關(guān)于燃?xì)忮仩t低氮燃燒相關(guān)知識(shí)的介紹
2019-04-04 16:58:38 點(diǎn)擊：
關(guān)于燃?xì)忮仩t低氮燃燒相關(guān)知識(shí)的介紹
天然氣作為一種清潔能源，相比于煤，燃燒產(chǎn)物幾乎不含粉塵及SO2，其主要的污染物為氮氧化物（NOX），NOX除了危害人體健康外，在大氣中通過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過日照，與碳?xì)浠衔?、臭氧等生成光化學(xué)煙霧。不僅如此，NOX同時(shí)也是形成酸雨的重要成因，更是產(chǎn)生大氣超細(xì)顆粒物（PM2.5）的重要元兇。
隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，政府大力推廣天然氣等清潔能源的使用。與此同時(shí)，對(duì)于大氣污染排放也越來越重視，其中對(duì)于氮氧化物允許排放濃度的標(biāo)準(zhǔn)更是日趨嚴(yán)格，嚴(yán)格的鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也促進(jìn)廠家對(duì)于低氮燃燒技術(shù)的研發(fā)改進(jìn)工作。本文主要介紹國(guó)內(nèi)外燃?xì)忮仩t氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)以及常見的低氮燃燒技術(shù)。
國(guó)內(nèi)外氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)
我國(guó)鍋爐氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)
我國(guó)的鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)基本經(jīng)歷了控制煙塵、控制SO2，控制NOX三個(gè)階段。目前國(guó)家層面的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，GB13271-2014為該標(biāo)準(zhǔn)的第三次修訂稿。第一次修訂版本是1992年發(fā)布的GB13271-91《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，1992年的修訂版分年限規(guī)定了燃煤鍋爐最高允許的排放煙塵濃度、SO2排放濃度及煙氣黑度。1999年和2001年進(jìn)行了第二次修訂，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)分別為GWPB3-1999和GB13271-2001。第二次修訂稿重新規(guī)定了鍋爐（包括燃?xì)忮仩t）的煙塵、煙氣黑度、SO2排放要求，并首次對(duì)氮氧化物的最高允許濃度進(jìn)行要求?，F(xiàn)行的2014年修訂稿中對(duì)于氮氧化物排放濃度的規(guī)定如表1~3：
表1 在用鍋爐大氣污染物排放濃度限值（GB13271-2014）
表2 新建鍋爐大氣污染物排放濃度限值（GB13271-2014）
注：自2014年7月1日起新建鍋爐執(zhí)行表2的排放限值。
表3 重點(diǎn)地區(qū)鍋爐大氣污染物特別排放限值（GB13271-2014）
從2015年開始，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，各地開始逐步制定更為嚴(yán)格的地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。比如北京地區(qū)，出臺(tái)了DB11/139-2015《北京市鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求自2017年4月1日起，在用及新建鍋爐氮氧化物排放濃度限值分別為80mg/m3及30 mg/m3。DB11/139-2015中對(duì)于氮氧化物的具體要求參見表4和表5：
表4 在用鍋爐大氣污染物排放濃度限值（DB11/139-2015）
表5 新建鍋爐大氣污染物排放濃度限值（DB11/139-2015）
20多年來，北京市燃?xì)忮仩t大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展歷程見表6，最新的標(biāo)準(zhǔn)堪稱世界上最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)之一，北京的標(biāo)準(zhǔn)是否還會(huì)越來越嚴(yán)格？我們拭目以待。
表6 北京市新建燃?xì)忮仩t大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)變化歷程
天津市2016年7月發(fā)布新標(biāo)準(zhǔn)DB12/151-2016《天津市鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，重新限定了燃?xì)忮仩t氮氧化物排放限值，新建燃油、燃?xì)忮仩t氮氧化物排放控制水平要求達(dá)到80mg/m3，具體氮氧化物的排放濃度要求見表7~8：
表7 天津市在用鍋爐氮氧化物排放濃度限值（DB12/151-2016）
表8 天津市新建鍋爐氮氧化物排放濃度限值（DB12/151-2016）
