锅炉烟气排放污染物的来源及影响因素

摘 要：随着国家的日渐富强，人民对生活环境改善的需求日趋提高，国家对各类企业生产过程中的污染物排放指标控制更加严格，尤其是包括冶金企业在内的各重工业企业。只有充分了解和掌握了各类污染物排放的控制指标和影响因素，才能采取更加直接有效的措施以保证各污染物的达标排放，并促进和改善生产条件。本文就冶金企业燃气锅炉烟气排放污染物的来源及影响因素及各控制项目之间的相互关系开展分析和探讨。

关键词：煤气；燃气锅炉；污染物排放

依据国家标准《火电厂大气污染物排放标准（GB 13223—2011）》之表2（大气污染物特别排放限值）及河北省地方标准《DB13/2021火电厂大气污染物排放标准（征求意见稿）》，河北省各冶金企业自备电厂燃气锅炉的实际执行的排放指标主要为：NOx50mg/Nm3（折算浓度）、SO235mg/Nm3（折算浓度）、颗粒物5mg/Nm3（折算浓度）（简称50355），此环保指标亦与南方大多数地区燃气锅炉烟气排放指标相同。以北方某冶金企业自备电厂燃煤气锅炉为例，其烟气排放指标和监控数据如图1：

从图1可以看出，污染物分别为NOx、SO2、颗粒物，其对应的控制项目及参数分别为其本身的实测浓度（mg/m3）、折算浓度（mg/m3）和排放量（kg）。另外作为辅助监控的项目及调控参数还有废气排放量（m3）、氧含量均值（%）、烟气流速平均值（m/s）、烟气温度平均值（℃）、烟气湿度平均值（%）、烟气压力平均值（kPa）及生产设施工况等。本文就冶金企业自备电厂锅炉烟气排放污染物的来源及影响因素及各控制项目之间的相互关系开展分析和探讨。

1 自备电厂锅炉排放污染物的来源

锅炉是将燃料燃烧所放出的热量加热工质生产具有一定压力和温度的设备，按工质终态主要分为蒸汽锅炉、热水锅炉及汽水两用锅炉，也就是燃料在锅炉中通过燃烧将化学能转换为蒸汽或水的热能。锅炉主要由“锅”和“炉”两大部分组成。“锅”是指锅炉的汽水系统，由汽包、下降管、联箱、水冷壁、过热器和省煤器等设备组成，主要功能是使水吸热，最后变成一定参数的蒸汽或热水；“炉”指的是锅炉的燃烧系统，由炉膛、烟道、燃烧器及空气预热器等组成，是燃料介质化学能量转化的主体，如圖2所示。

由于冶金企业自备电厂锅炉所燃烧的燃料主要为冶炼过程产生的废气，如高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气及其按一定比例混合的混合煤气等，即为燃气锅炉，故本文所重点论述的锅炉均为燃气锅炉。燃气锅炉与其他燃油锅炉、燃煤锅炉相比辅助设备少、环境干净、稳定性好。

从图2还可以看出，锅炉排放污染物的来源只有两种途径，其一为燃料介质或助燃空气携带进入，另一为燃烧过程产生。

2 自备电厂燃气锅炉排放污染物的影响因素

2.1 气体燃料介质种类特效及其组分含量的影响

如表1所示，焦炉煤气含硫量较高、含尘量大、NOx少。以某公司跟踪检测数据为例，其外送焦炉煤气的颗粒物为5mg/m3，其羰基硫（COS）约70mg/m3，H2S约5mg/m3，同时还有少量的CS2及硫醚等。故在锅炉排放颗粒物超标或排放SO2折算浓度偏高的情况下应该减少焦炉煤气的掺烧量，且焦炉煤气一般情况下含尘量较大，特别是含有一些焦油、萘等，在锅炉燃烧运行中配风不良的情况下容易产生黑烟，表现为排放颗粒物上升。

高炉煤气含硫量高、含尘较大、NOx较少。以某公司跟踪检测数据为例，其外送高炉煤气的颗粒物为3mg/m3，其羰基硫约100mg/m3，H2S约10mg/m3，同时含有少量的CS2及硫醚等。故在锅炉掺烧高炉煤气时，SO2排放为重点监控指标，当排放SO2折算浓度偏高的情况下应该减少高炉煤气的掺烧量。

