FGR的循环型工业锅炉节能控制系统设计分析

FGR的循环型工业锅炉节能控制系统设计分析

朱 亮

哈尔滨哈锅锅炉工程技术有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000

摘要：氮氧化物是雾霾产生的一大成因，也是燃气锅炉排放的主要污染物。已颁布的《北京市锅炉大气污染物排放标准》将工业锅炉氮氧化物的排放标准大幅提高。

关键词：FGR循环型工业锅炉；节能控制系统设计；

工业锅炉是重要的热能动力设备，我国是当今世界锅炉生产和使用最多的国家。我国锅炉制造业特别是改革开放以来随着国民经济的蓬勃发展，全国有千余家持有各级锅炉制造许可证的企业可以生产各种不同等级的锅炉。由于节能环保日益严格，而工业锅炉又处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产运行状态，因此对工业锅炉推广应用各种新技术、新工艺、新管理是实现节能降耗、减少污染的重要途径。随着工业生产规模的不断扩大，生产过程不断强化。

一、烟气循环FGR的主要原理

烟气循环参与再燃烧有两种方式：烟气内部循环和烟气外部再循环。烟气内部循环一般用于普通低氮应用，利用燃烧器喷嘴流速产生卷吸烟气的效应，使少量烟气再次参与燃烧，降低火焰温度，排放目标值为80 mg／m³；而烟气外部再循环是通过风机的机械力量大幅度增加再循环烟气的流量，再循环烟气量可占总烟气量的25％，大幅度降低火焰温度，更低的氮氧化物排放。

二、FGR的循环型工业锅炉节能控制系统设计分析

1.物料出口温度控制。经过分析可知，影响锅炉物料出口温度的因素包括物料流量、燃烧工况以及空气量与燃料量比值等，在控制系统中，物料出口温度是通过改变燃料流量来控制的，但受到燃烧工况、风量的跟随作用以及风量与燃料量的比值影响。为了使物料出口温度稳定在目标温度，必须保证燃料能够充分燃烧，释放出足够的能量，因此选择采用串级控制系统。该控制系统中，物料出口温度控制回路为串级控制系统的主回路。在控制方案中，当物料出口温度由于某种干扰变化时，通过物料出口温度控制器的输出来改变燃料控制器的给定值，使燃料量随之变化。然后通过比值控制器使空气量也发生改变，保持燃料量和空气量的流量比不变。但从动态角度看，因蒸汽出口温度变化首先反应到燃料量给定值的变化，使燃料量随之变化，再经过燃料量测量变送器、比值器，改变空气量控制器的给定值，空气量才发生变化。显然，空气量的变化滞后于燃料量，即动态比值不能得到保证。在实际工业生产中，为了使燃料完全燃烧，在提升负荷时要求先提升空气量，后提升燃料量;在降低负荷时，要求先降低燃料量，后降低空气量，即所谓具有逻辑提降量的比值控制系统。通过增加两个选择器HS、LS 组成具有逻辑提降功能的燃烧过程控制系统，空气量与燃料量的比值。燃烧系统要减少稳态误差，同时由于流量噪声比较大，不能采用微分作用。因此，燃料流量控制器和空气流量控制器均采用控制器。如有微分作用时，一旦主控制器和输出稍有变化，调节阀将大幅度变化，不利于控制，所以副控制器选用控制器，主控制器采用PID 控制器。