上海從2017年開始調(diào)研及收集征求意見，2018年新標(biāo)準(zhǔn)DB31/387—2018《上海市鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布稿正式公布并于6月7日起正式實(shí)施。上海的地標(biāo)規(guī)定自標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之日（2018年6月7日）起對(duì)新建的鍋爐（65t/h以下）氮氧化物排放濃度限值為50mg/m3，客觀地說，上海地方標(biāo)準(zhǔn)吸取了北京的經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)比較務(wù)實(shí)。對(duì)大噸位的鍋爐更有相關(guān)明確規(guī)定，額定熱功率大于等于14MW或額定蒸發(fā)量大于等于20t/h的鍋爐應(yīng)按《污染源自動(dòng)監(jiān)控管理辦法》的規(guī)定安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)，并保證設(shè)備正常運(yùn)行。從這里看出來在線煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和顯示將來會(huì)是趨勢(shì)，就如同能耗計(jì)量上傳一樣。上海市的具體的排放要求見表9~11：
表9 上海市在用鍋爐大氣污染物排放限值（第一階段2018/6/7~2020/9/30）
表10 上海市在用鍋爐大氣污染物排放限值（第二階段2020/10/1起）
表11 上海市新建鍋爐大氣污染物排放限值（2018/6/7起）
以上城市的地方標(biāo)準(zhǔn)的頒布勢(shì)必會(huì)引領(lǐng)其他省份紛紛效仿，實(shí)際上很多省份已經(jīng)發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或進(jìn)行意見稿的收集征求工作。 顯然，嚴(yán)控NOx已經(jīng)成為各地方標(biāo)準(zhǔn)的既定事實(shí)。
美國(guó)鍋爐氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)
美國(guó)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)體系和我國(guó)類似，有聯(lián)邦和地方標(biāo)準(zhǔn)，地方標(biāo)準(zhǔn)由各個(gè)州政府制定。一般來講，各個(gè)地方政府的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。
美國(guó)聯(lián)邦政府只對(duì)29MW以上的鍋爐規(guī)定了煙塵、SO2及NOX的排放濃度限值，相關(guān)聯(lián)邦法律為40 CFR Part63( National Emission Standards for HazardousAir Pollutants for Major Sources: Industrial, Commercial, and InstitutionalBoilers and Process Heaters)。表12是美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)于29MW以上鍋爐NOX排放濃度限值：
表12 美國(guó)聯(lián)邦政府29MW以上鍋爐NOX排放濃度限值
美國(guó)各地氮氧化物排放濃度要求差異很大，而在美國(guó)各地氮氧化物排放濃度的標(biāo)準(zhǔn)中，以加州的標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)格。美國(guó)加州空氣資源委員會(huì)（ARB）將本地劃分了35個(gè)空氣污染控制區(qū)（APCD’S）和空氣質(zhì)量管理區(qū)（AQMD’S），每個(gè)控制區(qū)和管理區(qū)均有各自的排放指標(biāo)和控制計(jì)劃。任何涉及到排放大氣污染物的經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所，必須獲得當(dāng)?shù)氐脑S可證。表13為南加州空氣質(zhì)量管理區(qū)的燃?xì)忮仩t氮氧化物排放濃度限值：
表13 南加州空氣質(zhì)量管理區(qū)燃?xì)忮仩tNOX排放濃度限值
歐盟將燃燒設(shè)備按照輸入功率大小分為大中型燃燒裝置（≥50MW）和小型燃燒裝置（<50MW）兩種類型。對(duì)于小型燃燒裝置，歐盟各國(guó)自行制定大氣污染物排放濃度限值，對(duì)于大中型燃燒裝置，統(tǒng)一在歐洲議會(huì)和歐盟理事會(huì)發(fā)布的2010/75/EC《歐洲工業(yè)排放與污染防控指令》中做了規(guī)定。其中，使用氣體燃料的裝置NOX排放濃度見表14，歐盟對(duì)于不同種類氣體燃料、不同類型燃燒裝置的污染物排放做了更為細(xì)化的要求。
表14 使用氣體燃料的燃燒裝置NOX排放濃度限值（單位：mg/m3）
縱觀國(guó)內(nèi)外的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB13271-2014中的氮氧化物排放濃度限值要求還較低，而北京上海等地的排放限值已經(jīng)和發(fā)達(dá)國(guó)家看齊，甚至更為嚴(yán)格。
實(shí)際調(diào)研查看的鍋爐排放情況
2015年初全國(guó)燃?xì)夤I(yè)鍋爐檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，氮氧化物排放濃度≤200mg/m3的燃?xì)忮仩t僅有35%。
2016年北京環(huán)境科學(xué)院對(duì)市內(nèi)燃?xì)夤I(yè)鍋爐檢測(cè)結(jié)果中，氮氧化物的排放濃度平均值為133mg/m3，而超過150mg/m3的占比43%。