转炉煤气含硫量低、含尘量低、NOx较多。以某公司跟踪检测数据为例，其外送转炉煤气的颗粒物为2mg/m3，其主要羰基硫约20mg/m3，H2S约5mg/m3。故在锅炉掺烧转炉煤气时，NOx排放为重点监控指标，当排放NOx折算浓度偏高的情况下应该减少转炉煤气的掺烧量。

2.2 助燃空气的影响

空气中主要成分为N2、O2，分别占78.08%、20.95%，还有少量的CO2及氦、氖、氩等稀有气体，以及局部微量的SO2等污染性气体。空气的组分不是固定不变的，其具有地域性和时效性特征，以某地某时的大气分析数据为例，如表2所示，组分含量为：

空气中的N2属于惰性气体，一般不参与反应，亦不属于污染物。虽然其在炉内高温环境下可少量与O2发生反应生成NO、NO2及NOx污染物，但由于参与反应的N2很少，故空气中的N2含量的少量变化对污染物各排放指标基本无影响。

空气中的O2虽不属于污染物，但在锅炉炉内燃烧过程中参与化学反应，是氧化剂，其与燃料的配比（风煤比）对污染物在炉内的生成还是有较大影响的。

空气中的杂质对锅炉烟气排放颗粒物有一定影响，尤其在大黄沙、重雾霾天气，空气中的悬浮颗粒随送风进入锅炉炉膛，然后再通过烟囱排放，使颗粒物排放值增大。

2.3 锅炉燃烧强度的影响

故锅炉污染物的形成是在锅炉中的“炉”内完成的，煤气燃料在“炉”中与助燃空气中的氧气快速结合燃烧，发生化学变化，放出大量热量。在炉膛燃烧器喷嘴附近可形成1000多度的局部高温，在此高温环境下，各种S化合物（主要为H2S、COS）、C及C化合物（对于冶炼废气而言，主要为CO）与空气中的氧气发生氧化还原反应，生成SO2和CO2及少量SO2可进一步氧化为SO3，化学反应式分别为

H2S+O2H2O+SO2

COS+O2CO+SO2

CO+O2CO2

SO2+O2SO3（少量）

表现为氧气浓度越高、燃烧强度越高、反应温度越高、反应越完全，直至S化合物完全转化为SO2，C及C化合物（主要为CO）完全转化为CO2。故燃烧强度越高、反应温度越高、助燃氧气浓度越大，排放生成的SO2越多，但最大值不会超过为S化合物完全转化为SO2的理论值，同时排放生成的颗粒物越低。

由于助燃空气中的N2和O2在锅炉燃烧的高温环境下可以发生化学反应，产生部分NO、N02和少量其他氮氧化合物（如N2O等），统称NOx，主要化学反应式为

N2+O2NO

NO+O2NO2

其特点为炉膛温度越高，氧气浓度越大，产生的当氧化物越多，即NOx排放浓度越高，排放量越高。以某冶金企业煤气热值分析数据为例，高炉煤气热值为750～800KJ/Nm3、转炉煤气热值为1350～1500KJ/Nm3、焦炉煤气热值为3200～3800KJ/Nm3，即转炉煤气热值约为高炉煤气热值的2倍、焦炉煤气热值约为高炉煤气热值的5倍，故燃烧转炉煤气或焦炉煤气时产生的NOx远高于燃烧高炉煤气。为了降低NOx排放，可以在不降锅炉负荷情况下多掺烧热值相对较低的高炉煤气，或者采取分散燃烧、贫氧燃烧措施，降低局部燃烧强度。实践证明，燃气锅炉采用低氮燃烧器对于降低NOx排放是切实有效的。

3 监控指标折算浓度与锅炉氧含量的关系

如图3，按《GB132232011火电厂大气污染物排放标准》之5.2大气污染物基准氧含量排放浓度折算方法：

从上图3中公式（1）可以看出，大气污染物基准氧含量排放浓度由实测的大气污染物排放浓度、实测的氧含量、基准氧含量三个参数所决定，分别与图1所示的折算浓度、实测浓度、氧含量均值为一一对应关系。

