局部的燃烧反应强度，消除了局部高温点，使整个炉膛的温度更加均匀，减少了热力型和瞬时型NOx的生成量。2.3不同循环风量下热效率变化情况如图4所示，其他因素不变时，随着锅炉负荷升高，燃气锅炉热负荷上升；锅炉相同负1452023.5期区域供热1050循环风量占比0%循环风量占比30%1000F循环风量古比5 0%950F900F850F8007504354045505560657075锅炉负荷/MW图3不同负荷下各个循环风量配比对应的炉膛中部温度变化情况荷运行状态时的热效率随着循环风量配比的增加，呈现先增加后减小的趋势，这是因为循环风量少时，循环风中残留的可燃物会被再次送人炉膛参与燃烧，从而降低了最终排放烟气中的可燃物含量，当循环风量配比超过50%左右（维持二次风和三次风1：1比例）时，锅炉满负荷运行，热效率达到最大值94.5%，而后，热效率开始下降，且下降趋势越来越快，这是因为循环风量过大时，炉膛内氧气浓度过低，温度过低，对燃烧反应起了抑制作用，当循环风量配比超过8 0%时，燃烧不稳定，甚至出现熄火现象。10095908575一7 0 MW一6 0 MW-50MW605550L0102030405060708090100循环风量占比/%图4不同循环风量配比对应的热效率变化情况2.4NO初始排放浓度的变化如图5 所示，循环风量配比相同时，随着锅炉负荷的增加，NO初始排放浓度逐渐增加；在相同的锅炉负荷情况下，随着循环风量配比的增加，NO初始排放浓度逐渐下降，这是因为循环风稀释了炉膛内新进空气的氧含量，消除了局部高温点，从而减少了热力型和瞬时型NO的生成量。在锅炉满负荷运行状态下，无循环风时，NO初始排放浓度达到了78mg/m，循环风量配比达到5 0%时，浓度降低到了45 mg/m，降低了42.3%；低负荷（即40MW)运行时，NO,初始排放浓度由45 mg/m降到了 2 8 mg/m。10090F循环风量占比0%循环风量占比30%80F循环风量古比5 0%70F60504030F205354045505560657075锅炉负荷/MW图5不同负荷下各个循环风量对应的NO初始排放3结论(1)随着循环风量配比的增加，火焰状态逐渐暗淡；循环风配比在5 0%以下时，炉膛内燃烧稳定，当循环风配比超过5 0%时，燃烧工况逐渐失稳。(2)在相同循环风量配比下，随着锅炉负荷升高，炉膛中部温度逐渐升高；在相同的锅炉负荷情况下，随着循环风量配比的增加，炉膛中部温度逐渐降低。（3)随着循环风量配比的增加，燃气锅炉相同负荷运行状态时的热效率呈先增加后减小的趋势，当循环风量配比超过5 0%时，热效率下降。(4)随着循环风量配比的增加,NOx初始排放浓度逐渐下降，无循环风时，NO初始排放浓度达到了7 8 mg/m，循环风量配比达到（下转第15 3页）153上接第145页）2023.5期区域供热load:A hybrid forecasting method with intelligentdata processing and optimized artificial intelligenceJ.Technological Forecasting and Social Change,2022,182:121858.13赵秉文，李婉，金宇基于PSO-LSSVM的供热负荷预测研究 J.建筑节能（中英文)，2 0 2 1,49(6):46-49+78.14王新雨，于丹,刘益民，等.MIV-PSO-BP神经网络用户热负荷预测.煤气与热力，2 0 2 2,42(2):1-3+10.15】范婕，许欣怡，周诗，等.基于PSO-SVM的天然气水合物生成条件预测 .天然气化工一C1化学与化工,2 0 2 2,47(5)：17 1-17 6.16 VAPNIK V N.The nature of statistical learning50%时，浓度降到了45mg/m，降低了42.3%；低负荷（即40 MW）运行时，NO，初始排放浓度由45mg/m降到了2 8 mg/m。参考文献曹文宣，徐杰，王子兵，等天然气工业炉低氮燃烧技术研究与应用J化工管理，2 0 2 2（4)：85-90.2蓝廖春，李璐伶，温永刚天然气低氮氧化物燃烧技术发展煤气与热力，2 0 18，38（10）：38-42.3吴勇，胡琳琳，李运泉，等生物质和天然气燃料特性及在锅炉燃烧过程中对比分析 J中国特种设备安全，2 0 2 0,36(9)：6-10.4】朱航科天然气锅炉低氮燃烧改造问题分析研theoryLMJ.New York:Springer-Verlag,1995.17CHEN S,WANG J,ZHANG H.A hybrid PSO-SVM model based on clustering algorithm forshort-term atmosphericpollutant concentrationforecasting J.Technological ForecastinggangSocial Change,2019,146:41-54.18SAMANTARAY S,SAHOO A,AGNIHOTRIA.Prediction of Flood Discharge Using HybridPSO-SVM Algorithm in Barak River Basin J.MethodsX,2023,10:102060.19徐文兵，王国河，王生，等基于PSO-SVM算法的乐昌峡鹅公带滑坡体位移预测模型 中山大学学报（自然科学版），2 0 2 0,59（5)：57-6 5.究 J.中国资源综合利用，2 0 19,37(1)：115-118.5蔡玲，毕克刚，毕永江，等采用分级低氮燃烧技术对燃气锅炉燃烧改进的研究 刀.化学工业与工程技术,2 0 2 1,42(5)：7 3-7 7.6 车光兰，天然气锅炉低氮氧化物燃烧技术研究J.工业加热，2 0 2 0,49(3)：13-16.7 裴军。大型天然气/煤粉双燃料热水锅炉的运行状况研究 辽宁化工，2 0 2 2，51（5）：6 46-6 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