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工業燃氣和鍋爐燃燒器系統發展歷程

文章來源:中國鍋爐與鍋爐水處理協會 編輯:華道顧問

 缅甸天山国际 鍋爐燃燒器是燃燒系統實際設計中的核心功能部件,包括氣體燃料分配、燃料準備、燃燒控制和爐體設計。在過去50年中,工業燃氣和鍋爐燃燒器的發展經歷了許多變化,使得鍋爐系統更加高效和耐久。
    通過新的鍋爐技術,現代工業鍋爐在實現多燃料靈活性、低排放、高調節比、長壽命、燃燒器系統穩定運行等方面取得了重大進展。
    先進的工業鍋爐控制技術和成熟的燃燒性能大大提高了鍋爐的效率,促進了工業運行和應用。以下介紹鍋爐燃燒器系統在過去50年中的變化。



基礎調風燃燒器:1960-1970

    從20世紀60年代和70年代最基礎的燃燒器到今天更現代化、更高效的低NOx燃燒器,鍋爐行業發生了翻天覆地的變化。盡管多年來燃燒器設計發生了變化,即使采用了新的鍋爐技術,但實現其最大效率和安全性仍然是設計要素的關鍵。另一個重大變化的領域在于調風燃燒器的使用。

    什么是調風燃燒器?

    在工業鍋爐系統中,工廠服務工程師通過調風燃燒器調節和供應精確的空氣量以實現高效燃燒。過去的基礎調風燃燒器都配有一套或兩套可調節的百葉窗式調節風門或葉片,以優化或控制助燃空氣在與燃料混合之前的旋轉。

    空氣過少會導致不完全燃燒、積灰、冒煙和火焰不穩定。過多的空氣則會從爐內空間排出熱量而降低整體燃燒效率,這可能會增加硫沉積和“白煙”。

    維修工程師也將調風燃燒器作為一個方便的工具,來控制火焰成型或調整火焰寬度。這些燃燒器廣泛應用于油和氣體燃料。針對燃氣,調風燃燒器配有多個噴槍,更甚至有一個中心槍或一個環狀燃氣配件。針對燃油,則必須在調風燃燒器的中心插入槍式燃燒器或霧化器。

    燃燒器設計的變化

    多年來,隨著燃燒器設計的變化,出現了更高效的燃燒器,這類燃燒器沒有采用文丘里型燃燒器那樣的對流百葉窗式的調節風門。盡管新鍋爐技術在進步,但大多數燃燒器仍然需要穩焰裝置,如燃燒器旋流器或擴散器。

    如今,現代的調風燃燒器被應用于工業鍋爐中,用于精確控制和分配大量的助燃空氣,并在設計時兼顧了安全性和效率。



NOx減排:20世紀80年代

    直到20世紀80年代初,大多數鍋爐都配置了開放煙道,用來排放工業設備的燃燒垃圾。鍋爐燃燒器的排放物是當時最大的安全隱患之一。這就需要通過各種方式減少NOx排放量,包括進行可能影響熱力型NOx水平的微小設計變更,如使用特殊的燃氣元件鉆孔模式。這促進了低NOx燃燒器的發展。

    工業鍋爐控制—NOx控制
    減少NOx排放涉及各種過程的改動,如對燃燒器的燃燒過程進行修改、實施新的鍋爐技術或使用各種NOx控制策略,例如:
  • 燃料轉換

  • 分級燃燒

  • 煙氣再循環(FGR)

  • 低NOx燃燒器的安裝

  • 選擇性催化還原(SCR)等

  • FGR(煙氣再循環)