2017年和2018年是北京市燃?xì)忮仩t低氮改造的集中年份，改造之后的最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果現(xiàn)在還沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，但是預(yù)計(jì)和目前北京的地方標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定還有一定差距。從全國(guó)數(shù)據(jù)來看，氮氧化物的減排工作還任重道遠(yuǎn)。因此，尋求合理的低氮燃燒技術(shù)、控制技術(shù)成為亟待研究和解決的課題。從設(shè)計(jì)到顧問，從廠家到甲方都需要引起足夠的重視，特別是鍋爐及燃燒裝置廠家自身產(chǎn)品及燃燒技術(shù)上必須進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)目前各地的排放標(biāo)準(zhǔn)。
氮氧化物（NOx）的產(chǎn)生機(jī)理及類型
燃?xì)馊紵^程中產(chǎn)生的NOx的主要有燃料型、熱力型和快速型。
01熱力型NOx
由空氣中的N2在高溫下氧化產(chǎn)生，反應(yīng)溫度越高，NOX的生成速度越快。影響因素如下：
a)火焰溫度，當(dāng)溫度低于1300℃，產(chǎn)生的NOX很少，溫度超過1500℃時(shí)，NOX將會(huì)成倍增加。
b)氧氣濃度：氧氣濃度越高，NOX產(chǎn)生量越大。
c)燃燒時(shí)間：在高溫區(qū)停留時(shí)間越長(zhǎng)，NOX生成量越多。
02快速型NOx
燃燒過程中碳?xì)浠衔锔邷胤纸猱a(chǎn)生CH自由基和空氣中的N2分子反應(yīng)生成HCN和N，再進(jìn)一步氧化，反應(yīng)的時(shí)間只需要60ms?？焖傩蚇OX的生產(chǎn)量占比非常少，通常不足5%。
03燃料型NOx
指的是燃料中的含氮化合物在燃燒過程中產(chǎn)生的，含氮化合物中的氮通常以原子狀態(tài)存在，其結(jié)合鍵能量小，在燃燒過程中很容易分解出來氧化成NOX，由于天然氣中基本不含有固定氮，所以燃料型NOX基本可以忽略。
綜上，我們?cè)谶M(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改進(jìn)時(shí)，主要控制的是熱力型NOX，根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理，控制的方向是降低火焰溫度，尤其是降低火焰峰值溫度，縮小火焰高溫區(qū)的范圍，縮短煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間，降低氧氣的濃度等。
按照控制NOX排放的主要措施按控制的環(huán)節(jié)不同可以分為兩類：第一類是控制NOX的產(chǎn)生，通過降低燃燒高溫區(qū)的溫度，縮小高溫區(qū)的分布范圍，具體的措施有：燃料/空氣分級(jí)燃燒技術(shù)，煙氣再循環(huán)技術(shù)（內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)），全預(yù)混表面燃燒技術(shù)，水冷燃燒技術(shù)，低過量空氣系數(shù)等方法。第二類是煙氣脫硝技術(shù)，就是說對(duì)煙氣中已經(jīng)產(chǎn)生的NOX進(jìn)行處理，主要的相關(guān)技術(shù)有：貴金屬催化脫硝法，選擇性催化還原法（SCR），選擇性非催化還原法(SNCR)、堿液吸收法等。
在燃?xì)忮仩t行業(yè)目前應(yīng)用較多、有效且簡(jiǎn)單的控制氮氧化物的方式主要為燃燒控制法，即第一類。主要是通過優(yōu)化爐內(nèi)燃燒工況，合理優(yōu)化燃料與空氣混合，控制火焰分布，降低爐膛內(nèi)溫度來實(shí)現(xiàn)降低制氮氧化物。常見的有以下幾種方法：
空氣分級(jí)燃燒
將燃燒所需要的空氣分階段與燃料混合燃燒，降低燃燒強(qiáng)度和火焰溫度。二次供風(fēng)出口速度很高，卷席周圍煙氣，使得煙氣在爐內(nèi)再循環(huán)。分級(jí)配風(fēng)一方面降低了中心火焰的溫度，另外一方面稀釋了火焰表面的氧濃度，從而抑制了NOX的生成。
圖1 分級(jí)配風(fēng)示意圖
燃料分級(jí)燃燒
燃料分級(jí)燃燒是指將燃?xì)鈴牟煌膮^(qū)域送入爐膛，使得燃料分階段、分區(qū)域進(jìn)行燃燒。充分利用燃燒室的空間，將燃料分散布置，降低火焰集中度，降低高溫區(qū)的溫度。
分級(jí)燃燒
一般低氮燃燒器將空氣分級(jí)和燃料分級(jí)相結(jié)合，統(tǒng)稱分級(jí)燃燒技術(shù)。分級(jí)燃燒技術(shù)原理實(shí)質(zhì)是通過貧氧和過氧相結(jié)合，使火焰分散，降低火焰溫度，促使?fàn)t內(nèi)煙氣局部循環(huán)，形成還原氣氛，部分還原已經(jīng)產(chǎn)生的NO為N2，從而在總量上控制NOx的排放濃度。
分級(jí)燃燒技術(shù)雖然可以一定程度降低氮氧化物的產(chǎn)生，但是很多燃燒器在實(shí)際使用中沒有完全實(shí)現(xiàn)助燃空氣和燃?xì)獾某浞只旌?，爐膛內(nèi)存在局部高溫區(qū)，其溫度高于產(chǎn)生熱力型NOx的溫度，造成NOx濃度超標(biāo)。另一方面，有可能出現(xiàn)燃料和空氣的混合流動(dòng)不佳，造成一氧化碳超標(biāo)，局部積碳等不完全燃燒的現(xiàn)象。為了降低反應(yīng)溫度，需要盡可能使火焰分散，擴(kuò)大火焰形狀，也就是說需要結(jié)合爐膛配合使用，而大多是情況是爐膛體積有限，為了避免火焰相對(duì)爐膛過大，通常會(huì)降低燃燒器的輸出功率，這樣可以降低NOx濃度及保證充分燃燒，但是缺點(diǎn)是鍋爐的功率下降了，而且有煙氣冷凝的風(fēng)險(xiǎn)。
據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，分級(jí)燃燒一般可將NOx排放濃度控制在60~80 mg/m3，可滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是對(duì)于目前的很多地方標(biāo)準(zhǔn)，這種技術(shù)已經(jīng)不能滿足。
實(shí)際工程應(yīng)用中，分級(jí)燃燒會(huì)和煙氣再循環(huán)技術(shù)(FGR)結(jié)合起來應(yīng)用，以滿足30mg/m3的排放要求。
