李 宇 魏玉劍 蘇 毅＊ 林 欣 揭 濤 閆玉強 魏 巍

1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所 2.上海市能效中心 3.上海工業(yè)鍋爐研究所

關(guān)鍵字：提標(biāo)改造示范；低氮燃氣燃燒；煙氣在線測量；煙氣再循環(huán)

前言

自2017年始，由上海市能效中心牽頭，組織相關(guān)政府職能部門、研發(fā)機構(gòu)及設(shè)備生產(chǎn)單位共同就《上海市低氮排放標(biāo)準(zhǔn)》進行全面細致的調(diào)查研究，于2018年6月份頒布了上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《DB31/387-2018鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》?！缎聵?biāo)準(zhǔn)》要求以天然氣為燃料、單臺出力65t/h以下的蒸汽鍋爐、熱水鍋爐及有機熱載體鍋爐的氮氧化物排放水平不高于50mg/Nm3。

在該標(biāo)準(zhǔn)確定之前，上海市能效中心組織各相關(guān)單位開展了低氮燃燒器（燃油、燃氣）研發(fā)項目、低氮鍋爐研發(fā)試驗項目及低燒改造示范工程項目，以期從切實可靠的低氮燃燒技術(shù)研發(fā)成果和工程實施案例中取得可靠的標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)，并在符合上海市當(dāng)前經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)?，F(xiàn)狀的基礎(chǔ)上確定適宜的《氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

《低氮排放標(biāo)準(zhǔn)》擬定過程中，先后展開了兩個階段的示范工作。第一階段，2017年1月～2017年12月，低氮改造示范項目啟動。該階段由上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目（項目名稱：工業(yè)鍋爐氮氧貨物排放控制關(guān)鍵技術(shù)與示范）的子課題承擔(dān)單位：上海市能效中心、中國船舶重工集團公司第七一一研究所（以下簡稱“七一一所”）、上海工業(yè)鍋爐研究所（以下簡稱“工鍋所”）、上海市環(huán)境科學(xué)研究院大氣研究所、同濟大學(xué)、江蘇雙良鍋爐公司先行進行低氮改造示范工程項目的執(zhí)行，為后續(xù)的實施提供數(shù)據(jù)支撐。第二階段，2018年1月～2018年12月，在第一階段成功實施的經(jīng)驗及新標(biāo)準(zhǔn)頒布基礎(chǔ)上，全市范圍內(nèi)進一步推進低氮改造示范工程項目，該階段由上海市能效中心統(tǒng)籌部署，推動“在用中小燃油燃氣鍋爐提標(biāo)改造（低氮改造）示范項目征選活動”，搭建了鍋爐使用單位、改造服務(wù)企業(yè)及相關(guān)第三方環(huán)保檢驗檢測機構(gòu)的對接平臺。并在第二階段提標(biāo)改造（低氮改造）過程中，落實低氮改造補貼政策的制定，為2019年～2020年期間上海地區(qū)所有在用中小鍋爐低氮改造提供重要的推力。

1 工程案例情況簡介

1.1 背景情況簡介

在第一階段，為響應(yīng)上海市能效中心、上海青浦環(huán)保局的低氮改造示范項目的需求，相關(guān)鍋爐使用單位積極配合參與了提標(biāo)改造示范項目的活動。其中，威盛亞（上海）有限公司積極與七一一所、工鍋所簽訂了一臺10t/h蒸汽鍋爐的低氮改造項目。

該項目中，七一一所負責(zé)低氮燃氣燃燒器的設(shè)計供貨及鍋爐改造，以實現(xiàn)低于30mg/Nm3的NOx排放為最終目的。工鍋所負責(zé)鍋爐尾部煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計供貨及鍋爐改造，以監(jiān)測并上傳煙氣中各污染物的排放數(shù)值。整個項目由七一一所總承包執(zhí)行，七一一所長期從事與燃料燃燒相關(guān)的裝備設(shè)計研發(fā)與供貨工作，在2016年年底前主要從事化工領(lǐng)域內(nèi)燃用復(fù)雜組分燃料的低氮燃燒器研發(fā)設(shè)計供貨的項目，自2017年始響應(yīng)市場的需求，開始研發(fā)適用于中小工業(yè)鍋爐的低氮燃燒器。

