中小型燃气锅炉低氮改造及排放控制的几种解决方案

　　一、低氮燃烧的必要性

　　减少NOx排放是改善环境空气质量的需要近年来的监测数据表明，典型特征污染物PM2.5出现较大超标比例和区域性长时间严重超标情况，改善环境空气质量面临巨大挑战。

　　国内外研究和治理经验表明，控制区域性PM2.5污染是一项难度非常大的系统工程，必须在综合分析基础上，提出有针对性的控制对策，才能有效缓解区域PM2.5污染。PM2.5包括一次排放和二次生成粒子两部分，以北京为例，二次粒子比例较高，特别是重污染时段PM2.5中二次粒子比例较常规时段明显增加。有观测数据表明，重污染发生时PM2.5与NOx的环境质量浓度变化呈现强相关、同步变化的特征。此外，NOx是PM2.5形成的重要前体物。因此，减少NOx排放是改善空气环境质量的重要任务之一。

　　二、国内外燃气工业锅炉NOx控制技术现状

　　现有低NOx燃烧技术主要围绕如何降低燃烧温度，减少热力型NOx生成开展的，主要技术包括分级燃烧、预混燃烧、烟气再循环、多孔介质催化燃烧和无焰燃烧。

　　(1)燃料分级燃烧或空气分级燃烧

　　热力型NOx生成很大程度上取决于燃烧温度。燃烧温度在当量比为1的情况下达到最高，在贫燃或者富燃的情况下进行燃烧，燃烧温度会下降很多。运用该原理开发出了分级燃烧技术。

　　空气分级燃烧第一级是富燃料燃烧，在第二级加入过量空气，为贫燃燃烧，两级之间加入空气冷却以保证燃烧温度不至于太高。燃料分级燃烧与空气分级燃烧正好相反，第一级为燃料稀相燃烧，而在第二级加入燃料使得当量比达到要求的数值。这两种方法最终将会使整个系统的过量空气系数保持一个定值，为目前普遍采用的低氮燃烧控制技术。

　　(2)贫燃预混燃烧技术

　　预混燃烧是指在混合物点燃之前燃料与氧化剂在分子层面上完全混合。对于控制NOx的生成，这项技术的优点是可以通过当量比的完全控制实现对燃烧温度的控制，从而降低热力型NOx生成速率，在有些情况下，预混燃烧和部分预混可比非预混燃烧减少85%—90%的NOx生成。另外，完全预混还可以减少因过量空气系数不均匀性所导致的对NOx生成控制的降低。但是，预混燃烧技术在安全性控制上仍存在未解决的技术难点：一是预混气体由于其高度可燃性可能会导致回火；二是过高的过量空气系数会导致排烟损失的增加，降低了锅炉热效率。

　　(3)外部烟气再循环和内部烟气再循环技术

　　燃烧温度的降低可以通过在火焰区域加入烟气来实现，加入的烟气吸热从而降低了燃烧温度。通过将烟气的燃烧产物加入到燃烧区域内，不仅降低了燃烧温度，减少了NOx生成；同时加入的烟气降低了氧气的分压，这将减弱氧气与氮气生成热力型NOx的过程，从而减少NOx的生成。根据应用原理的不同，烟气再循环有两种应用方式，分别为外部烟气再循环与内部烟气再循环。

　　对于外部烟气再循环技术来说，烟气从锅炉的出口通过一个外部管道，重新加入到炉膛内。根据研究，外部烟气再循环可以减少70%的NOx生成。外循环比例对NOx控制效果也有较大影响，随着外循环比例的增加NOx降低幅度也更加明显，但循环风机电耗也将增加。

　　对于内部烟气再循环，烟气回流到燃烧区域主要通过燃烧器的气体动力学。内部烟气再循环主要通过高速喷射火焰的卷吸作用或者旋流燃烧器使得气流产生旋转达到循环效果。

　　通过运用一个旋流器或者切向气流进口来生成一个有切向速度的气流，旋转过程即产生了涡流。涡流的强度可以用一个无量纲数旋流度S表示。当旋流度超过0.6，气流中将会产生足够的径向和轴向压力梯度，这会导致气流反转，在火焰中心产生一个环形的再循环区域。中心再循环区域的高温气体将回到燃烧器喉部，这确保了对冷的未燃烧气体的点火，同时通过降低火焰温度和降低氧气分压减少NOx生成。