煙氣再循環(huán)技術(shù)（FGR）
煙氣再循環(huán)技術(shù)指的是將燃燒后的部分煙氣（主要為水蒸氣、二氧化碳和氮?dú)猓┮龇祷刂寥紵鳎c新鮮的空氣混合參與燃燒。再循環(huán)煙氣的溫度與爐膛內(nèi)的火焰溫度比要低得多，能夠顯著降低爐膛內(nèi)的溫度，減少爐膛容積熱強(qiáng)度。同時(shí)，由于引入的煙氣含氧量極低，在爐膛內(nèi)可以有效降低爐膛內(nèi)的氧氣濃度，有效抑制了NOx的形成。
圖2 煙氣外循環(huán)低氮燃燒系統(tǒng)
煙氣再循環(huán)技術(shù)屬于低氮改造的主要技術(shù)之一，但是在實(shí)際應(yīng)用中有以下問題：
01煙氣再循環(huán)率的控制
煙氣再循環(huán)率指的是再循環(huán)煙氣量與全部排煙量之比。一定范圍內(nèi)，煙氣再循環(huán)率增加有利于降低NOx濃度，但是當(dāng)煙氣再循環(huán)率增加到一定量時(shí)，NOx濃度下降速度變小。但是同時(shí)，煙氣循環(huán)率的增加使得燃燒不穩(wěn)定，不完全燃燒率增加，鍋爐出力及效率降低。所以，合理控制煙氣再循環(huán)率非常重要，然而，其控制要求較為復(fù)雜，不僅需要考慮NOx濃度，同時(shí)要考慮燃燒器的功率調(diào)節(jié)以及煙氣溫度等條件。
02燃燒器產(chǎn)生冷凝水
冬季，空氣溫度較低，回流煙氣中含有大量的水蒸氣，此時(shí)，兩者混合時(shí)，極易產(chǎn)生冷凝水，導(dǎo)致燃燒器和鼓風(fēng)機(jī)腐蝕損壞。所以FGR系統(tǒng)需要兼顧空氣溫度，煙氣循環(huán)率、煙氣溫度等因素，必須保證混合后的氣體溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度。通常會(huì)通過加熱助燃空氣的方式來解決以上問題，但是如何加熱？加熱到多少溫度這些都是需要慎重考慮的問題，由此帶來控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度變高。
03爐膛匹配性問題
一般應(yīng)用FRG改造技術(shù)的鍋爐需要較大的爐體結(jié)構(gòu)，而很多改造的鍋爐爐體并不滿足此條件。
水冷燃燒技術(shù)
燃燒器的火焰被冷卻水管包圍，通過冷卻水管的冷卻水帶走熱量，降低火焰溫度，從而破壞氮氧化物生成條件。通常搭配預(yù)混燃燒技術(shù)一起使用，預(yù)混燃燒可有效縮小火焰長(zhǎng)度，較短的火焰可充分被冷卻水管進(jìn)行降溫。
本技術(shù)可有效降低NOx排放濃度，但是適用性不廣。由于采用水冷卻，所以對(duì)于大多數(shù)改造項(xiàng)目，由于爐體結(jié)構(gòu)無法改造，所以本技術(shù)無法應(yīng)用。水冷燃燒基本只能適用于置換案例或全新設(shè)計(jì)爐體的工程案例。另外，這種爐體一般搭配專用燃燒器，而不是通用燃燒器，一旦燃燒器出現(xiàn)故障，用戶可選擇的燃燒器就非常局限。
全預(yù)混金屬絲網(wǎng)表面燃燒
全預(yù)混燃燒技術(shù)配合金屬纖維是目前小型燃?xì)忮仩t的主流低氮燃燒技術(shù)。
全預(yù)混燃燒指的是在燃燒之前將燃料和所需全部助燃空氣進(jìn)行精確比例預(yù)混，在燃燒全過程中，可實(shí)時(shí)進(jìn)行空燃比的恒定。也就是說，氧濃度基本可以維持恒定，不太會(huì)出現(xiàn)氧濃度過高的區(qū)域。
由鐵-鉻-鋁及稀有金屬材料制成的多孔金屬纖維網(wǎng)為燃燒表面，其氣孔分布均勻，燃燒強(qiáng)度大，燃?xì)夂涂諝饩_混合后，在其表面產(chǎn)生短簇型火焰，燃燒面積大，燃燒均勻，沒有局部高溫區(qū)，有效抑制NOx的生成。
全預(yù)混燃燒+多孔金屬纖維網(wǎng)的配合使用，由于多孔金屬纖維網(wǎng)的孔隙很小，燃燒時(shí)不存在宏觀尺寸上的火焰（所以又稱無焰燃燒），理論上講，基本不會(huì)產(chǎn)生回火。
與傳統(tǒng)擴(kuò)散式燃燒相比，全預(yù)混表面燃燒的火焰徑向均勻分布，且燃燒表面積大，溫度分布均勻，峰值溫度低，火焰發(fā)生速度快，反應(yīng)停留時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，NOx排放濃度可達(dá)到30 mg/m3以下。在排放標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)的美國(guó)加州地區(qū)，該技術(shù)也是低氮燃燒的主流應(yīng)用技術(shù)。
圖3 全預(yù)混金屬絲網(wǎng)表面燃燒
全預(yù)混金屬絲網(wǎng)表面燃燒的主要弊端是燃燒器絲網(wǎng)容易堵塞，這是由于國(guó)內(nèi)空氣及天然氣質(zhì)量較差導(dǎo)致。
但是對(duì)于全預(yù)混燃燒技術(shù)“不安全”的看法是一種誤解，從上面的解釋我們可以看出，全預(yù)混燃燒搭配多孔金屬纖維引起回火的可能性微乎其微。國(guó)內(nèi)低氮改造的熱潮，催生了很多國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家，簡(jiǎn)易組裝直接上馬了許多全預(yù)混燃燒器及鍋爐，由于質(zhì)量及技術(shù)不過關(guān)，導(dǎo)致了一些質(zhì)量和安全事故。但是隨著目前技術(shù)的改進(jìn)和更多安全保障措施的加入，這種安全事故的可能性，已經(jīng)幾乎為零。
天然氣作為一種清潔能源，相比于煤，燃燒產(chǎn)物幾乎不含粉塵及SO2，其主要的污染物為氮氧化物（NOX），NOX除了危害人體健康外，在大氣中通過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過日照，與碳?xì)浠衔?、臭氧等生成光化學(xué)煙霧。不僅如此，NOX同時(shí)也是形成酸雨的重要成因，更是產(chǎn)生大氣超細(xì)顆粒物（PM2.5）的重要元兇。
隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，政府大力推廣天然氣等清潔能源的使用。與此同時(shí)，對(duì)于大氣污染排放也越來越重視，其中對(duì)于氮氧化物允許排放濃度的標(biāo)準(zhǔn)更是日趨嚴(yán)格，嚴(yán)格的鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也促進(jìn)廠家對(duì)于低氮燃燒技術(shù)的研發(fā)改進(jìn)工作。本文主要介紹國(guó)內(nèi)外燃?xì)忮仩t氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)以及常見的低氮燃燒技術(shù)。
國(guó)內(nèi)外氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)
我國(guó)鍋爐氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)
我國(guó)的鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)基本經(jīng)歷了控制煙塵、控制SO2，控制NOX三個(gè)階段。目前國(guó)家層面的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，GB13271-2014為該標(biāo)準(zhǔn)的第三次修訂稿。第一次修訂版本是1992年發(fā)布的GB13271-91《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，1992年的修訂版分年限規(guī)定了燃煤鍋爐最高允許的排放煙塵濃度、SO2排放濃度及煙氣黑度。1999年和2001年進(jìn)行了第二次修訂，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)分別為GWPB3-1999和GB13271-2001。第二次修訂稿重新規(guī)定了鍋爐（包括燃?xì)忮仩t）的煙塵、煙氣黑度、SO2排放要求，并首次對(duì)氮氧化物的最高允許濃度進(jìn)行要求?，F(xiàn)行的2014年修訂稿中對(duì)于氮氧化物排放濃度的規(guī)定如表1~3：
表1 在用鍋爐大氣污染物排放濃度限值（GB13271-2014）
表2 新建鍋爐大氣污染物排放濃度限值（GB13271-2014）
注：自2014年7月1日起新建鍋爐執(zhí)行表2的排放限值。
表3 重點(diǎn)地區(qū)鍋爐大氣污染物特別排放限值（GB13271-2014）
從2015年開始，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，各地開始逐步制定更為嚴(yán)格的地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。比如北京地區(qū)，出臺(tái)了DB11/139-2015《北京市鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求自2017年4月1日起，在用及新建鍋爐氮氧化物排放濃度限值分別為80mg/m3及30 mg/m3。DB11/139-2015中對(duì)于氮氧化物的具體要求參見表4和表5：
表4 在用鍋爐大氣污染物排放濃度限值（DB11/139-2015）
表5 新建鍋爐大氣污染物排放濃度限值（DB11/139-2015）
20多年來，北京市燃?xì)忮仩t大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展歷程見表6，最新的標(biāo)準(zhǔn)堪稱世界上最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)之一，北京的標(biāo)準(zhǔn)是否還會(huì)越來越嚴(yán)格？我們拭目以待。
表6 北京市新建燃?xì)忮仩t大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)變化歷程
天津市2016年7月發(fā)布新標(biāo)準(zhǔn)DB12/151-2016《天津市鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，重新限定了燃?xì)忮仩t氮氧化物排放限值，新建燃油、燃?xì)忮仩t氮氧化物排放控制水平要求達(dá)到80mg/m3，具體氮氧化物的排放濃度要求見表7~8：
表7 天津市在用鍋爐氮氧化物排放濃度限值（DB12/151-2016）
表8 天津市新建鍋爐氮氧化物排放濃度限值（DB12/151-2016）
上海從2017年開始調(diào)研及收集征求意見，2018年新標(biāo)準(zhǔn)DB31/387—2018《上海市鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布稿正式公布并于6月7日起正式實(shí)施。上海的地標(biāo)規(guī)定自標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之日（2018年6月7日）起對(duì)新建的鍋爐（65t/h以下）氮氧化物排放濃度限值為50mg/m3，客觀地說，上海地方標(biāo)準(zhǔn)吸取了北京的經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)比較務(wù)實(shí)。對(duì)大噸位的鍋爐更有相關(guān)明確規(guī)定，額定熱功率大于等于14MW或額定蒸發(fā)量大于等于20t/h的鍋爐應(yīng)按《污染源自動(dòng)監(jiān)控管理辦法》的規(guī)定安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)，并保證設(shè)備正常運(yùn)行。從這里看出來在線煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和顯示將來會(huì)是趨勢(shì)，就如同能耗計(jì)量上傳一樣。上海市的具體的排放要求見表9~11：