1.2 設(shè)備情況簡介

威盛亞（上海）有限公司的10t/h蒸汽鍋爐由上海四方鍋爐廠生產(chǎn)，型號為SZS10-2.5-QT，鍋爐效率為90%。原配一臺燃油燃燒器，型號為SAACKE-SKVG80，該燃油燃燒器經(jīng)改造后為燃氣燃燒器，功率為7.7MW。

該SAACKE-SKVG80燃氣燃燒器的污染物排放值NOx不達標(biāo)，超過DB31/387-2014所規(guī)定的150mg/Nm3，其余污染物參數(shù)在排放限值之內(nèi)。因污染物NOx排放不達標(biāo)，威盛亞（上海）有限公司曾進入上海青浦區(qū)環(huán)保局重點關(guān)注名單，要求其及時整改。

2 提標(biāo)改造實施情況

2.1 低氮改造措施

2.1.1 低氮燃燒技術(shù)機理

依據(jù)當(dāng)前的主流研究成果，NOx主要有3種生成機制：燃料型NOx、快速型NOx、熱力型NOx。

其中，燃料型NOx來源于燃料中的N元素在燃燒過程中與O2反應(yīng)生成的NOx；快速型NOx的主要來源是氣相中存在的碳氫離子基團與N2相互碰撞后直接生成含N化學(xué)組分（XN），而部分XN組分則會在N遷移轉(zhuǎn)化機制中與O2生成NOx；熱力型NOx則主要是在高溫情況下，空氣中的N2與O2反應(yīng)生成NOx，該反應(yīng)機制稱為Zeldovich機理，根據(jù)研究工作的需要，一般分為簡化的和擴展的Zeldovich機理，下述反應(yīng)模型為擴展的Zeldovich機理。

在清潔優(yōu)質(zhì)的天然氣燃燒過程中，NOx主要來源于熱力型NOx，與溫度呈指數(shù)相關(guān)性，在1 100℃以上，熱力型NOx會急速上升。因此，當(dāng)前低氮燃氣燃燒器最主要的低氮燃燒措施之一是降低煙氣溫度[1-4]。

在具體實施過程中，則是通過火焰分割、燃料分級、空氣分級、煙氣再循環(huán)等諸多方式的組合以避免產(chǎn)生火焰高溫區(qū)[5]。

2.1.2 低氮燃燒器技術(shù)方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況及業(yè)主的定制需求，七一一所提供整套采用煙氣再循環(huán)的低氮燃氣燃燒器（型號：齊耀-LTG100-FGR），其包含一套燃氣閥組、風(fēng)機、伺服電機、燃燒控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)由某國際品牌電子空燃比程序控制器驅(qū)動，并與現(xiàn)場原有燃氣切斷閥和調(diào)節(jié)閥配合成為完整的系統(tǒng)。

煙氣再循環(huán)低氮燃氣燃燒器技術(shù)方案如下:采用一臺風(fēng)機從空氣中抽吸新鮮空氣，并利用風(fēng)機前的負壓從爐膛尾部排煙管道抽吸排放煙氣，二者在風(fēng)機處進行充分混合后鼓入燃燒器。燃氣通過燃燒器頭部環(huán)形分布的燃氣噴嘴注入爐膛。燃燒頭部采用中心穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)，燃氣經(jīng)由噴嘴結(jié)構(gòu)使一部分燃氣在中心穩(wěn)焰盤處維持點火火源，大部分燃氣沿徑向方向噴入爐膛，與空氣延遲混合從而避免產(chǎn)生火焰高溫區(qū)。同時，在保持全負荷范圍火焰穩(wěn)定的情況下，選擇較高的空氣風(fēng)速，使燃氣的燃燒空間范圍更廣。

