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            關于燃氣鍋爐低氮燃燒相關知識的介紹
            發布時間:2020-09-28 14:36:00  作者:

            天然氣作為一種清潔能源,相比于煤,燃燒產物幾乎不含粉塵及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反應,經過日照,與碳氫化合物、臭氧等生成光化學煙霧。不僅如此,NOX同時也是形成酸雨的重要成因,更是產生大氣超細顆粒物(PM2.5)的重要元兇。
            隨著國家能源結構轉型和產業升級,政府大力推廣天然氣等清潔能源的使用。與此同時,對于大氣污染排放也越來越重視,其中對于氮氧化物允許排放濃度的標準更是日趨嚴格,嚴格的鍋爐大氣污染物排放標準也促進廠家對于低氮燃燒技術的研發改進工作。本文主要介紹國內外燃氣鍋爐氮氧化物的排放標準以及常見的低氮燃燒技術。

            國內外氮氧化物的排放標準

            我國鍋爐氮氧化物的排放標準
            我國的鍋爐大氣污染物排放標準基本經歷了控制煙塵、控制SO2,控制NOX三個階段。目前國家層面的現行標準為GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》,GB13271-2014為該標準的第三次修訂稿。第一次修訂版本是1992年發布的GB13271-91《鍋爐大氣污染物排放標準》,1992年的修訂版分年限規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年進行了第二次修訂,標準號分別為GWPB3-1999和GB13271-2001。第二次修訂稿重新規定了鍋爐(包括燃氣鍋爐)的煙塵、煙氣黑度、SO2排放要求,并首次對氮氧化物的最高允許濃度進行要求?,F行的2014年修訂稿中對于氮氧化物排放濃度的規定如表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日起新建鍋爐執行表2的排放限值。

            表3 重點地區鍋爐大氣污染物特別排放限值(GB13271-2014)

             
            從2015年開始,在國家標準基礎上,各地開始逐步制定更為嚴格的地方大氣污染物排放標準。比如北京地區,出臺了DB11/139-2015《北京市鍋爐大氣污染物排放標準》,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,北京市燃氣鍋爐大氣污染物排放標準及發展歷程見表6,最新的標準堪稱世界上最嚴格的標準之一,北京的標準是否還會越來越嚴格?我們拭目以待。
            表6 北京市新建燃氣鍋爐大氣污染物排放標準變化歷程


            天津市2016年7月發布新標準DB12/151-2016《天津市鍋爐大氣污染物排放標準》,重新限定了燃氣鍋爐氮氧化物排放限值,新建燃油、燃氣鍋爐氮氧化物排放控制水平要求達到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年開始調研及收集征求意見,2018年新標準DB31/387—2018《上海市鍋爐大氣污染物排放標準》發布稿正式公布并于6月7日起正式實施。上海的地標規定自標準實施之日(2018年6月7日)起對新建的鍋爐(65t/h以下)氮氧化物排放濃度限值為50mg/m3,客觀地說,上海地方標準吸取了北京的經驗,相對比較務實。對大噸位的鍋爐更有相關明確規定,額定熱功率大于等于14MW或額定蒸發量大于等于20t/h的鍋爐應按《污染源自動監控管理辦法》的規定安裝煙氣排放連續監測系統,與環保部門聯網,并保證設備正常運行。從這里看出來在線煙氣連續監測系統和顯示將來會是趨勢,就如同能耗計量上傳一樣。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)


            以上城市的地方標準的頒布勢必會引領其他省份紛紛效仿,實際上很多省份已經發布相關標準或進行意見稿的收集征求工作。 顯然,嚴控NOx已經成為各地方標準的既定事實。

            美國鍋爐氮氧化物的排放標準
            美國鍋爐大氣污染物排放標準體系和我國類似,有聯邦和地方標準,地方標準由各個州政府制定。一般來講,各個地方政府的標準更加嚴格。
            美國聯邦政府只對29MW以上的鍋爐規定了煙塵、SO2及NOX的排放濃度限值,相關聯邦法律為40 CFR Part63( National Emission Standards for HazardousAir Pollutants for Major Sources: Industrial, Commercial, and InstitutionalBoilers and Process Heaters)。表12是美國聯邦政府對于29MW以上鍋爐NOX排放濃度限值:
             
            表12 美國聯邦政府29MW以上鍋爐NOX排放濃度限值


            美國各地氮氧化物排放濃度要求差異很大,而在美國各地氮氧化物排放濃度的標準中,以加州的標準最為嚴格。美國加州空氣資源委員會(ARB)將本地劃分了35個空氣污染控制區(APCD’S)和空氣質量管理區(AQMD’S),每個控制區和管理區均有各自的排放指標和控制計劃。任何涉及到排放大氣污染物的經營場所,必須獲得當地的許可證。表13為南加州空氣質量管理區的燃氣鍋爐氮氧化物排放濃度限值:
            表13 南加州空氣質量管理區燃氣鍋爐NOX排放濃度限值