上图3中公式（1）中的数值“21”，实际上代表的是“空气中O2体积含量，21%”。

基准氧含量按图3中《表4基准氧含量》之规定，燃气锅炉取3%（常值）。由上故而可推导出图1所示的

折算浓度=实测浓度×（21-3）÷（21-O2）

=实测浓度×18÷（21-O2）

即大气污染物排放折算浓度受实测浓度和氧含量均值两个参数所决定。因对于SO2、NOx、颗粒物的折算方式相同，故以SO2折算做进一步分析如下：

锅炉燃烧过程不可能产生硫元素，故煙气中的SO2均为燃料中的硫单质或含硫化合物通过燃烧生成（空气中硫含量微少，忽略不计），其直接测量得出的即为实测浓度。

3.1 实测浓度

实测浓度即为表计直接测量值，即在当前烟气温度、流速、烟气成分浓度的情况下实时测量转换得出的数值，单位为mg/m3。如例1：1mg的SO2通入1m3的无硫烟气中，SO2的实测浓度为1mg/m3（体积增加极少，忽略不计）。再如例2：1mg的SO2通入2m3的无硫烟气中，SO2的实测浓度为0.5mg/m3（体积增加极少，忽略不计）。在锅炉运行入口燃料量不变的情况下，增加的1m3烟气为1m3空气。

3.2 折算浓度

折算浓度实际上应为在统一标准测量计算得到的真实值，即剔除额外增加的助燃空气（如上例1：1m3空气）影响后的数值。

3.3 烟气氧含量

燃料燃烧时，为了实现完全燃烧的目的，风煤配比中通常采用过量空气的方法。烟气氧含量即烟气中含有的多余的自由氧，通常以干基容积百分数来表示，即锅炉排放烟气实时测量的氧气含量值。在图1中同时亦是为了剔除额外增加助燃空气（如上1m3空气），人为引入的调控参数。按上述规范要求，空气中的氧气体积含量同样按21%计。

如上例1：SO2实测浓度为1mg/m3时，假定此刻烟气氧含量为3%。

则计算对应例2：SO2实测浓度为0.5mg/m3时的烟气氧含量为：（3%×1+21%×1）÷2=12%。

3.4 燃气锅炉折算浓度的计算

依据3.1所述：折算浓度＝实测浓度×18÷（21-O2），计算折算浓度为：

对于例1：当SO2实测浓度为1mg/m3时，SO2折算浓度A（1）=1×18÷（21-3）=1mg/m3。

对于例2：当SO2实测浓度为0.5mg/m3时，SO2折算浓度B（0.5）=0.5×18÷（21-12）=1mg/m3。

两次所计算的折算浓度，结果相同。由此可以看出折算浓度的结果本质上是不受烟气氧含量的影响的。即大幅增加或减少助燃空气以改变烟气氧含量，折算浓度维持不变。折算浓度值的大小是由燃料组分及燃烧特性所决定的。

结语

大气污染物排放的折算浓度的大小不受锅炉烟气氧含量的直接影响，其值的大小是由燃料特性及组分中的元素含量及燃烧特性、燃烧强度、燃烧火焰区氧气浓度决定的。燃烧焦炉煤气时主要表现为颗粒物排放折算浓度升高、SO2排放折算浓度升高；燃烧转炉煤气时主要表现为NOx排放折算浓度升高；燃烧高炉煤气时主要表现为SO2排放折算浓度升高。在某项污染物排放折算浓度超标时，可以通过及时调整各种煤气燃料配比以实现达标排放。另外作为锅炉本体的烧嘴升级改造（如低氮燃烧技术）及尾部环保设备的稳定运行与煤气燃料源头治理同样重要，并不在本文论述之内。本文重点阐述的是在现有设备设施的条件下，通过煤气燃料掺烧量的调整和配风控制降低污染物排放，保证锅炉正常运行，进而降低煤气放散率，实现废气资源利用效益的最大化。

参考文献：

［1］环境保护部科技标准司.火电厂大气污染物排放标准（GB 13223—2011）［S］.北京：中国环境科学出版社，2011.

［2］程琳.火电厂大气污染物排放标准及治理现状［J］.环境保护前沿，2014，4（3）：7276.

［3］杨美丹，张苗云，沈丽丹，等.浅谈大气中NOx污染控制对策［J］.科技资讯，2014，24（093）：126127.

作者简介：赵素仿（1974— ），男，汉族，河北威县人，本科，热能工程高级工程师，研究方向：二次能源利用发电。