艾 晗，郭裕豐，齊永杰，陳 軍，楊薈楠，蘇明旭，樓晟榮，黃 成，胡馨遙

(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200862;國家環(huán)境保護(hù)城市大氣復(fù)合污染成因與防治重點實驗室上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

0 引言

隨著人們對環(huán)境的關(guān)注度日益增加，氮氧化物的危害成為治理環(huán)境的一個重點。國內(nèi)外很早就展開了相關(guān)研究[1-5]，氮氧化物的排放量早在上世紀(jì)八十年代就實現(xiàn)了一定程度的減排。國內(nèi)雖然起步較晚，但在減排領(lǐng)域擁有很快的發(fā)展速度，氮氧化物排放量從最初的140 mg/m3降至50 mg/m3。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，氮氧化物實現(xiàn)了35 mg/m3的超低排放。

在標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行之前，上海市有關(guān)職能政府主持了相關(guān)低氮改造項目，以驗證《標(biāo)準(zhǔn)》的可行性。本文的工作為評估其改造效果，于2018對上海市完成低氮改造的企業(yè)進(jìn)行選擇，對不同地區(qū)抽樣選取了6臺運(yùn)行鍋爐對其改造效果進(jìn)行抽樣調(diào)查，評估中小型工業(yè)燃?xì)夂腿加湾仩t的NOx排放現(xiàn)狀及改造效果，完成相關(guān)分析。本文在分析中對各鍋爐的改造技術(shù)與運(yùn)行情況進(jìn)行了對應(yīng)研究，對不同蒸發(fā)量的鍋爐的減排效果進(jìn)行了相關(guān)分析。為之后上海市全面推進(jìn)低氮改造項目提供了相關(guān)的借鑒和參考。

1 低氮燃燒理論與技術(shù)

1.1 NOx生成機(jī)理

通過近十幾年對天然氣燃料生成NOx的燃燒機(jī)理與控制技術(shù)[2]的研究表明：NOx的生成途徑主要有快速型、熱力型、燃料型三種[3,5,7]。其中熱力型NOx對所有NOx排放的貢獻(xiàn)比例高達(dá)95%以上，快速型NOx在貢獻(xiàn)比例上比熱力型NOx小一個數(shù)量級。在低氮技術(shù)的研究和研究上，這兩種NOx的生成方式與相關(guān)影響因素是工程領(lǐng)域里主要考慮與控制的部分。

1.1.1 熱力型NOx生成機(jī)理

熱力型NOx[5]是指N2在高溫情況下被氧化生成NO和NOx，捷里多維奇(Zeldovich)反應(yīng)機(jī)理式(1)描述了其生成過程

(1)

式中CNO、CN2、CO2——NO、N2、O2的濃度;

R——?dú)怏w常數(shù)/J·(mol·K)-1，取8.314 J/(mol·K);

可知3個接收線圈測量的磁通密度為常值,與其方向無關(guān),從而有利于節(jié)點布置。這樣根據(jù)接收線圈的磁場測量值由式(13)和式(12)即可確定其與錨節(jié)點之間的距離,節(jié)點之間距離也可采用這種方式測定。

T——燃燒溫度/K。

當(dāng)燃料濃度過高時，需要考慮式(2)

N+OH→NO+H

(2)

由捷里多維奇(Zeldovich)反應(yīng)機(jī)理可以知道，熱力型NOx的生成受燃燒溫度、氧氣濃度、氮?dú)鉂舛扔绊憽?/p>

1.1.2 快速性NOx生成機(jī)理

快速型NOx[5,8]只來源于碳?xì)淙剂系娜紵?，其形成所需時間很短，形成機(jī)理由式(3)、式(4)所示

CH+N2→HCN

(3)

CH2+N2→HCN+NH2

(4)

式中 R——活性基(H、O、OH)；

RO——含氧基(O、OH)；

RN——含氨基(HCN、NH、N)。

從快速性NOx的生成機(jī)理分析，燃料種類對其生成有決定性影響，只有碳?xì)淙剂喜艜a(chǎn)生快速型NOx。此外相關(guān)研究也表明過量空氣系數(shù)也是影響其產(chǎn)生的一個重要因素。當(dāng)過量空氣系數(shù)≥1時，基本不產(chǎn)生NOx。當(dāng)過量空氣系數(shù)<0.7時，氧氣濃度減少，HCN向N2轉(zhuǎn)化增多，抑制了NOx的生成。

現(xiàn)在工程領(lǐng)域中較為成熟的低氮改造技術(shù)都是基于NOx的生成機(jī)理與相關(guān)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。為不同的鍋爐提供了改造方向和評估依據(jù)。

1.2 低氮燃燒技術(shù)

1.2.1 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)[9-10]示意圖和改造后的實體圖如圖1、圖2所示：使部分煙氣再次參加燃燒過程，將煙氣再次引入燃燒區(qū)域降低了鍋爐燃燒溫度，其基本過程可描述為：將部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，或與空氣(一次風(fēng)或二次風(fēng))混合送入爐內(nèi)，因煙氣吸熱和稀釋了氧濃度，使燃燒速度和爐內(nèi)溫度降低，熱力NOx減少，以此達(dá)到減少NOx的生成的目的。