表9 上海市在用鍋爐大氣污染物排放限值（第一階段2018/6/7~2020/9/30）
表10 上海市在用鍋爐大氣污染物排放限值（第二階段2020/10/1起）
表11 上海市新建鍋爐大氣污染物排放限值（2018/6/7起）
以上城市的地方標(biāo)準(zhǔn)的頒布勢(shì)必會(huì)引領(lǐng)其他省份紛紛效仿，實(shí)際上很多省份已經(jīng)發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或進(jìn)行意見稿的收集征求工作。 顯然，嚴(yán)控NOx已經(jīng)成為各地方標(biāo)準(zhǔn)的既定事實(shí)。
美國(guó)鍋爐氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)
美國(guó)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)體系和我國(guó)類似，有聯(lián)邦和地方標(biāo)準(zhǔn)，地方標(biāo)準(zhǔn)由各個(gè)州政府制定。一般來講，各個(gè)地方政府的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。
美國(guó)聯(lián)邦政府只對(duì)29MW以上的鍋爐規(guī)定了煙塵、SO2及NOX的排放濃度限值，相關(guān)聯(lián)邦法律為40 CFR Part63( National Emission Standards for HazardousAir Pollutants for Major Sources: Industrial, Commercial, and InstitutionalBoilers and Process Heaters)。表12是美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)于29MW以上鍋爐NOX排放濃度限值：
表12 美國(guó)聯(lián)邦政府29MW以上鍋爐NOX排放濃度限值
美國(guó)各地氮氧化物排放濃度要求差異很大，而在美國(guó)各地氮氧化物排放濃度的標(biāo)準(zhǔn)中，以加州的標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)格。美國(guó)加州空氣資源委員會(huì)（ARB）將本地劃分了35個(gè)空氣污染控制區(qū)（APCD’S）和空氣質(zhì)量管理區(qū)（AQMD’S），每個(gè)控制區(qū)和管理區(qū)均有各自的排放指標(biāo)和控制計(jì)劃。任何涉及到排放大氣污染物的經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所，必須獲得當(dāng)?shù)氐脑S可證。表13為南加州空氣質(zhì)量管理區(qū)的燃?xì)忮仩t氮氧化物排放濃度限值：
表13 南加州空氣質(zhì)量管理區(qū)燃?xì)忮仩tNOX排放濃度限值
歐盟將燃燒設(shè)備按照輸入功率大小分為大中型燃燒裝置（≥50MW）和小型燃燒裝置（<50MW）兩種類型。對(duì)于小型燃燒裝置，歐盟各國(guó)自行制定大氣污染物排放濃度限值，對(duì)于大中型燃燒裝置，統(tǒng)一在歐洲議會(huì)和歐盟理事會(huì)發(fā)布的2010/75/EC《歐洲工業(yè)排放與污染防控指令》中做了規(guī)定。其中，使用氣體燃料的裝置NOX排放濃度見表14，歐盟對(duì)于不同種類氣體燃料、不同類型燃燒裝置的污染物排放做了更為細(xì)化的要求。
表14 使用氣體燃料的燃燒裝置NOX排放濃度限值（單位：mg/m3）
縱觀國(guó)內(nèi)外的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB13271-2014中的氮氧化物排放濃度限值要求還較低，而北京上海等地的排放限值已經(jīng)和發(fā)達(dá)國(guó)家看齊，甚至更為嚴(yán)格。
實(shí)際調(diào)研查看的鍋爐排放情況
2015年初全國(guó)燃?xì)夤I(yè)鍋爐檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，氮氧化物排放濃度≤200mg/m3的燃?xì)忮仩t僅有35%。
2016年北京環(huán)境科學(xué)院對(duì)市內(nèi)燃?xì)夤I(yè)鍋爐檢測(cè)結(jié)果中，氮氧化物的排放濃度平均值為133mg/m3，而超過150mg/m3的占比43%。
2017年和2018年是北京市燃?xì)忮仩t低氮改造的集中年份，改造之后的最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果現(xiàn)在還沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，但是預(yù)計(jì)和目前北京的地方標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定還有一定差距。從全國(guó)數(shù)據(jù)來看，氮氧化物的減排工作還任重道遠(yuǎn)。因此，尋求合理的低氮燃燒技術(shù)、控制技術(shù)成為亟待研究和解決的課題。從設(shè)計(jì)到顧問，從廠家到甲方都需要引起足夠的重視，特別是鍋爐及燃燒裝置廠家自身產(chǎn)品及燃燒技術(shù)上必須進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)目前各地的排放標(biāo)準(zhǔn)。
氮氧化物（NOx）的產(chǎn)生機(jī)理及類型
