基于生命周期评价的燃气工业锅炉低氮燃烧技术综合评价*

李 磊 王晓鹏 马 虹 熊凤吟 钟 玲 曹 磊#

(1.建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024；2.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054；3.滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，深圳大学土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；4.生态环境部环境发展中心，北京 100029)

氮氧化物(NOx)作为典型的大气污染物，既可造成光化学烟雾和酸雨污染，也是细颗粒物的重要前驱物。工业锅炉是NOx排放的重点污染源之一，在现有能源结构优化调整的背景下，燃气工业锅炉占比不断加大，其排放的废气将成为NOx的重要来源[1-2]。《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)明确要求重点地区燃气锅炉NOx的特别排放限值为150 mg/m3。北京、天津、上海等多地发布地方性政策，排放要求在国家标准基础上均有所提高[3]。国家统计局数据显示，2019年工业锅炉产量同比增长22%[4]，煤粉、燃气、余热及生物质锅炉等产量更是日益增加，因此亟需遴选合理有效的燃气工业锅炉低氮燃烧技术，实现NOx排放控制目标。

现有研究工作多围绕低氮燃烧技术的机理、运行效果及影响因素[5-7]开展，较少关注技术的系统性表现，难以为决策者提供较全面系统的参考，因此本研究将针对燃气工业锅炉低氮燃烧技术的开发与应用实际，建立多维评价指标体系，对典型低氮燃烧技术开展基于生命周期评价(LCA)的综合评价[8]，为低氮燃烧技术的应用与推广提供系统性的理论依据与量化数据参考。

1 评价对象与方法

1.1 典型燃气工业锅炉低氮燃烧技术

锅炉产生的NOx是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的，可分为热力型、快速型、燃料型NOx。其中，燃气锅炉的NOx主要为热力型NOx，占NOx产生总量的95%[9]。与燃煤相比，燃气锅炉尾气中NOx较少，以烟气脱硝为代表的末端处理技术仅在尾气排放总量较大时才得以应用[10]。因此，本研究主要针对适用于中小型燃气工业锅炉的低氮燃烧技术开展评价。根据京津冀部分企业燃气工业锅炉低氮燃烧改造现状与文献调研[11-12]，初步筛选出5种较多应用于低氮燃烧的技术(烟气内循环、燃料分级燃烧+烟气再循环、空气分级燃烧、水冷预混燃烧、贫燃预混燃烧)，再开展综合评价。

1.2 评价方法及流程

综合评价方法包括层次分析法、模糊综合评价、灰色聚类法、TOPOSIS等多种评价方法。本研究采用了广泛应用的模糊综合评价方法对典型的低氮燃烧技术进行分析，以便最大化地耦合定性与定量指标，实现指标精准量化[13-14]。

为系统评价低氮燃烧技术的资源环境影响，本研究引入LCA作为资源环境指标的核算方法。首先初步筛选典型技术，确定技术评价对象，再构建涵盖资源、能源、环境、技术、经济、社会影响等信息的多维评价指标体系，然后对指标进行实地、问卷、专家与文献调研，确定权重及指标量化方法，最后比较分析参评对象指标量化的综合评价结果，给出技术推荐建议。将LCA融合于综合评价中，通过发挥LCA方法资源环境影响评价的系统性优势，形成一种新的框架来解决环境技术评价问题，既可全面评价防治技术潜在的污染转移可能性，又可全面地考察技术应用的功能特征。

2 技术评价与讨论

2.1 评价指标体系构建

在确立评价目标的前提下，通过相关资料收集、调研及咨询等方式初选，确保指标全面性及代表性，构建了覆盖资源能源、环境影响、技术功能、经济效益和社会影响5个维度共计21个指标的体系，指标中除技术评价的一般定性指标，也加入了NOx减排率、锅炉本体热效率变化、烟气排放含氧量等特征功能指标，以及能反映跨介质污染转移潜势的损害人体健康、生态系统等间接环境影响指标，符合评价目标的全面性要求。

2.2 评价指标量化方法

2.2.1 数据收集

针对燃气工业锅炉低氮燃烧技术，结合国家重点研发计划项目(No.2017YFF0211803)，课题组在此前大量数据和文献的基础上开展了研究，并实测了38台中小型燃气工业锅炉(1～20 t/h)，对河北省某地级市开展补充问卷调研，收回有效问卷12份。低氮燃烧技术评价指标清单信息具体见表1。