圖1 煙氣再循環(huán)示意圖

圖2 煙氣再循環(huán)現(xiàn)場圖

1.2.2 分級燃燒

分級燃燒分為空氣分級[9]和燃料分級[11]兩種?？諝夥旨壷饕菍⒗碚摽諝饬糠謳状嗡腿肴紵齾^(qū)域，第一次將理論量大部分送入爐膛使燃燒為缺氧富燃料型，減少燃燒溫度達(dá)到減少NOx的生成。將剩下的空氣量分一次或兩次送入燃燒區(qū)域，使燃料充分燃燒,其示意圖與燃燒如圖3、圖4所示。

圖3 三種不同的空氣分級技術(shù)

圖4 分級燃燒燃燒器

燃料分級主要是將燃燒設(shè)計為主燃燒區(qū)、再燃區(qū)、燃盡區(qū)。在主燃區(qū)送入二次燃料形成還原環(huán)境使NOx還原為N2，以此抑制NOx的生成。其燃燒原理與燃燒火焰如圖5、圖6所示。

圖5 燃料分級示意圖

圖6 燃燒火焰圖

1.2.3 全預(yù)混表面燃燒技術(shù)

全預(yù)混表面燃燒技術(shù)[12-15]是指全預(yù)混燃燒技術(shù)與表面燃燒技術(shù)的結(jié)合。全預(yù)混燃燒技術(shù)是指燃?xì)夂涂諝獬浞只旌先紵诉^程中過量空氣系數(shù)α≥1。燃燒速率快、燃燒充分、火焰短。表面燃燒火焰會沿著金屬纖維的表面進(jìn)行均勻分布，有利于溫度場的均勻分布。兩種技術(shù)結(jié)合解決了回火問題，對減少小型燃?xì)忮仩tNOx排放量有顯著效果。

目前使用的低氮技術(shù)除以上三種常用技術(shù)之外還有旋流燃燒技術(shù)、水冷預(yù)混技術(shù)、濃淡燃燒等。

2 項目實施

2.1 低氮改造鍋爐參數(shù)及改造方案

根據(jù)上海市中小燃油燃?xì)忮仩t低氮燃燒改造推進(jìn)情況，在楊浦區(qū)、長寧區(qū)、嘉定區(qū)選取不同噸位、爐型的中小燃油燃?xì)忮仩t低氮燃燒改造項目6項。各鍋爐使用的低氮燃燒改造主要有煙氣再循環(huán)、分級燃燒、更換低氮燃燒器。在完成低氮改造后，各檢測企業(yè)鍋爐均為燃?xì)忮仩t，可見使用燃?xì)忮仩t是減少NOx排放的主要手段之一，各鍋爐參數(shù)及相關(guān)改造技術(shù)如表1所示。

表1 選測鍋爐參數(shù)與改造技術(shù)

2.2 煙氣在線測量

本次低氮燃燒改造效果檢測項目的工作中，對鍋爐排放煙氣進(jìn)行檢測的設(shè)備為Testo350煙氣分析儀與皮托管。Testo350煙氣分析儀是一款節(jié)能環(huán)保的專業(yè)儀器，配有各種傳感器可測：O2、SO2、NO、NO2、NOx等氣體參數(shù)以及可以長期連續(xù)監(jiān)測得到對應(yīng)物質(zhì)的年排放量，也可以測量壓差、流速、流量。其原理為待測氣體經(jīng)過過濾裝置進(jìn)入到氣體傳感室，待測氣體與定電位式電化學(xué)傳感反應(yīng)，產(chǎn)生的電信號與氣體濃度成正比。該裝置既可以現(xiàn)場快速分析，也可以配上便攜式煙氣預(yù)處理器進(jìn)行長期準(zhǔn)確監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)值可以實時與計算機(jī)相連與數(shù)據(jù)分析。測量參數(shù)及其量程、精度、分辨率和響應(yīng)時間如下表2所示。

表2 Testo350煙氣分析儀測量參數(shù)

由于傳感器的電解液是水溶性的，長期使用和自身的蒸發(fā)會導(dǎo)致傳感器信號衰減，因此每次使用前后都對該裝置進(jìn)行了標(biāo)定使偏差小于±%5。每次測試之前都要先進(jìn)行自動校零，待校準(zhǔn)結(jié)束以后將探針插入選好的煙道/煙囪采樣口中。由于運(yùn)行鍋爐是根據(jù)使用情況來調(diào)整自身運(yùn)行工況，所以該裝置要在每種工況下采集10到15 min的穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

煙氣在線測量中，煙氣的高濕和高溫也是測量過程中所遇到的困難，但testo350煙氣分析儀自身的專利技術(shù)、煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、全加熱采樣系統(tǒng)很好地解決了這個問題。