燃?xì)馊紵^程中產(chǎn)生的NOx的主要有燃料型、熱力型和快速型。
01熱力型NOx
由空氣中的N2在高溫下氧化產(chǎn)生，反應(yīng)溫度越高，NOX的生成速度越快。影響因素如下：
a)火焰溫度，當(dāng)溫度低于1300℃，產(chǎn)生的NOX很少，溫度超過1500℃時(shí)，NOX將會(huì)成倍增加。
b)氧氣濃度：氧氣濃度越高，NOX產(chǎn)生量越大。
c)燃燒時(shí)間：在高溫區(qū)停留時(shí)間越長(zhǎng)，NOX生成量越多。
02快速型NOx
燃燒過程中碳?xì)浠衔锔邷胤纸猱a(chǎn)生CH自由基和空氣中的N2分子反應(yīng)生成HCN和N，再進(jìn)一步氧化，反應(yīng)的時(shí)間只需要60ms?？焖傩蚇OX的生產(chǎn)量占比非常少，通常不足5%。
03燃料型NOx
指的是燃料中的含氮化合物在燃燒過程中產(chǎn)生的，含氮化合物中的氮通常以原子狀態(tài)存在，其結(jié)合鍵能量小，在燃燒過程中很容易分解出來氧化成NOX，由于天然氣中基本不含有固定氮，所以燃料型NOX基本可以忽略。
綜上，我們?cè)谶M(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改進(jìn)時(shí)，主要控制的是熱力型NOX，根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理，控制的方向是降低火焰溫度，尤其是降低火焰峰值溫度，縮小火焰高溫區(qū)的范圍，縮短煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間，降低氧氣的濃度等。
按照控制NOX排放的主要措施按控制的環(huán)節(jié)不同可以分為兩類：第一類是控制NOX的產(chǎn)生，通過降低燃燒高溫區(qū)的溫度，縮小高溫區(qū)的分布范圍，具體的措施有：燃料/空氣分級(jí)燃燒技術(shù)，煙氣再循環(huán)技術(shù)（內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)），全預(yù)混表面燃燒技術(shù)，水冷燃燒技術(shù)，低過量空氣系數(shù)等方法。第二類是煙氣脫硝技術(shù)，就是說對(duì)煙氣中已經(jīng)產(chǎn)生的NOX進(jìn)行處理，主要的相關(guān)技術(shù)有：貴金屬催化脫硝法，選擇性催化還原法（SCR），選擇性非催化還原法(SNCR)、堿液吸收法等。
在燃?xì)忮仩t行業(yè)目前應(yīng)用較多、有效且簡(jiǎn)單的控制氮氧化物的方式主要為燃燒控制法，即第一類。主要是通過優(yōu)化爐內(nèi)燃燒工況，合理優(yōu)化燃料與空氣混合，控制火焰分布，降低爐膛內(nèi)溫度來實(shí)現(xiàn)降低制氮氧化物。常見的有以下幾種方法：
空氣分級(jí)燃燒
將燃燒所需要的空氣分階段與燃料混合燃燒，降低燃燒強(qiáng)度和火焰溫度。二次供風(fēng)出口速度很高，卷席周圍煙氣，使得煙氣在爐內(nèi)再循環(huán)。分級(jí)配風(fēng)一方面降低了中心火焰的溫度，另外一方面稀釋了火焰表面的氧濃度，從而抑制了NOX的生成。
圖1 分級(jí)配風(fēng)示意圖
燃料分級(jí)燃燒
燃料分級(jí)燃燒是指將燃?xì)鈴牟煌膮^(qū)域送入爐膛，使得燃料分階段、分區(qū)域進(jìn)行燃燒。充分利用燃燒室的空間，將燃料分散布置，降低火焰集中度，降低高溫區(qū)的溫度。
分級(jí)燃燒
一般低氮燃燒器將空氣分級(jí)和燃料分級(jí)相結(jié)合，統(tǒng)稱分級(jí)燃燒技術(shù)。分級(jí)燃燒技術(shù)原理實(shí)質(zhì)是通過貧氧和過氧相結(jié)合，使火焰分散，降低火焰溫度，促使?fàn)t內(nèi)煙氣局部循環(huán)，形成還原氣氛，部分還原已經(jīng)產(chǎn)生的NO為N2，從而在總量上控制NOx的排放濃度。
分級(jí)燃燒技術(shù)雖然可以一定程度降低氮氧化物的產(chǎn)生，但是很多燃燒器在實(shí)際使用中沒有完全實(shí)現(xiàn)助燃空氣和燃?xì)獾某浞只旌?，爐膛內(nèi)存在局部高溫區(qū)，其溫度高于產(chǎn)生熱力型NOx的溫度，造成NOx濃度超標(biāo)。另一方面，有可能出現(xiàn)燃料和空氣的混合流動(dòng)不佳，造成一氧化碳超標(biāo)，局部積碳等不完全燃燒的現(xiàn)象。為了降低反應(yīng)溫度，需要盡可能使火焰分散，擴(kuò)大火焰形狀，也就是說需要結(jié)合爐膛配合使用，而大多是情況是爐膛體積有限，為了避免火焰相對(duì)爐膛過大，通常會(huì)降低燃燒器的輸出功率，這樣可以降低NOx濃度及保證充分燃燒，但是缺點(diǎn)是鍋爐的功率下降了，而且有煙氣冷凝的風(fēng)險(xiǎn)。
據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，分級(jí)燃燒一般可將NOx排放濃度控制在60~80 mg/m3，可滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是對(duì)于目前的很多地方標(biāo)準(zhǔn)，這種技術(shù)已經(jīng)不能滿足。
實(shí)際工程應(yīng)用中，分級(jí)燃燒會(huì)和煙氣再循環(huán)技術(shù)(FGR)結(jié)合起來應(yīng)用，以滿足30mg/m3的排放要求。
煙氣再循環(huán)技術(shù)（FGR）
煙氣再循環(huán)技術(shù)指的是將燃燒后的部分煙氣（主要為水蒸氣、二氧化碳和氮?dú)猓┮龇祷刂寥紵鳎c新鮮的空氣混合參與燃燒。再循環(huán)煙氣的溫度與爐膛內(nèi)的火焰溫度比要低得多，能夠顯著降低爐膛內(nèi)的溫度，減少爐膛容積熱強(qiáng)度。同時(shí)，由于引入的煙氣含氧量極低，在爐膛內(nèi)可以有效降低爐膛內(nèi)的氧氣濃度，有效抑制了NOx的形成。
圖2 煙氣外循環(huán)低氮燃燒系統(tǒng)
