上海地区小型锅炉低氮改造分析

艾 晗，郭裕丰，齐永杰，陈 军，杨荟楠，苏明旭，楼晟荣，黄 成，胡馨遥

(1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200862;国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室上海市环境科学研究院，上海 200233)

0 引言

随着人们对环境的关注度日益增加，氮氧化物的危害成为治理环境的一个重点。国内外很早就展开了相关研究[1-5]，氮氧化物的排放量早在上世纪八十年代就实现了一定程度的减排。国内虽然起步较晚，但在减排领域拥有很快的发展速度，氮氧化物排放量从最初的140 mg/m3降至50 mg/m3。随着相关技术的发展，氮氧化物实现了35 mg/m3的超低排放。

在标准执行之前，上海市有关职能政府主持了相关低氮改造项目，以验证《标准》的可行性。本文的工作为评估其改造效果，于2018对上海市完成低氮改造的企业进行选择，对不同地区抽样选取了6台运行锅炉对其改造效果进行抽样调查，评估中小型工业燃气和燃油锅炉的NOx排放现状及改造效果，完成相关分析。本文在分析中对各锅炉的改造技术与运行情况进行了对应研究，对不同蒸发量的锅炉的减排效果进行了相关分析。为之后上海市全面推进低氮改造项目提供了相关的借鉴和参考。

1 低氮燃烧理论与技术

1.1 NOx生成机理

通过近十几年对天然气燃料生成NOx的燃烧机理与控制技术[2]的研究表明：NOx的生成途径主要有快速型、热力型、燃料型三种[3,5,7]。其中热力型NOx对所有NOx排放的贡献比例高达95%以上，快速型NOx在贡献比例上比热力型NOx小一个数量级。在低氮技术的研究和研究上，这两种NOx的生成方式与相关影响因素是工程领域里主要考虑与控制的部分。

1.1.1 热力型NOx生成机理

热力型NOx[5]是指N2在高温情况下被氧化生成NO和NOx，捷里多维奇(Zeldovich)反应机理式(1)描述了其生成过程

(1)

式中CNO、CN2、CO2——NO、N2、O2的浓度;

R——气体常数/J·(mol·K)-1，取8.314 J/(mol·K);

可知3个接收线圈测量的磁通密度为常值,与其方向无关,从而有利于节点布置。这样根据接收线圈的磁场测量值由式(13)和式(12)即可确定其与锚节点之间的距离,节点之间距离也可采用这种方式测定。

T——燃烧温度/K。

当燃料浓度过高时，需要考虑式(2)

N+OH→NO+H

(2)

由捷里多维奇(Zeldovich)反应机理可以知道，热力型NOx的生成受燃烧温度、氧气浓度、氮气浓度影响。

1.1.2 快速性NOx生成机理

快速型NOx[5,8]只来源于碳氢燃料的燃烧，其形成所需时间很短，形成机理由式(3)、式(4)所示

CH+N2→HCN

(3)

CH2+N2→HCN+NH2

(4)

式中 R——活性基(H、O、OH)；

RO——含氧基(O、OH)；

RN——含氨基(HCN、NH、N)。

从快速性NOx的生成机理分析，燃料种类对其生成有决定性影响，只有碳氢燃料才会产生快速型NOx。此外相关研究也表明过量空气系数也是影响其产生的一个重要因素。当过量空气系数≥1时，基本不产生NOx。当过量空气系数<0.7时，氧气浓度减少，HCN向N2转化增多，抑制了NOx的生成。

现在工程领域中较为成熟的低氮改造技术都是基于NOx的生成机理与相关链式反应。为不同的锅炉提供了改造方向和评估依据。

1.2 低氮燃烧技术

1.2.1 烟气再循环

烟气再循环[9-10]示意图和改造后的实体图如图1、图2所示：使部分烟气再次参加燃烧过程，将烟气再次引入燃烧区域降低了锅炉燃烧温度，其基本过程可描述为：将部分低温烟气直接送入炉内，或与空气(一次风或二次风)混合送入炉内，因烟气吸热和稀释了氧浓度，使燃烧速度和炉内温度降低，热力NOx减少，以此达到减少NOx的生成的目的。