            歐盟將燃燒設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。對于小型燃燒裝置,歐盟各國自行制定大氣污染物排放濃度限值,對于大中型燃燒裝置,統一在歐洲議會和歐盟理事會發布的2010/75/EC《歐洲工業排放與污染防控指令》中做了規定。其中,使用氣體燃料的裝置NOX排放濃度見表14,歐盟對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)


            縱觀國內外的氮氧化物排放標準,我國國家標準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和發達國家看齊,甚至更為嚴格。

            實際調研查看的鍋爐排放情況
            2015年初全國燃氣工業鍋爐檢測統計結果顯示,氮氧化物排放濃度≤200mg/m3的燃氣鍋爐僅有35%。
            2016年北京環境科學院對市內燃氣工業鍋爐檢測結果中,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年是北京市燃氣鍋爐低氮改造的集中年份,改造之后的最終統計結果現在還沒有相關數據,但是預計和目前北京的地方標準的規定還有一定差距。從全國數據來看,氮氧化物的減排工作還任重道遠。因此,尋求合理的低氮燃燒技術、控制技術成為亟待研究和解決的課題。從設計到顧問,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品及燃燒技術上必須進行改進以適應目前各地的排放標準。
             
            氮氧化物(NOx)的產生機理及類型

            燃氣燃燒過程中產生的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在高溫下氧化產生,反應溫度越高,NOX的生成速度越快。影響因素如下:
            a)火焰溫度,當溫度低于1300℃,產生的NOX很少,溫度超過1500℃時,NOX將會成倍增加。
            b)氧氣濃度:氧氣濃度越高,NOX產生量越大。
            c)燃燒時間:在高溫區停留時間越長,NOX生成量越多。
            02快速型NOx
            燃燒過程中碳氫化合物高溫分解產生CH自由基和空氣中的N2分子反應生成HCN和N,再進一步氧化,反應的時間只需要60ms??焖傩蚇OX的生產量占比非常少,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生的,含氮化合物中的氮通常以原子狀態存在,其結合鍵能量小,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,我們在進行低氮燃燒技術改進時,主要控制的是熱力型NOX,根據其產生機理,控制的方向是降低火焰溫度,尤其是降低火焰峰值溫度,縮小火焰高溫區的范圍,縮短煙氣在高溫區停留時間,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節不同可以分為兩類:第一類是控制NOX的產生,通過降低燃燒高溫區的溫度,縮小高溫區的分布范圍,具體的措施有:燃料/空氣分級燃燒技術,煙氣再循環技術(內循環、外循環),全預混表面燃燒技術,水冷燃燒技術,低過量空氣系數等方法。第二類是煙氣脫硝技術,就是說對煙氣中已經產生的NOX進行處理,主要的相關技術有: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。
            在燃氣鍋爐行業目前應用較多、有效且簡單的控制氮氧化物的方式主要為燃燒控制法,即第一類。主要是通過優化爐內燃燒工況,合理優化燃料與空氣混合,控制火焰分布,降低爐膛內溫度來實現降低制氮氧化物。常見的有以下幾種方法:
            空氣分級燃燒
            將燃燒所需要的空氣分階段與燃料混合燃燒,降低燃燒強度和火焰溫度。二次供風出口速度很高,卷席周圍煙氣,使得煙氣在爐內再循環。分級配風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 分級配風示意圖

            燃料分級燃燒
            燃料分級燃燒是指將燃氣從不同的區域送入爐膛,使得燃料分階段、分區域進行燃燒。充分利用燃燒室的空間,將燃料分散布置,降低火焰集中度,降低高溫區的溫度。
            分級燃燒
            一般低氮燃燒器將空氣分級和燃料分級相結合,統稱分級燃燒技術。分級燃燒技術原理實質是通過貧氧和過氧相結合,使火焰分散,降低火焰溫度,促使爐內煙氣局部循環,形成還原氣氛,部分還原已經產生的NO為N2,從而在總量上控制NOx的排放濃度。
            分級燃燒技術雖然可以一定程度降低氮氧化物的產生,但是很多燃燒器在實際使用中沒有完全實現助燃空氣和燃氣的充分混合,爐膛內存在局部高溫區,其溫度高于產生熱力型NOx的溫度,造成NOx濃度超標。另一方面,有可能出現燃料和空氣的混合流動不佳,造成一氧化碳超標,局部積碳等不完全燃燒的現象。為了降低反應溫度,需要盡可能使火焰分散,擴大火焰形狀,也就是說需要結合爐膛配合使用,而大多是情況是爐膛體積有限,為了避免火焰相對爐膛過大,通常會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,但是缺點是鍋爐的功率下降了,而且有煙氣冷凝的風險。
            據相關文獻及實際運行數據顯示,分級燃燒一般可將NOx排放濃度控制在60~80 mg/m3,可滿足國家標準,但是對于目前的很多地方標準,這種技術已經不能滿足。
            實際工程應用中,分級燃燒會和煙氣再循環技術(FGR)結合起來應用,以滿足30mg/m3的排放要求。
            煙氣再循環技術(FGR)
            煙氣再循環技術指的是將燃燒后的部分煙氣(主要為水蒸氣、二氧化碳和氮氣)引出返回至燃燒器,與新鮮的空氣混合參與燃燒。再循環煙氣的溫度與爐膛內的火焰溫度比要低得多,能夠顯著降低爐膛內的溫度,減少爐膛容積熱強度。同時,由于引入的煙氣含氧量極低,在爐膛內可以有效降低爐膛內的氧氣濃度,有效抑制了NOx的形成。

