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可持续锅炉的想法乍一看似乎很奇怪。锅炉已经存在了很长时间,技术已经非常成熟。市场上有很多锅炉,但是,它们之间的差异都比较小。更换锅炉不太可能产生巨大的可持续性收益。
然而,如果我们将焦点扩展到锅炉系统,事情就变得更有趣了。查看系统的整体适用于管道工程师,因为他们是真正的系统工程师。也就是说,为锅炉系统选择合适的组件可以对效率、排放和整体可持续性产生巨大影响。
几个关键部件对可持续性有巨大的影响:燃料来源、燃烧器和控制系统。更重要的是,最近这些技术都取得了令人兴奋的突破。
燃料来源
也许对锅炉系统的整体可持续性贡献最大的是燃料来源。不同的燃料有不同的排放特征和固有的效率限制。这些差异可以通过燃烧器和控制器技术在一定程度上得到改善。尽管如此,在所有条件相同的情况下,天然气燃烧起来将比煤或重油更清洁。
但如果我们谈论的是可持续发展,排放并不能说明一切。天然气、重油和煤都是不可再生的燃料来源。从长远来看,这意味着这些燃料在一个重要意义上是不可持续的。可持续燃料意味着可再生燃料。实际上,这意味着生物燃料。
传统的生物燃料
目前最流行的生物燃料是固体燃料,如木屑或颗粒。除了比不可再生燃料更具有可持续性之外,改用固体生物燃料还能显著减少二氧化碳的排放2和一氧化二氮(NOx)排放。改用固体生物燃料通常需要更换整个锅炉系统,包括控制器、燃烧器、泵和锅炉。对于大型机构来说,这可能意味着1000万美元或更多的前期投资。此外,储存木屑或颗粒需要大量的空间。对许多人来说,这些考虑使得固体生物燃料要么不切实际,要么成本过高。
液体木材
在过去,固体生物燃料是全部,但有一种替代品:液体木材或生物油。在一个被称为热解的过程中,木材在没有氧气的情况下被加热,可以从固体转化为液体。人们对其基本化学成分的了解已有100多年了,但直到最近,这种产品还不能以一种商业上可行的方式燃烧。然而,液态木材现在是可以获得的(特别是在东北部,通过加拿大的一个主要供应商),其价格与天然气或石油相比具有竞争力。
液态木材的行为本质上就像锅炉油箱中的传统燃料油。因此,改造现有的锅炉设备通常是所有需要燃烧液体木材。与其他生物燃料相比,这是一种具有成本效益的方式,可以显著降低转换成本(在某些情况下降低10倍)。此外,储存需求与传统燃料来源没有本质上的不同。液态木材确实需要一些设备升级,因为它必须在非常特定的温度和压力下燃烧。工程公司多年来一直在努力使这些系统正确,但现在它们已经可用并且具有商业可行性。
除了100%可再生之外,液态木材还有一个重要的好处:它比传统燃料的碳效率要高得多。这是因为CO2燃烧液态木材产生的排放物通过重新种植用于生产燃料的树木在很大程度上抵消了。平均而言,液态木材的碳效率比石油燃料高88%,比天然气高81%。
任何希望减少总体碳足迹的机构都应该认真考虑将液态木材燃料用于其锅炉系统。事实上,几所新英格兰大学已经做出了转变,并正在从中获益。
燃烧器
虽然二氧化碳很重要,但它只是锅炉排放物中众多有害成分之一。另一个主要的可持续性考虑因素是一氧化二氮(NOx)的排放。氮氧化物是我们呼吸的空气中的“烟雾”的罪魁祸首,是一种众所周知的公共健康威胁。由于这些众所周知的公众健康风险,环境保护署制定了国家环境空气质量标准NOx大气中的浓度。令人震惊的是,最近的研究表明,超过50%的美国县没有达到这些标准,构成了重大的公共卫生威胁。
为了解决这个问题,州政府机构一直在制定越来越严格的氮氧化物排放规定。加州一直是最激进的,目前在美国有一些最严格的规定。虽然大多数州的行动较为缓慢,但趋势很明显:对氮氧化物排放的要求越来越严格。
在许多州,老式天然气燃烧器产生的氮氧化物浓度已经不符合规定,而许多新型燃烧器也不太可能满足我们预期的未来更严格的规定。为了满足这些新标准,许多设施将被迫更换旧的燃烧器。然而,更换一个燃烧器是昂贵的,而且有一个主要的问题:如果安装一个新系统来满足新的规定,比如说,20 ppm的氮氧化物,如果几年后标准收紧到14 ppm,会发生什么?