煙氣再循環(huán)技術(shù)屬于低氮改造的主要技術(shù)之一，但是在實(shí)際應(yīng)用中有以下問題：
01煙氣再循環(huán)率的控制
煙氣再循環(huán)率指的是再循環(huán)煙氣量與全部排煙量之比。一定范圍內(nèi)，煙氣再循環(huán)率增加有利于降低NOx濃度，但是當(dāng)煙氣再循環(huán)率增加到一定量時(shí)，NOx濃度下降速度變小。但是同時(shí)，煙氣循環(huán)率的增加使得燃燒不穩(wěn)定，不完全燃燒率增加，鍋爐出力及效率降低。所以，合理控制煙氣再循環(huán)率非常重要，然而，其控制要求較為復(fù)雜，不僅需要考慮NOx濃度，同時(shí)要考慮燃燒器的功率調(diào)節(jié)以及煙氣溫度等條件。
02燃燒器產(chǎn)生冷凝水
冬季，空氣溫度較低，回流煙氣中含有大量的水蒸氣，此時(shí)，兩者混合時(shí)，極易產(chǎn)生冷凝水，導(dǎo)致燃燒器和鼓風(fēng)機(jī)腐蝕損壞。所以FGR系統(tǒng)需要兼顧空氣溫度，煙氣循環(huán)率、煙氣溫度等因素，必須保證混合后的氣體溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度。通常會(huì)通過加熱助燃空氣的方式來解決以上問題，但是如何加熱？加熱到多少溫度這些都是需要慎重考慮的問題，由此帶來控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度變高。
03爐膛匹配性問題
一般應(yīng)用FRG改造技術(shù)的鍋爐需要較大的爐體結(jié)構(gòu)，而很多改造的鍋爐爐體并不滿足此條件。
水冷燃燒技術(shù)
燃燒器的火焰被冷卻水管包圍，通過冷卻水管的冷卻水帶走熱量，降低火焰溫度，從而破壞氮氧化物生成條件。通常搭配預(yù)混燃燒技術(shù)一起使用，預(yù)混燃燒可有效縮小火焰長(zhǎng)度，較短的火焰可充分被冷卻水管進(jìn)行降溫。
本技術(shù)可有效降低NOx排放濃度，但是適用性不廣。由于采用水冷卻，所以對(duì)于大多數(shù)改造項(xiàng)目，由于爐體結(jié)構(gòu)無法改造，所以本技術(shù)無法應(yīng)用。水冷燃燒基本只能適用于置換案例或全新設(shè)計(jì)爐體的工程案例。另外，這種爐體一般搭配專用燃燒器，而不是通用燃燒器，一旦燃燒器出現(xiàn)故障，用戶可選擇的燃燒器就非常局限。
全預(yù)混金屬絲網(wǎng)表面燃燒
全預(yù)混燃燒技術(shù)配合金屬纖維是目前小型燃?xì)忮仩t的主流低氮燃燒技術(shù)。
全預(yù)混燃燒指的是在燃燒之前將燃料和所需全部助燃空氣進(jìn)行精確比例預(yù)混，在燃燒全過程中，可實(shí)時(shí)進(jìn)行空燃比的恒定。也就是說，氧濃度基本可以維持恒定，不太會(huì)出現(xiàn)氧濃度過高的區(qū)域。
由鐵-鉻-鋁及稀有金屬材料制成的多孔金屬纖維網(wǎng)為燃燒表面，其氣孔分布均勻，燃燒強(qiáng)度大，燃?xì)夂涂諝饩_混合后，在其表面產(chǎn)生短簇型火焰，燃燒面積大，燃燒均勻，沒有局部高溫區(qū)，有效抑制NOx的生成。
全預(yù)混燃燒+多孔金屬纖維網(wǎng)的配合使用，由于多孔金屬纖維網(wǎng)的孔隙很小，燃燒時(shí)不存在宏觀尺寸上的火焰（所以又稱無焰燃燒），理論上講，基本不會(huì)產(chǎn)生回火。
與傳統(tǒng)擴(kuò)散式燃燒相比，全預(yù)混表面燃燒的火焰徑向均勻分布，且燃燒表面積大，溫度分布均勻，峰值溫度低，火焰發(fā)生速度快，反應(yīng)停留時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，NOx排放濃度可達(dá)到30 mg/m3以下。在排放標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)的美國(guó)加州地區(qū)，該技術(shù)也是低氮燃燒的主流應(yīng)用技術(shù)。
圖3 全預(yù)混金屬絲網(wǎng)表面燃燒
全預(yù)混金屬絲網(wǎng)表面燃燒的主要弊端是燃燒器絲網(wǎng)容易堵塞，這是由于國(guó)內(nèi)空氣及天然氣質(zhì)量較差導(dǎo)致。
但是對(duì)于全預(yù)混燃燒技術(shù)“不安全”的看法是一種誤解，從上面的解釋我們可以看出，全預(yù)混燃燒搭配多孔金屬纖維引起回火的可能性微乎其微。國(guó)內(nèi)低氮改造的熱潮，催生了很多國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家，簡(jiǎn)易組裝直接上馬了許多全預(yù)混燃燒器及鍋爐，由于質(zhì)量及技術(shù)不過關(guān)，導(dǎo)致了一些質(zhì)量和安全事故。但是隨著目前技術(shù)的改進(jìn)和更多安全保障措施的加入，這種安全事故的可能性，已經(jīng)幾乎為零。
目前BDR在中國(guó)市場(chǎng)上投放的所有商用全預(yù)混燃?xì)忮仩t，都標(biāo)配了空氣過濾器等安全保護(hù)裝置，并且鍋爐中都有進(jìn)風(fēng)、排煙壓差保護(hù)及防回火等多重保障措施。
總體來講，每種低氮燃燒技術(shù)都有其適用條件和不同的效果。對(duì)于具體的項(xiàng)目，需要根據(jù)爐體的結(jié)構(gòu)、尺寸、功率等條件來考慮采用哪種措施。例如，如果爐膛直徑及燃燒器喉口較大，可采用燃料分級(jí)和煙氣內(nèi)循環(huán)。如果爐膛細(xì)長(zhǎng)，則不宜采用燃料分級(jí)，可采用空氣分級(jí)。煙氣外循環(huán)具有普適性，但是控制要求高，更適合大中型的鍋爐使用。全預(yù)混表面燃燒技術(shù)，各方面優(yōu)勢(shì)都很突出，但是目前適用于小型燃?xì)忮仩t。另外，多種技術(shù)的耦合利用也是一種低氮燃燒改造的趨勢(shì)。
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