燃气锅炉改造技术验收标准及检测

吕岩岩 朱宇龙

1.上海工业锅炉研究所有限公司

2.杭州市特种设备检测研究院

1 改造背景

为贯彻落实全国打赢蓝天保卫战行动部署，有效减少燃气锅炉氮氧化物排放，加快改善环境空气质量[1]，根据浙江省政府2018年9月颁布的《浙江省打赢蓝天保卫战三年行动计划》[2]、浙江省生态环境厅2019年9月《燃气锅炉低氮改造工作技术指南（试行）》（以下简称“技术指南”）[3]和浙江省市场监督管理局2019年10月下发的“浙市监特〔2019〕26号”《关于加强燃气锅炉低氮改造安全监察工作的通知》要求[4]，省内各地区应在2020年底前完成锅炉低氮改造工作，并确保改造后的锅炉安全性能、能效指标和环保指标符合相关法规技术要求。根据“技术指南”要求，浙江省行政区域内额定热功率0.7 MW（额定蒸发量1 t/h）以上的工业、发电锅炉且不满足低氮排放要求的，应纳入改造范围。

杭州市特种设备检测研究院于2020年3月19日下发《关于加强杭州市燃气锅炉低氮改造监督检验工作的通知》，通知强调要加强低氮改造的检验检测工作。本文详细解析改造技术路径和检验检测目标。

2 低氮改造技术路线概述

2.1 NOX产生机理与治理方法[5]

氮氧化物（NOx）是氮和氧两种元素组成的化合物，其中最重要的是NO和NO2。自燃界中也存在少量的氮氧化物，但其中大部分来自人类活动，主要来自交通和能源生产。氮氧化物产生机理：燃烧过程中主要氮氧化物为NO和NO2，试验表明NO约为95%，NO2约5%。燃料燃烧过程中按NOx成因可以分为三种：

(1)热力型NOx：燃烧时空气中的氮在高温下氧化而生成NOx；

(2)快速型：燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团反应生成NOx；

(3)燃料型：燃料中的氮氧化物在燃烧过程中热分解经氧化而生成NOx。

从以上三点可以看出，NOx是在燃烧过程中产生，而燃烧方法和燃烧条件对NOx的生成有很大影响，可以通过改进燃烧技术来降低NOx。例如，选用含氮较低燃料、降低过量空气系数和降低温度峰值等，采用的降低NOx的方法有分级燃烧、再燃烧法、低氧燃烧，浓淡偏差燃烧和烟气再循环等。

2.2 通用改造路线

低氮改造指通过更换锅炉、改造燃烧设备或结合氮氧化物（NOx）末端治理等技术路线，达到低氮排放要求的技术手段。主要有以下几种改造方式：

1）更换锅炉是对锅炉本体进行更换的技术手段，重点是控制锅炉烟气的NOx初始排放浓度达到低氮排放要求。

2）改造燃烧设备属于燃烧过程污染预防技术，是通过更换低氮燃烧器或实施烟气再循环改造等措施，达到低氮排放要求。目前最成熟并应用最多的是烟气再循环。其中，在炉膛内部通过射流等方式将循环烟气引入燃烧区域的称烟气内循环（FIR），将循环烟气引入助燃空气或燃气中的烟气外循环（FGR），应用最多的是烟气外循环FGR）。

3）NOx末端治理属于燃烧后污染治理技术，是指仅依靠低氮改造无法达到低氮排放要求时采取的补充措施，其技术方法主要包括：选择性非催化还原脱硝（SNCR）、选择性催化还原脱硝（SCR）、SNCR-SCR联合脱硝等。

2.3 烟气外循环改造(FGR)技术路线

有些燃烧器公司对炉膛温度和火焰温度生成NOx做了研究，图1是炉膛温度对NOx生成的影响示意图，图2是燃烧器火焰温度对NOx生成的影响。从图1和图2可以推导出，无论是炉膛温度还是火焰温度提高，前期（1 700℃以下）生成NOx的含量都急剧升高。由此可见，降低炉膛温度或火焰温度将有利于控制NOx的生成。

图1 炉膛温度对生成NOX的影响

图2 火焰温度对生成NOx的影响

烟气外循环改造(FGR)技术：从省煤器后或其他烟道中抽取一部分低温烟气送入炉膛或者燃烧器助燃空气或燃气中，通过降低炉膛燃烧温度、氧气浓度和分压，使热力型NOx生成减少的燃烧技术。改造原理是燃烧所需要的空气中氧量为21%，通过FGR烟气再循环抽回来的烟气与助燃空气混合后，其含氧量降低，使燃烧器的第一级处于欠氧燃烧，从而降低燃烧温度，将减弱氧气与氮气生成热力型NOx的过程，从而减少NOx的生成。某公司设计的燃气锅炉烟气外循环(FGR)改造示意图见图3。

图3 燃气锅炉烟气外循环(FGR)改造示意图

3 低氮改造合格标准介绍

3.1 环保检测标准

改造后燃气锅炉应在全燃烧工况下符合安全性能要求、低氮排放要求和能效指标要求[6]。锅炉在全燃烧工况下能安全稳定运行，NOx排放浓度稳定在50 mg/m3以下，其他污染物满足GB13223、GB13271要求，另外除了环保指标，CO排放浓度应低于95 mg/m3。详见表1。

新建或整体更换的锅炉，鼓励NOx排放浓度稳定在30 mg/m3以下。

3.2 能效检测指标

低氮改造后的锅炉测试热效率符合DB33/800《锅炉运行能效限额及监测技术要求》的规定，能效测试方法：工业锅炉按GB/T 10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》执行，电站锅炉按GB/T 10184-2015《电站锅炉性能试验规程》执行。

表1 环保检测标准

4 低氮改造检验检测

低氮改造检验检测应符合法规、标准和相关规定的要求。在改造过程中需要注意以下几点：

(1)锅炉燃烧器改造或更换应按锅炉重大修理的规定履行有关施工告知程序。

(2)燃气锅炉燃烧器如果是由锅炉使用单位选配的，使用单位应对燃烧器是否符合锅炉制造企业的配置技术要求进行核查，由锅炉制造单位提供确认证明。

(3)燃烧器应符合《锅炉安全技术监察规程》等安全技术规范和标准的要求，燃油燃气燃烧器应当通过型式试验。

(4)燃烧器的任何改造、修理和更换不得降低锅炉的安全性能和能效指标并应符合环保要求。

(5)能效和环保测试应选择有资质的机构。能效和环保数据会相互影响，应同时检测，并确保调试参数与平时在用状态一致。

(6)低氮改造完成后，锅炉使用单位应申请锅炉外部检验。

5 建议

燃气锅炉低氮改造时应注意原有锅炉现实情况，例如炉膛尺寸、换热面面积大小、燃烧器型号等。在改造过程中应注意以下几点：

（1）低氮燃烧需要一定尺寸的炉膛，现有炉膛尺寸可能无法改变，因此存在炉膛尺寸与燃烧器燃烧需求不一致的矛盾，需要通过降低锅炉的出力而实现。

（2）为降低NOx的排放，加入一定比例的循环烟气，烟气在炉膛需吸热，因此循环烟气投入升高，锅炉的能效会降低。

（3）锅炉燃烧器的改造、更换和调试工作由燃烧器制造商或其授权的单位负责，锅炉使用单位做好配合工作。

（4）燃烧器系统调试应由持相应资质的锅炉作业人员进行锅炉操作，并由燃烧器制造单位或其授权单位的技术人员现场指导。

（5）作为特种设备，当改造工作通过各地特检机构检验，锅炉安全、能效和环保三方面均验收合格后相关改造工作完成。