            圖2  煙氣外循環低氮燃燒系統

            煙氣再循環技術屬于低氮改造的主要技術之一,但是在實際應用中有以下問題:
            01煙氣再循環率的控制
            煙氣再循環率指的是再循環煙氣量與全部排煙量之比。一定范圍內,煙氣再循環率增加有利于降低NOx濃度,但是當煙氣再循環率增加到一定量時,NOx濃度下降速度變小。但是同時,煙氣循環率的增加使得燃燒不穩定,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率非常重要,然而,其控制要求較為復雜,不僅需要考慮NOx濃度,同時要考慮燃燒器的功率調節以及煙氣溫度等條件。
            02燃燒器產生冷凝水
            冬季,空氣溫度較低,回流煙氣中含有大量的水蒸氣,此時,兩者混合時,極易產生冷凝水,導致燃燒器和鼓風機腐蝕損壞。所以FGR系統需要兼顧空氣溫度,煙氣循環率、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溫度。通常會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,由此帶來控制系統的復雜程度變高。
            03爐膛匹配性問題
            一般應用FRG改造技術的鍋爐需要較大的爐體結構,而很多改造的鍋爐爐體并不滿足此條件。
             
            水冷燃燒技術
            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。通常搭配預混燃燒技術一起使用,預混燃燒可有效縮小火焰長度,較短的火焰可充分被冷卻水管進行降溫。
            本技術可有效降低NOx排放濃度,但是適用性不廣。由于采用水冷卻,所以對于大多數改造項目,由于爐體結構無法改造,所以本技術無法應用。水冷燃燒基本只能適用于置換案例或全新設計爐體的工程案例。另外,這種爐體一般搭配專用燃燒器,而不是通用燃燒器,一旦燃燒器出現故障,用戶可選擇的燃燒器就非常局限。
             
            全預混金屬絲網表面燃燒
            全預混燃燒技術配合金屬纖維是目前小型燃氣鍋爐的主流低氮燃燒技術。
            全預混燃燒指的是在燃燒之前將燃料和所需全部助燃空氣進行精確比例預混,在燃燒全過程中,可實時進行空燃比的恒定。也就是說,氧濃度基本可以維持恒定,不太會出現氧濃度過高的區域。
            由鐵-鉻-鋁及稀有金屬材料制成的多孔金屬纖維網為燃燒表面,其氣孔分布均勻,燃燒強度大,燃氣和空氣精確混合后,在其表面產生短簇型火焰,燃燒面積大,燃燒均勻,沒有局部高溫區,有效抑制NOx的生成。
            全預混燃燒+多孔金屬纖維網的配合使用,由于多孔金屬纖維網的孔隙很小,燃燒時不存在宏觀尺寸上的火焰(所以又稱無焰燃燒),理論上講,基本不會產生回火。
            與傳統擴散式燃燒相比,全預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,火焰發生速度快,反應停留時間短等優點,NOx排放濃度可達到30 mg/m3以下。在排放標準最嚴的美國加州地區,該技術也是低氮燃燒的主流應用技術。


            圖3 全預混金屬絲網表面燃燒

            全預混金屬絲網表面燃燒的主要弊端是燃燒器絲網容易堵塞,這是由于國內空氣及天然氣質量較差導致。
            但是對于全預混燃燒技術“不安全”的看法是一種誤解,從上面的解釋我們可以看出,全預混燃燒搭配多孔金屬纖維引起回火的可能性微乎其微。國內低氮改造的熱潮,催生了很多國內生產廠家,簡易組裝直接上馬了許多全預混燃燒器及鍋爐,由于質量及技術不過關,導致了一些質量和安全事故。但是隨著目前技術的改進和更多安全保障措施的加入,這種安全事故的可能性,已經幾乎為零。
            目前BDR在中國市場上投放的所有商用全預混燃氣鍋爐,都標配了空氣過濾器等安全保護裝置,并且鍋爐中都有進風、排煙壓差保護及防回火等多重保障措施。

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