    雖然可以減少和控制鍋爐燃燒器中NOx排放的方法眾多,但煙氣再循環(FGR)迅速成為了80年代中后期主要的關注點,當時加利福尼亞州的南海岸空氣質量管理區強制要求燃氣工業鍋爐的NOx排放量小于30ppm。在大多數情況下,這一要求都會通過引入FGR的方法來實現。在未來幾年,隨著嚴格的低NOx排放要求成為常態,新的燃燒器設計有助于實現更低的NOx水平。
    雖然FGR有助于大幅度減少NOx排放,但它也有缺點:FGR比例的增加常常導致質量流量的增加,從而使燃燒器缺少所需的氧氣,造成不穩定燃燒。
    因此,鍋爐供應商開始研發新的鍋爐技術和更復雜的燃燒器控制系統,以適配高FGR比例。在一些如加利福尼亞的州,個位數值的低NOx排放量已經被強制執行多年,低NOx燃氣燃燒器系統一直被使用著。
    然而,在美國大部分地區,不需要進行極端的氮氧化物減排。在燃燒過程中降低NOx水平所面臨的最大挑戰可能是快速型NOx。這是所有傳統燃燒器的常見問題。由于它是瞬間形成的,使用FGR無法幫助降低快速型NOx。因此采取超低NOx燃燒器使用更高的FGR比例來解決熱力型和快速型NOx排放問題。

超低NOx燃燒器


    超低NOx燃燒器的主要功能是防止熱力型NOx或快速型NOx的產生。如今,美國擁有不同類型的超低NOx燃燒器設計,既適用于小型商業鍋爐,如火管鍋爐,也適用于大型工業水管鍋爐。使用的新鍋爐技術—這類燃燒器在燃燒前充分預混燃料和空氣,消除了大多數導致生成快速型NOx的富燃料區。

    使用超低NOx燃燒器的優點

  • 它們有助于解決快速型NOx問題,同時也減少了熱力型NOx

  • 減少由不受控制的NOx水平引起的主要運行問題

  • 可與復雜的工業鍋爐控制集成,以實現更低的NOx水平

  •  NOx排放量顯著減少

    設計變更及其對NOx水平和排放的影響

    多年來,已經對不同的超低NOx燃燒器設計修改進行了測試,以確保更好地控制燃燒過程中的NOx含量。這些燃燒器包括新的鍋爐技術,如復雜的燃燒控制、更大的助燃風機以引入更大量的FGR、使用擴展的網孔管、助燃空氣過濾器等。這些設計上的改變保證了小型和大型超低NOx燃燒器都能有效地抑制快速型NOx和熱力型NOx。

    尾氣后端凈化

    在過去的50年中,雖然在降低NOx方面做了很多工作,但煙囪氣體的后端凈化及其在降低NOx排放方面的作用基本上被忽視。慶幸的是使用選擇性催化還原(SCR)設計方面已取得了重大進展,這種設計有助于有效地實現大型工業燃氣鍋爐煙氣中的NOx水平低至個位數值,而無需依賴可將NOx降至個位數值的低NOx燃燒器和控制系統。

使用SCR降低NOx


    選擇性催化還原(SCR)是一種NOx生成后控制技術,它使用特定的催化劑材料來幫助降低NOx水平,這種催化劑材料有助于NOx和氨之間的化學反應,從而產生水和氮氣。

    盡管對于安裝成套SCR和其他鍋爐新型技術的成本、所用催化劑材料的使用壽命和維護成本等問題存疑,但大型工業鍋爐使用者仍采用SCR作為一種更有效的降低NOx策略,其NOx降低率高達95%。

    特別是像加利福尼亞州,與使用SCR控制技術的燃燒器相比,其一直密切關注使用超低NOx燃燒器系統帶來的高耗能成本問題。

要旨


    燃燒器制造商仍在開發更有效的燃燒理念和工業鍋爐控制技術,以有效降低NOx的排放。只要燃氣燃燒器為所有類型的工業鍋爐和熔爐提供能量,這種情況將繼續下去。使用重油和柴油的燃燒器在降低NOx方面構成了巨大的挑戰。重質燃料油中高濃度的結合態氮使得在現代成套鍋爐中任何切實可行的NOx降低成為了一項挑戰。

技術的持續改進


    多年來,隨著鍋爐新技術的不斷改進,燃燒器管理和燃燒控制系統有助于降低NOx水平和鍋爐運行問題。這使得鍋爐的效率、耐久性、操作和維護更加容易。


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