低氮预混真空相变锅炉的技术特点与应用前景

摘要：低氮预混真空相变锅炉是一种利用水的相变热能产生蒸汽的热水锅炉。它的特点是在锅炉内部保持低压状态，加热炉体内的热媒水，使水在低压下沸腾产生蒸汽，蒸汽同锅炉上部热交换器中的系统水进行热量交换。介绍了低氮预混真空相变锅炉的工作原理，其热交换器、燃烧器的结构特点和锅炉的节能特点。总结了低氮预混真空相变锅炉的技术特点和应用前景。

关键词：预混真空相变锅炉；技术；特点；应用；前景随着国内雾霾现象的加深，对于锅炉大气污染物排放标准要求越来越高。很多的地方标准要求氮氧化物排放量≤80 mg/m3，而北京、上海等地方要求氮氧化物排放量≤30 mg/m3。常规锅炉配套的进口扩散式低氮燃烧器只能做到≤80 mg/m3。开发出一种能达到≤30 mg/m3的低氮预混真空相变热水锅炉产品，已经成为迫切需要。低氮预混燃气真空相变热水锅炉采用预混水冷火排燃烧器，利用炉内的热媒水冷却火焰实现降氮［1］。预混燃烧的火焰尺寸短，可以大幅度减小设备尺寸。在这个以节约能源为主的时代，几乎可以预见的是：采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低污染锅炉将是锅炉产品发展的趋势，并向高端和高附加值的产品市场发展［2］。

1低氮预混真空相变锅炉的工作原理及特点

1.1真空相变锅炉工作原理

在一个标准大气压（1.013×105 Pa）下，水的沸点是100 ℃，随着压力降低，沸点也将逐渐降低。锅炉运行时，在真空负压下炉体内的热媒水吸收燃料燃烧释放的热能，沸腾气化为低温蒸汽，低温蒸汽上升遇到不锈钢换热器中的系统循环水，加热循环水送给用户用于采暖或卫生热水，水蒸气自身被冷却凝结成水滴下落到热媒水后再一次被加热，从而完成整个循环过程。热媒水不断地在封闭的机体内进行着“沸腾——蒸发——冷凝——热媒水”的循环，因此无需补充冷凝水，也无空烧的危险。真空热水锅炉利用的“气水凝结换热”，是所有换热工况中传热系数最高的［3］。

1.2低氮预混燃烧技术

低氮预混真空相变锅炉采用全预混水冷翅片管分布式燃烧技术，可以降低炉排表面火焰温度，炉内温度更趋均匀，有效避免局部高温，抑制热力型氮氧化物的生成，氮氧化物排放浓度小于12×10-6，一氧化碳零排放。一次预混气体燃烧，降低火焰传播速度，克服了全预混燃烧时容易产生回火的问题。采用自动化预混燃气控制技术，使全负荷范围混合比例精确，确保最低负荷下燃烧器上各点气流速度均大于火焰传播速度。同时，预混混合气流在炉排均匀分布也保证了燃烧器表面火焰均匀，避免炉排表面局部火焰过长而接触到锅炉受热面，导致机械产生不完全燃烧。炉排采用了特殊的水冷式结构设计，利用锅炉热媒水循环冷却，大大降低了火焰温度，有效控制了NOx的合成，通过PLC微电脑控制，同时保证全负荷范围内的燃烧运行平稳、安全，不产生回火现象。

1.3特点

（1） 体积小质量轻，适应安装场地更为苛刻的情况，膜式壁结构可以使炉膛足够大，燃烧效率高；水管式锅炉升温快，起停热损失小，即热型；尾部烟道处一氧化碳含量为0%，氮氧化物24 mg/m3左右；满负荷运行时尾部烟道氧含量4%，过量系数1.2（理论1∶10，过量系数1.2时燃气空气比为1∶12）；氧含量为7%时，氮氧化物9×10-6，即18 mg/m3。整个燃烧器包裹在钢制外壳内，获得更好的静音效果。

（2） 锅炉始终在负压状态下运行，内部工作压力永远低于外界大气压，并设有超温保护、超压保护、低水位保护等多道安全保护措施，无膨胀、空烧、爆炸之危险，具有常压和带压锅炉无法比拟的安全和可靠性。一次预混气体贫氧燃烧，降低火焰传播速度，克服了全预混燃烧时容易产生回火的问题。

（3） 锅炉采用水冷预混膜式壁水管式结构，烟囱出口匹配不锈钢冷凝器，每台真空炉出厂前都经保温处理，降低了排烟温度及排烟热损失，大大提高锅炉效率，降低用户的运行成本。

（4） 锅炉采用超低NOx燃烧器，燃烧充分，烟尘排放低于法定标准，完全符合国家一类地区要求。并且锅炉房可选择在地下室、地面、楼层中间及屋顶等多种场所，大大节省建设用地。

（5） 使用高纯度、经特殊脱气处理的热媒水，消除氧腐蚀，真空无氧，锅炉内部永不结垢，大大降低机内钢板腐蚀，使用寿命达到半永久性。其内部热交换器的元件采用螺栓连接，方便设备的检查、维护、保养。