2.2.2 LCA

应用LCA开展资源能源及间接环境影响类指标核算。燃气工业锅炉低氮燃烧技术实施手段多为既有锅炉改造，需要的资源能源投入较少。在LCA过程中，将功能单位设置为同样规格的锅炉供应同等热力时所应用的低氮燃烧技术，以此为基础来量化能源资源消耗和污染物排放。低氮燃烧技术的LCA系统覆盖低氮燃烧设备的改造和使用过程，包括改造过程低氮燃烧器等设备资源的投入、运行过程能源的投入，以及NOx、CO等大气污染物的排放。

2.2.3 指标量化比较

将所有评价指标分为定量和定性指标，并用相应的方法进行统一量化处理。对于定性指标，引入模糊统计分析法，根据最大隶属度原则，构建隶属度函数，再通过文献调研进行等级赋值；对于定量指标，越大越优型数据采用效益型指标公式量化，对于越小越优型数据采用成本型指标公式量化。最终，使指标量化结果分布于[0，1]。

2.3 综合分析与评价

燃气工业锅炉低氮燃烧技术评价指标涉及资源能源消耗和技术功能等多个领域，指标之间互相影响较小，数据之间关联性较弱，本研究列出的指标涵盖了一些定性指标，如复杂性与安全性，层次分析法能较好解决涵盖定量、定性因素的综合性指标系统决策问题，通过建立层次递阶模型、构造判断矩阵，本研究的权重结果见表2。

5种技术的一级指标综合评价结果见图1。指标的重要性参考已有研究[15]，将技术功能与经济效益作为重点属性进行评价。

技术功能在一级指标中权重最大，符合技术评价的研究目标。从技术功能分析，燃料分级燃烧+烟气再循环技术具有绝对的优势，由于其市场份额较大，应用时间长，相关的技术理论和设备构造研究已非常成熟，而且经调研发现，该技术应用较普遍；贫燃预混燃烧技术表现位列第二，该技术是近两年国内工程实践常应用的技术；水冷预混燃烧技术位列第三，在项目应用中表现出一定的技术优势，特别是小型燃气锅炉领域能更好发挥技术特色。

表1 低氮燃烧技术评价指标清单信息Table 1 Indicators inventory of low NOx combustion technology evaluation

烟气内循环技术的经济效益表现最佳，主要是因为该技术应用无运营成本且具有一定的改造补贴，该技术也被相关研究认定是一种可实现不增加成本、空间，通过技术本身降低NOx排放的燃烧技术。燃料分级燃烧+烟气再循环与水冷预混燃烧技术差别较小，其中水冷预混燃烧技术虽然投资高，但有投资回报和改造补贴，而燃料分级燃烧+烟气再循环技术没有运营成本且投资低，因此综合表现出经济效益相对较高的状态。空气分级燃烧技术对经济效益产生不利的影响最高，该技术改造期间未获得补贴，同时在燃气工业锅炉中应用较少。环境影响的指标权重较低，但社会关注度较高。环境影响方面，烟气内循环对NOx的减排有限，通常需要跟其他低氮燃烧技术相结合，因此环境影响方面表现较差[16]。贫燃预混燃烧技术本身能使NOx降到较低水平，因此对NOx具有较大的减排潜力，环境影响综合表现最好。资源能源、社会影响的指标权重相对较低，暂不进行详细分析。

最终，烟气内循环、燃料分级燃烧+烟气再循环、空气分级燃烧、水冷预混燃烧、贫燃预混燃烧技术的综合评分分别为0.285 48、0.346 28、0.286 69、0.323 67、0.336 72，其中燃料分级燃烧+烟气再循环技术成为最佳选择技术，对比该领域现有低氮燃烧技术推广情况和发展趋势发现，本研究最佳选择技术与目前多项研究推荐的技术一致。贫燃预混燃烧技术排列第二，且具有最低环境影响及最佳社会影响。

表2 燃气工业锅炉低氮燃烧技术评价指标权重Table 2 Weight of evaluation indicators of low NOx combustion technology for gas industrial boiler

图1 一级指标综合评价结果Fig.1 The evaluation results of the primary indicators

3 结 语

(1) 应用耦合LCA的综合评价方法，开展中小型燃气工业锅炉低氮燃烧技术综合评价。燃料分级燃烧+烟气再循环技术的综合评分最高；贫燃预混燃烧技术排列第二，且具有最低环境影响及最佳社会影响；烟气内循环技术具有最佳经济效益。

(2) 本研究的燃气工业锅炉低氮燃烧技术评价过程可作为不同空气污染控制技术评价研究的参考。本研究所建立的指标体系和评价模型，可以应用于其他大气污染防治技术的综合评价。