图1 烟气再循环示意图

图2 烟气再循环现场图

1.2.2 分级燃烧

分级燃烧分为空气分级[9]和燃料分级[11]两种。空气分级主要是将理论空气量分几次送入燃烧区域，第一次将理论量大部分送入炉膛使燃烧为缺氧富燃料型，减少燃烧温度达到减少NOx的生成。将剩下的空气量分一次或两次送入燃烧区域，使燃料充分燃烧,其示意图与燃烧如图3、图4所示。

图3 三种不同的空气分级技术

图4 分级燃烧燃烧器

燃料分级主要是将燃烧设计为主燃烧区、再燃区、燃尽区。在主燃区送入二次燃料形成还原环境使NOx还原为N2，以此抑制NOx的生成。其燃烧原理与燃烧火焰如图5、图6所示。

图5 燃料分级示意图

图6 燃烧火焰图

1.2.3 全预混表面燃烧技术

全预混表面燃烧技术[12-15]是指全预混燃烧技术与表面燃烧技术的结合。全预混燃烧技术是指燃气和空气充分混合燃烧，此过程中过量空气系数α≥1。燃烧速率快、燃烧充分、火焰短。表面燃烧火焰会沿着金属纤维的表面进行均匀分布，有利于温度场的均匀分布。两种技术结合解决了回火问题，对减少小型燃气锅炉NOx排放量有显著效果。

目前使用的低氮技术除以上三种常用技术之外还有旋流燃烧技术、水冷预混技术、浓淡燃烧等。

2 项目实施

2.1 低氮改造锅炉参数及改造方案

根据上海市中小燃油燃气锅炉低氮燃烧改造推进情况，在杨浦区、长宁区、嘉定区选取不同吨位、炉型的中小燃油燃气锅炉低氮燃烧改造项目6项。各锅炉使用的低氮燃烧改造主要有烟气再循环、分级燃烧、更换低氮燃烧器。在完成低氮改造后，各检测企业锅炉均为燃气锅炉，可见使用燃气锅炉是减少NOx排放的主要手段之一，各锅炉参数及相关改造技术如表1所示。

表1 选测锅炉参数与改造技术

2.2 烟气在线测量

本次低氮燃烧改造效果检测项目的工作中，对锅炉排放烟气进行检测的设备为Testo350烟气分析仪与皮托管。Testo350烟气分析仪是一款节能环保的专业仪器，配有各种传感器可测：O2、SO2、NO、NO2、NOx等气体参数以及可以长期连续监测得到对应物质的年排放量，也可以测量压差、流速、流量。其原理为待测气体经过过滤装置进入到气体传感室，待测气体与定电位式电化学传感反应，产生的电信号与气体浓度成正比。该装置既可以现场快速分析，也可以配上便携式烟气预处理器进行长期准确监测，监测数值可以实时与计算机相连与数据分析。测量参数及其量程、精度、分辨率和响应时间如下表2所示。

表2 Testo350烟气分析仪测量参数

由于传感器的电解液是水溶性的，长期使用和自身的蒸发会导致传感器信号衰减，因此每次使用前后都对该装置进行了标定使偏差小于±%5。每次测试之前都要先进行自动校零，待校准结束以后将探针插入选好的烟道/烟囱采样口中。由于运行锅炉是根据使用情况来调整自身运行工况，所以该装置要在每种工况下采集10到15 min的稳定数据。