（6） 换热器采用优质无缝铜管或不锈钢管，直接置于锅筒内部，使产生的热水更加清洁、卫生，可直接被用户使用。锅炉预热时间短，只需启运时间3～5 min，大大减少用户的运行费用。

（7） 采用微电脑自动控制，能够根据负荷的变化经电脑计算自动调节燃料耗量，大大节省了用户的运行成本，同时还具有故障诊断预知功能，能够预先发现故障的可能性，使用户防患于未然，并大大降低了操作工人的劳动强度，只需轻轻一按就可实现自动运转。

（8） 该机组在保证用户使用满足110 ℃下实行自动控制运行，同时也可根据用户要求进行25～110 ℃温度内修改运行参数，实行自动运行。锅炉和换热器合为一体，同时又无需一次热水循环泵，节约了可观的电能等费用。

2低氮预混真空相变锅炉热交换器结构特点

为了提高锅炉热交换效率，热交换器设计采取措施有：

（1） 采用直管换热器多流程结构，为保证锅炉有稳定的传热系数K，锅炉根据换热器流量进行流程设计，确保换热器流速处于设计范围。

（2） 采用气水分离装置，在换热管与热媒水分界面安装不锈钢气水分离装置，避免锅炉内部沸腾时大量冷凝水飞溅到换热管，提升了换热管的实际有效换热面积。

（3） 换热器水室采用压力容器设计工艺，在换热器顶部设置自动收集不凝性气体的集气装置。换热器水室采用圆形封头螺栓连接方式，避免焊接产生的高温导致换热管和管板之间的胀接间隙，从而降低热变形带来的换热管胀接漏点的系数，确保锅炉的真空度［4］。

3低氮预混真空相变锅炉节能特点

锅炉在节能方面采取的主要措施有：

（1） 采用水冷预混膜式壁水管式结构，高温炉膛完全被水包围，降低热损失。

（2） 加长烟气流程，烟气流经两个回程烟管，使烟气换热更加充分。

（3） 充足的烟气受热面，低排烟温度设计，减少排烟热损失。

（4） 选配全预混水冷翅片管分布式燃烧技术，降低火焰温度，炉内温度更趋均匀，燃料空气混合更好，燃烧更充分，减少气体不完全燃烧热损失，固体不完全燃烧热损失为0。同时可以更低过量空气系数燃烧，减少排烟热损失。

（5） 炉体外表采用高热阻硅酸铝纤维保温，高热阻硅酸铝纤维保温外再加航空隔热反光铝板，使锅炉保温效果达到最佳，保温层外部有美观的锅炉外壳，外壳表面平均温度小于35 ℃，降低散热损失。

（6） 采用全自动智能化抽真空装置，冷凝水回入锅炉，热媒水不损失。真空机组智能真空抽气系统，机组真空度屏幕直接显示，真空度、温度双重控制。机组能根据热媒水温度及压力，自动判断、自动启停排气系统，使机组始终保持在没有不凝性气体的工况下运行，高换热性能，始终保持高效率，比同类产品更节能。

（7） 锅炉可以配置内置式尾部节能器（激光焊翅片式），利用低温回水回收烟气余热，使排烟温度降至80 ℃，可使锅炉整机热效率提至102%以上。经浙江省特种设备检验中心检测，锅炉额定负荷热效率高达102%。

4低氮预混真空相变锅炉燃烧器结构特点

预混式低氮燃烧器是专为低氮锅炉量身定制研发的一款预混式超低氮燃烧器，采用预混燃烧技术，水冷分布式低火焰温度，炉内温度场更加均匀，避免局部高温，抑制热力型氮氧化物的生成，氮氧化物（NOx）排放浓度小于12 ppm，一氧化碳零排放，一次预混气体燃烧，降低火焰传播速度，克服了全预混燃烧时容易产生回火的问题［5］。

水冷式预混燃烧器采用全焊接不锈钢翅片管，翅片拉模折角工艺（根据阻火原理），燃烧排设计高精度稳流盘，完全防止预混气体回火。燃气静压要求15 kPa，动压12 kPa，负荷10%到15%启炉，正常燃烧器共十段调节，默认所需最高负荷的1/10为一段往上或往下跳，在各段中还可以用电子笔调电动执行器来微调细调，还可以调节每段上升或下降的时间，从10%～100%满负荷全比例调节。采用后预混方式混合燃气和空气。稳流盘，主要为了增加进入速度和预混均匀。火焰温度降低，燃烧温度不超过1 050 ℃，低温高效燃烧，通过控制加快进风速度使炉内形成短火焰，长度在0.5～1.0 m左右，避免火焰对炉膛造成长时间冲刷，而且可以产生最好的热辐射效果。