3 結(jié)果與討論

3.1 鍋爐各工況排放情況

基于Testo350煙氣分析儀，完成了6臺鍋爐在25%、50%、75%、100%負(fù)荷工況下NOx的排放情況監(jiān)測，如圖7所示。

圖7 鍋爐各工況下排放情況

1號鍋爐在負(fù)荷為25%工況運(yùn)行時，NOx的平均排放濃度達(dá)到最大值14.1 mg/m3，50%工況運(yùn)行時，其平均排放濃度達(dá)最小值2.8 mg/m3。2號鍋爐在負(fù)荷為100%時NOx的平均排放濃度達(dá)到最大值29.2 mg/m3，50%工況運(yùn)行時，其平均排放濃度達(dá)最小值13.9 mg/m3。3號鍋爐在負(fù)荷為100%工況運(yùn)行時，NOx的平均排放濃度達(dá)到最大值18.4 mg/m3，25%工況運(yùn)行時，其平均排放濃度達(dá)最小值14.3 mg/m3。4號鍋爐在負(fù)荷為100%工況運(yùn)行時，NOx的平均排放濃度達(dá)到最大值15.8 mg/m3，25%工況運(yùn)行時，其平均排放濃度達(dá)最小值12.8 mg/m3。5號鍋爐在負(fù)荷為100%工況運(yùn)行時，NOx的平均排放濃度達(dá)到最大值26 mg/m3，25%工況運(yùn)行時，其平均排放濃度達(dá)最小值14.08 mg/m3。6號鍋爐在負(fù)荷為75%工況運(yùn)行時，NOx的平均排放濃度達(dá)到最大值9.1 mg/m3，50%工況運(yùn)行時，其平均排放濃度達(dá)最小值8.3 mg/m3。6臺鍋爐NOx排放最大濃度值均低于上海市在用燃?xì)忮仩t排放限值150 mg/m3與上海市新建燃?xì)忮仩t擬排放限值50 mg/m3。

3.2 鍋爐各工況下的排放因子

由于選取鍋爐改造方案有差異，負(fù)荷不一樣。不能只從排放情況來分析改造的效果優(yōu)劣。本文進(jìn)一步研究6臺鍋爐在四個不同工況下對應(yīng)的NOx的排放情況得到其排放因子：1號鍋爐在負(fù)荷工況區(qū)間內(nèi)NOx的排放因子最大值為1.2 g/kg燃料，最小值為0.2 g/kg燃料。2號鍋爐在負(fù)荷工況區(qū)間內(nèi)NOx的排放因子最大值為0.9 g/kg燃料，最小值為0.8 g/kg燃料。3號鍋爐在負(fù)荷工況區(qū)間內(nèi)NOx的排放因子最大值為0.8 g/kg燃料，最小值為0.3 g/kg燃料。4號鍋爐在負(fù)荷工況區(qū)間內(nèi)NOx的排放因子最大值為0.7 g/kg燃料，最小值為0.5 g/kg燃料。5號鍋爐在負(fù)荷工況區(qū)間內(nèi)NOx的排放因子最大值為2.5 g/kg燃料，最小值為0.3 g/kg燃料。6號鍋爐在負(fù)荷工況區(qū)間內(nèi)NOx的排放因子最小值為0.17 g/kg燃料；最大值為0.18 g/kg。從六臺鍋爐的排放因子與工況的對應(yīng)情況可以看出，鍋爐啟動時由于燃燒不充分排放因子比較大，NOx排放濃度也較高。隨著負(fù)載加大到50%左右時鍋爐的燃燒比較充分，這時的排放因子比較小，對應(yīng)的排放濃度也相應(yīng)降低。各工況下的排放因子情況如圖8所示。

圖8 各工況對應(yīng)的排放因子

3.3 鍋爐改造前后年排放量及減排率

通過排放因子的排放情況和鍋爐的運(yùn)行情況進(jìn)一步整理得到六臺鍋爐改造后NOx年排量。結(jié)合上海市環(huán)境科學(xué)研究院2017完成的固定污染源排放清單可以得到6臺鍋爐NOx年排放量均有不同程度減少。其中NOx年排放量減少最多的為5號鍋爐，其減排量為1603 kg，總體NOx的平均減排量達(dá)1 043 kg。各鍋爐減排率均大于48%，其中6號鍋爐改造前燃料為燃油，改造后燃料為天然氣，減排效果很顯著，減排率高達(dá)96%。六臺鍋爐總體NOx的平均減排率為77%。排放量、減排率如圖9、表3所示。

圖9 各鍋爐低氮改造前后NOx年排放量

表3 各鍋爐減排率

4 結(jié)論

(1)燃煤、燃油鍋爐排放不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下，使用燃?xì)忮仩t是減少NOx排放的主要手段。

(2)各選測鍋爐改造以后排放情況均能達(dá)到新《標(biāo)準(zhǔn)》要求，所選鍋爐排放濃度達(dá)到最大值29.2 mg/m3、最小值為9.1 mg/m3。證明了低氮改造的可行性與《標(biāo)準(zhǔn)》科學(xué)性。

(3)本文此次研究所選擇的鍋爐數(shù)量樣本夠，蒸發(fā)量的范圍沒有覆蓋完整。后續(xù)工作重點應(yīng)放在這兩方面。