烟气在线测量中，烟气的高湿和高温也是测量过程中所遇到的困难，但testo350烟气分析仪自身的专利技术、烟气预处理系统、全加热采样系统很好地解决了这个问题。

3 结果与讨论

3.1 锅炉各工况排放情况

基于Testo350烟气分析仪，完成了6台锅炉在25%、50%、75%、100%负荷工况下NOx的排放情况监测，如图7所示。

图7 锅炉各工况下排放情况

1号锅炉在负荷为25%工况运行时，NOx的平均排放浓度达到最大值14.1 mg/m3，50%工况运行时，其平均排放浓度达最小值2.8 mg/m3。2号锅炉在负荷为100%时NOx的平均排放浓度达到最大值29.2 mg/m3，50%工况运行时，其平均排放浓度达最小值13.9 mg/m3。3号锅炉在负荷为100%工况运行时，NOx的平均排放浓度达到最大值18.4 mg/m3，25%工况运行时，其平均排放浓度达最小值14.3 mg/m3。4号锅炉在负荷为100%工况运行时，NOx的平均排放浓度达到最大值15.8 mg/m3，25%工况运行时，其平均排放浓度达最小值12.8 mg/m3。5号锅炉在负荷为100%工况运行时，NOx的平均排放浓度达到最大值26 mg/m3，25%工况运行时，其平均排放浓度达最小值14.08 mg/m3。6号锅炉在负荷为75%工况运行时，NOx的平均排放浓度达到最大值9.1 mg/m3，50%工况运行时，其平均排放浓度达最小值8.3 mg/m3。6台锅炉NOx排放最大浓度值均低于上海市在用燃气锅炉排放限值150 mg/m3与上海市新建燃气锅炉拟排放限值50 mg/m3。

3.2 锅炉各工况下的排放因子

由于选取锅炉改造方案有差异，负荷不一样。不能只从排放情况来分析改造的效果优劣。本文进一步研究6台锅炉在四个不同工况下对应的NOx的排放情况得到其排放因子：1号锅炉在负荷工况区间内NOx的排放因子最大值为1.2 g/kg燃料，最小值为0.2 g/kg燃料。2号锅炉在负荷工况区间内NOx的排放因子最大值为0.9 g/kg燃料，最小值为0.8 g/kg燃料。3号锅炉在负荷工况区间内NOx的排放因子最大值为0.8 g/kg燃料，最小值为0.3 g/kg燃料。4号锅炉在负荷工况区间内NOx的排放因子最大值为0.7 g/kg燃料，最小值为0.5 g/kg燃料。5号锅炉在负荷工况区间内NOx的排放因子最大值为2.5 g/kg燃料，最小值为0.3 g/kg燃料。6号锅炉在负荷工况区间内NOx的排放因子最小值为0.17 g/kg燃料；最大值为0.18 g/kg。从六台锅炉的排放因子与工况的对应情况可以看出，锅炉启动时由于燃烧不充分排放因子比较大，NOx排放浓度也较高。随着负载加大到50%左右时锅炉的燃烧比较充分，这时的排放因子比较小，对应的排放浓度也相应降低。各工况下的排放因子情况如图8所示。

图8 各工况对应的排放因子

3.3 锅炉改造前后年排放量及减排率

通过排放因子的排放情况和锅炉的运行情况进一步整理得到六台锅炉改造后NOx年排量。结合上海市环境科学研究院2017完成的固定污染源排放清单可以得到6台锅炉NOx年排放量均有不同程度减少。其中NOx年排放量减少最多的为5号锅炉，其减排量为1603 kg，总体NOx的平均减排量达1 043 kg。各锅炉减排率均大于48%，其中6号锅炉改造前燃料为燃油，改造后燃料为天然气，减排效果很显著，减排率高达96%。六台锅炉总体NOx的平均减排率为77%。排放量、减排率如图9、表3所示。

图9 各锅炉低氮改造前后NOx年排放量

表3 各锅炉减排率

4 结论

(1)燃煤、燃油锅炉排放不能满足排放标准的情况下，使用燃气锅炉是减少NOx排放的主要手段。

(2)各选测锅炉改造以后排放情况均能达到新《标准》要求，所选锅炉排放浓度达到最大值29.2 mg/m3、最小值为9.1 mg/m3。证明了低氮改造的可行性与《标准》科学性。

(3)本文此次研究所选择的锅炉数量样本够，蒸发量的范围没有覆盖完整。后续工作重点应放在这两方面。