5环保效益和社会效益

低氮预混真空相变锅炉是将低氮燃烧技术和真空相变锅炉技术相结合，研发出的一种新型环保节能锅炉。相比于传统的锅炉，它具有以下环保效益和社会效益：

（1） 降低氮氧化物排放，低氮燃烧技术能够有效降低燃烧过程中产生的氮氧化物排放，减少空气污染程度，保护大气环境。

（2） 减少二氧化碳排放，真空相变锅炉可以在低温低压条件下产生蒸汽，使热效率得到提高，节约能源，减少二氧化碳排放。

（3） 提高能源利用率，低氮预混技术可以使燃料充分燃烧，提高能源利用率，降低能源消耗，减少资源浪费。

（4） 减少噪音污染，真空相变锅炉内部保持低压真空状态，降低了锅炉运转时的噪音污染，改善了周围环境。

（5） 降低运行成本，低氮预混真空相变锅炉具有高效节能、安全可靠、环保节能、使用方便等特点，降低了企业的运行成本，提高了企业的经济效益。

综上所述，低氮预混真空相变锅炉的环保效益和社会效益显著，既能提高企业的经济效益，又能保护环境和人民健康，是一种可持续发展的绿色能源设备［6］。

6应用前景

低氮预混真空相变锅炉技术是一种新型的锅炉技术，由于其具有热稳定性高、节能效果明显等特点，在国外已得到广泛应用。目前，我国的低氮预混真空相变锅炉应用还处于起步阶段，但已有不少企业进行了探索和实践，国内低氮预混真空相变锅炉的应用已初具规模。在我国节能减排、环境保护和能源可持续发展战略的推动下，低氮预混真空相变锅炉作为一种节能环保产品有着广阔的应用前景。同时，在当前全球气候变暖、能源紧缺的形势下，低氮预混真空相变锅炉作为一种节能环保产品有着良好的市场前景。另外，低氮预混真空相变锅炉通过不断创新和完善，技术水平也在不断提高，相信随着技术的成熟和完善，其市场前景将越来越广阔［7］。

6.1市场前景

低氮预混真空相变锅炉作为一种节能环保产品，具有广阔的市场前景，未来可在以下方面开展应用：

（1） 随着“双碳”目标的推进，绿色建筑、装配式建筑等国家政策的大力推广，建筑节能市场前景广阔。

（2） 在“碳达峰”“碳中和”的背景下，节能将成为新能源行业的热点，低氮预混真空相变锅炉作为节能领域的重要设备将得到大力推广。

（3） 低氮预混真空相变锅炉作为一种新型的供热设备，具有广阔的市场空间。锅炉不仅在供热领域，而且在采暖、工业烘干、中央空调等领域都有广泛应用。

（4） 目前，国内低氮预混真空相变锅炉行业尚处于起步阶段，相关企业较少，随着真空相变锅炉技术的不断成熟和完善，其应用市场将会不断扩大。

6.2应用领域

低氮预混真空相变锅炉是一种新型的环保节能锅炉，具有高效节能、低污染、安全可靠等特点，广泛应用于以下领域：

（1） 工业生产，低氮预混真空相变锅炉在化工、食品、纺织、制药、造纸等行业中得到广泛应用，为企业提供高效、稳定、环保的蒸汽供应。

（2） 民用供暖，低氮预混真空相变锅炉可以为学校、宾馆、医院、居民区等提供供暖、供热服务，满足人们的生活需求。

（3） 农业种植，低氮预混真空相变锅炉可以为温室、养殖场等提供蒸汽、热水等热源，促进农业生产发展。

（4） 其他领域，低氮预混真空相变锅炉也可以应用于公共设施、地铁车站、商场、办公楼等场所的供能系统中，为城市的能源供应作出贡献。

总之，低氮预混真空相变锅炉具有广泛的应用领域，是一种绿色、环保、高效的新型能源设备，有望在未来快速发展。

7结语

低氮预混真空相变锅炉是一种新型的环保节能锅炉，具有高效节能、低污染、安全可靠等特点，能够为工业生产、民用供暖、农业种植、城市能源供应等多个领域提供可靠的热源供应。与传统的锅炉相比，低氮预混真空相变锅炉具有更高的能源利用率，更低的氮氧化物和二氧化碳排放，更少的噪音污染，能够为企业降低运行成本，改善周围环境，保护人民健康。因此，低氮预混真空相变锅炉是一种可持续发展的绿色能源设备，有望在未来快速发展，为促进可持续发展、保护环境作出重要贡献。

参考文献：

［1］范琳.真空相变锅炉的技术特点与应用前景［J］.海峡科学，2016（2）：2123.

［2］岳云飞，马委元，李文辉.蓄热式燃烧真空相变加热炉［J］.工业锅炉，2019（2）：3032.

［3］惠荷.固体蓄热锅炉与燃气真空相变锅炉在供热中的应用对比分析［J］.工业锅炉，2020（4）：4144，49.

［4］袁红霞.新型真空相变加热炉研制与应用［J］.石油化工设备技术，2019，40（3）：4145，7.

［5］丁亚琪，李建新，蒋林，等.真空锅炉现状和发展趋势的研究［J］.真空科学与技术学报，2015（2）：125129.

［6］惠荷.固体蓄热锅炉与燃气真空相变锅炉在居住与公共建筑中应用对比分析［J］.电力与能源，2020（4）：495498.

［7］梁誓禹.真空与常压承压锅炉的性能对比［J］.化工管理，2021（29）：42.

作者简介：倪露滨，男，浙江绍兴人，工程师，本科，研究方向：锅炉的设计与制造。