超低氮氧化物燃烧器
一种解决方案是选择超低氮氧化物排放燃烧器。这些燃烧器中的许多可以达到9ppm左右的排放-或多或少的理论物理极限。据推测,各州永远不会要求NOx排放量低于物理允许的水平!因此,这种方法肯定会使锅炉系统经得起未来的考验。但也有缺点。因为降低氮氧化物排放意味着使用更多的电力和系统效率的下降,在理论上的下限运行可能比现行法规要求的成本高得多。
此外,大多数低氮氧化物燃烧器是所谓的“扩散系统”,需要流动气体再循环(FGR)。FGR需要更多的风扇流量,这可能意味着电力和马力需求的大幅增加(当然,这意味着更高的成本)。
FGR系统的另一种选择是“精益预混料”系统。不幸的是,这些系统也有自己的缺点。它们的燃烧器头部通常由易碎的金属纤维网制成。这些头有一个高故障率,因为网格容易堵塞。此外,它们还需要定期更换空气过滤器。在实践中,例行维护会被忽略。因此,实际氮氧化物排放量上升,使系统面临违反法规的风险。
可配置氮氧化物排放燃烧器
新的燃烧器可以改善所有这些问题。先进的精益预混系统使用固体不锈钢头,不需要空气过滤器。这意味着在特定的氮氧化物水平下,更少的维护和更可靠的运行。此外,这些燃烧器的氮氧化物排放可以在飞行中配置。这意味着工厂可以设置燃烧器以满足当前的氮氧化物水平,并确信一旦法规进一步收紧,只需对现有系统进行轻微的重新配置即可达到合规要求。
控制系统
我们已经研究了锅炉系统的两个主要组成部分及其对可持续性的影响:燃料和燃烧器。还有另一个容易被忽略的组件:系统控制器。当与适当的燃料和空气流量调节器结合时,控制器的工作是确保燃料和空气流量匹配,以始终保持正确的燃料与空气比。这确保了准确和可重复的燃烧控制。
制造商报价的效率和排放统计燃烧器假设正确的燃料-空气比。那些负责锅炉系统的人经常惊讶地发现,他们过时的控制器不能可靠地保持这种燃料与空气的比例,而且他们的系统实际上以较低的效率运行,或者排放比预期的更糟。
因此,提高可持续性的第一步也是最简单的一步往往是升级到现代控制器。事实上,无论如何,许多设施都应该考虑新的控制器:曾经标准的西门子/摩尔352和353控制器在去年10月正式终止使用。
一个简单的解决方案是寻找一种现代的、可编程的回路控制器,它可以作为旧西门子控制器的替代品。寻找像SD卡插槽和保留内存这样的功能,使维护更容易,更不频繁。记住——实际的维护任务经常被忽略,因此需要最少维护的系统更有可能按照规范运行。
除了简单的回路控制器,还有一个有趣的新选项:灵活系统控制器。灵活的系统控制器是分散的。系统中的每个组件都有自己独立的逻辑控制器。此外,这些新系统中最好的是用两条冗余电缆连接每个组件。这消除了集中式逻辑控制器中的单点故障问题。
对于当前的讨论来说,更重要的是,它使维护和故障排除更加简单。每个组件都有自己的触摸屏,可以访问和控制系统其余部分的任何其他组件。技术人员可以方便地监控和解决问题,从任何地方。这意味着更可靠和可维护的操作,从而转化为可持续性收益。
在过去的几年里,系统控制器已经取得了长足的进步,它们具有提高可持续性的潜力,同时由于效率的提高而降低了成本。
系统设计为王
改变燃料源、燃烧器和系统控制器是提高锅炉系统可持续性的三种主要方法,但锅炉系统比这三种元素更复杂。有泵,日罐,调节器,和无数的其他组件。效率和可持续性的提高可以在每一个点。将系统作为一个整体来考虑是提高锅炉可持续性的最佳方法。
最后,由于这些组件都是系统的一部分,因此最好的方法可能不是找到零件制造商来提供用于升级的特定组件。在许多情况下,与一家同时生产零部件的工程公司合作可能要有效得多。一个专门从事系统设计的公司可以最好地建议在特定系统中哪些组件可以最好地升级,以及这种升级可能需要哪些其他更改。