2.1.3 煙氣在線分析測試方案

該項目中，上海工業(yè)鍋爐研究所承擔(dān)了煙氣在線分析測試裝置的研發(fā)。

煙氣在線分析測試裝置包括煙氣預(yù)處理裝置、NOx檢測儀、氧量測量裝置、溫度測量裝置、信號處理單元和信號輸出單元、GPRS遠程數(shù)據(jù)傳送功能。裝置通過NOx檢測儀檢測煙氣中NOx濃度并傳輸信號至控制系統(tǒng)，當(dāng)濃度值超過設(shè)定值時會發(fā)送報警信號至鍋爐控制系統(tǒng)，鍋爐控制人員根據(jù)報警信號及測量數(shù)據(jù)對燃燒工況進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對NOx排放濃度實時監(jiān)測并人為控制。此外，通過氧量測量裝置監(jiān)控排放煙氣的含氧量，通過溫度測量裝置測量排煙溫度，以上所得信號參數(shù)傳送至信號處理單元。信號處理單元中的可編程控制器（PLC）植入根據(jù)TSG G0003—2010《業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》中編制的數(shù)學(xué)模型，進而計算出相關(guān)參數(shù)，如鍋爐熱效率、過量空氣系數(shù)、排煙熱損失、NOx測量值及折算值等參數(shù)。

煙氣在線分析測試系統(tǒng)的主界面如圖1所示。

圖1 鍋爐排放煙氣在線分析測試系統(tǒng)主界面。

2.2 低氮改造結(jié)果

2.2.1 相關(guān)污染物排放

七一一所提供的齊耀-LTG100-FGR型燃氣燃燒器于2017年11月份進場安裝，先后進行了兩輪調(diào)試。第一輪為燃燒器原廠狀態(tài)下投運煙氣再循環(huán)時的運行，其結(jié)果已滿足所簽訂合同中對NOx排放值低于50 mg/Nm3的需求。為進一步發(fā)掘該型燃燒器的低氮排放能力，增加了循環(huán)煙氣（Flue Gas Recycled，F(xiàn)GR）的百分比，然而在長期運行過程中會偶發(fā)燃燒不穩(wěn)定導(dǎo)致的爐膛內(nèi)壓力波動現(xiàn)象。為此，七一一所對燃燒器進行了局部結(jié)構(gòu)改進，強化了中心穩(wěn)焰盤的穩(wěn)焰能力。燃燒器原廠狀態(tài)與改進狀態(tài)的污染物典型排放結(jié)果見表1。從表1所示數(shù)據(jù)可知，在增加了FGR百分比和強化了中心穩(wěn)焰盤的穩(wěn)焰能力后，NOx的排放值能穩(wěn)定在30 mg/Nm3以下。

表1 齊耀-LTG100-FGR低氮燃氣燃燒器污染物排放表

2.2.2 煙氣在線分析測試概況

煙氣在線分析測試裝置在研發(fā)過程中攻克了諸多工程應(yīng)用難點：（1）各傳感器對煙氣若干組分瞬時濃度值響應(yīng)曲線不同所帶來的參數(shù)計算誤差；（2）煙氣預(yù)處理過程對煙氣組分變化造成的影響；（3）傳感器在長期運行中受其它因素影響帶來的基準(zhǔn)漂移；（4）不同濃度值范圍內(nèi)的測量誤差補償修正問題等。最終，通過逐步解決各項問題，得到了一套滿足工程現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下的成功解決方案。

3 小結(jié)

由七一一所主導(dǎo)執(zhí)行的該低氮改造示范項目的成功實施，為上海市能效中心的后續(xù)工作提供了有力的技術(shù)數(shù)據(jù)及政策制定的基礎(chǔ)，也為環(huán)保局監(jiān)控環(huán)保政策執(zhí)行情況提供了有力的技術(shù)支撐，對上海地區(qū)的中小鍋爐提標(biāo)改造（低氮改造）工作起到很好的借鑒作用。