2.烟气含氧量闭环控制。烟气含氧量是指燃料燃烧之后排出的烟气中氧气的含量，它主要与燃料的燃烧状况有关。烟气含氧量的影响因素是燃烧工况。燃烧过程的燃料量与空气量比值控制系统存在一个不足，即不能保证两者是最优比，这是由于流量测量的误差以及燃料质量的变化所造成的。为此，文中方案采用烟气氧含量作为送风量的校正信号。锅炉燃烧过程中烟气含氧量的闭环控制方案，烟气含氧量作为被控变量，其设定值是锅炉燃烧效率最高情况下的最优烟气含氧量。烟气含氧量闭环控制系统是将原有的定比值控制改为变比值控制，克服燃料成分变化等带来的扰动。因要求烟气含氧量稳定在1% ～ 3% 内，设定值取2%。为了保证锅炉效率最优，就要保证烟气含氧量在一定的范围内波动，积分作用可以不用很大。同时，由于烟气含氧量经常波动，测量的值有可能不准确，为避免其对高频噪声的放大而影响系统的平稳工作，所以不加微分作用。因此，烟气含氧量控制器采用比例积分控制即可。若锅炉投运年头较短且受热面积可以满足改造要求时，宜采用只更换燃烧器的模式。在设备选型时，首要任务是测量受热面（炉膛直径和深度）、了解锅炉背压，以便确定选择何种燃烧技术。通常，承压锅炉尤其是蒸汽锅炉，优先选择分级燃烧结合烟气再循环（简称ＦＧＲ）相结合的燃烧器，小型的低氮冷凝常压锅炉则多采用全预混表面燃烧技术，如富尔顿、中禾葆蓝、诺科等品牌产品。改造前还需对锅炉房进行现场勘探，实测安装空间，摸清运输通道状况，并了解锅炉日常的运行状态及主要参数，避免出现后期施工会遇到设备进场难、费用预估不准确、施工难度增大等情况。

3.采用整体更换锅炉加燃烧器的方案时，除了选择燃烧技术外，还需考虑可靠性、经济性等重要因素，先使燃料与空气在燃烧室前的文丘里中进行完全混合，再送入由特殊铁铬铝合金制成的金属纤维网状燃烧头，使火焰在透气均匀的金属纤维织物表面进行燃烧。均匀的透气性和充分的预混，使燃烧十分稳定和温度分布均匀，难以形成局部高温区。一般情况下，常采用同等规格置换的模式，对附属设备及工艺管线的改动较小，有利于降低改造成本，缩短改造工期。燃烧系统整体的稳定性下降，随着FGR流量的增加，炉膛或烟道的振荡易通过FGR通道影响燃烧系统的稳定性，所以FGR流量不是越大越好，通常应小于总烟气量的25％。不推荐烟气再循环参与氧含量控制，其影响在于，助燃风、烟气压力、炉膛的交叉影响和减少烟气氧量可能导致NO排放的增加。风机入口处出现冷凝水，由于湿热的烟气与较低温度的助燃新风混合，产生冷凝水，可能侵蚀燃烧器的内部元件，当然这取决于烟气和助燃新风的温度状况，必要情况下可以考虑FGR管路加保温、预留冷凝水排放口以及新风预热。FGR会减小燃烧器的出力，在某台现有的燃烧器上加装FGR功能，助燃风(空气+FGR)氧量下降需要减少燃料供应以维持适当空燃比，这导致燃烧器出力下降，如果原燃烧器日常的大部分时间都工作在最大负荷，则FGR改造后可能出力不够，此时不建议做FGR改造。超低氮燃烧对锅炉的受热面积有严格要求，如果受热面积偏小，则热量被吸收的速度偏慢，就造成炉膛温度较高，无法实现ＮＯｘ排放浓度。而且如果炉膛直径偏小，或炉膛偏短，则炉膛燃烧空间小，容易形成火焰刷墙而造成局部温度过高，不能有效降低热力型ＮＯｘ的排放。采用分级燃烧ＦＧＲ技术时，鼓风机功率较原来偏大，风量和风压都会增大，因此必须考虑原有的风道强度，尤其是钢板风道。若烟风道强度不够，产生的震颤，会使风道的流通截面，反复变化，进而形成空气流通不稳定，造成锅炉喘振现象，必要时要采取措施来增加烟风道的强度。

结束语：在工业锅炉领域，分级燃烧加烟气再循环技术仍将是低氮燃烧的主流技术。而在民用和商用的热水锅炉领域，则更青睐全预混表面燃烧技术，特别是一系列的低氮冷凝壁挂炉的研发成功，为这项技术在分户计量的供暖模式中，提供了广阔的前景。伴随着国产品牌研发能力日渐提升，其产品的技术性能也越来越接近欧美水平，国产品牌竞争力的增强，必将促进改造成本的降低，进而推动燃烧技术更加完善，更有利于长久发展。

参考文献：

［１］北京市环境保护局．北京市锅炉大气污染物排放标准：ＤＢ１１／１３９—２０１8［Ｓ］．２０１５．

［２］李永华．燃烧理论与技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１8．

［３］冉培甫．工业锅炉节能减排应用技术［Ｍ］．北京．化学工业出版社，２０１６．