　　(4)多孔介质催化燃烧

　　降低火焰温度的另一个办法就是尽可能快和多的加强火焰对外的传热。在燃烧器内增加了多孔介质(PIM)，使得燃烧反应发生在多孔介质内，这样从燃烧器到周围环境的辐射和对流换热就被加强了。实验表明，使用PIM燃烧器的燃烧温度低于1600K，NOx生成量在5-20ppm左右。

　　PIM燃烧器还可以在燃烧器入口处添加催化剂，这样燃料分子和氧化剂分子就会以一个比较低的活化能在催化剂表面进行反应。这样反应温度相比于同类的燃烧要更低。由于反应过程只在催化剂表面进行，不会产生NOx，这样催化燃烧的NOx生成可以降至1ppm。催化燃烧的缺点就是必须保证活性表面在一个比较低的温度下不被氧化或蒸发，且催化剂造价相对较高，难以得到工业化应用。

　　(5)无焰燃烧

　　传统的火焰燃烧分为预混燃烧和扩散燃烧，其主要特点包括：①燃料与氧化剂在高温下反应，温度越高越有助于火焰的稳定；②火焰面可视(甲烷燃烧的火焰一般为蓝色，有碳烟产生时为黄色)；③大多数燃料在很薄的火焰层内完成燃烧，但是燃烧反应会在下游的不可见的区域内完成。

　　为了建立一个火焰，燃料与氧化剂之比必须在可燃极限之内，同时需要点火装置。一般情况下，火焰在点燃以后一般自己充当点火器，对来流进行点火。这就需要足够高的火焰温度来达到最小点火能量，但是高的火焰温度会使得NOx生成增加。

　　经研究，在炉内温度为1000℃，空气预热到650℃的情况下，燃料在无焰的情况下燃烧，一氧化碳低于1ppm，NOx接近于零排放。

　　为了稳定火焰，可视的燃烧过程需要在燃烧后产生很强的烟气回流；对于无焰燃烧，烟气回流发生在燃烧之前，甚至可能在燃烧器当中，这样再循环的烟气加热了预混的燃料，降低了炉膛温度，扩大了反应区域。

　　无焰燃烧火焰分布均匀，燃烧温度低，同时羟基生成少，这使得NOx产生更少。无焰燃烧需要以下条件：①分别射入高动量的空气和燃料流；②大量内部的或者外部的高温燃烧产物循环；③热量的快速移除，以保证炉膛内各处均未达到绝热火焰温度。无焰燃烧不需要传统的稳燃装置或条件(比如强涡)。

　　三、NOx超低排放监测的可行性与市场前景

　　NOx生成机理比较复杂，大致可以认为是由氮气与氧气在高温下生成NO，NO与O2在高温反应下生成NO2。可见NOx的生成与O2的浓度有关，也与火焰温度有关。减少过剩空气量，则O2浓度变小，火焰温度降低，NOx生成量下降。如果过剩空气量增加，虽然O2浓度增高有利于NOx的生成，但由于燃烧温度降低，总的结果是NOx生成量减少。因此，过剩空气系数为某一值时（与燃气热值、燃烧器等因素有关），NOx的生成量最高，增大或减少过剩空气系数，NOx的生成量都会减少。由此可见，通过实时监测NOx含量，判断NOx是否超标，再适当增大或减少过剩空气量，就可以减少NOx的生成，从而降低烟气中的NOx含量。

　　由于目前部分地区现行的NOx含量限值均低于国家标准，甚至更低，现行国家标准与地方标准对比及发布现状见表1；并出台了相应的中小型低氮燃气锅炉改造工作方案、要求及补贴标准，为低氮燃气锅炉设计与改造市场提供了重大的发展契机，也使得NOx超低排放监测技术成为未来中小型燃气锅炉排放监测市场的开发热点。

单位：mg/m³

表1.现行NOx排放国家标准与地方标准对比

　　针对中小型低氮燃气锅炉的设计、改造与应用，锐意自控推出的超低量程在线紫外烟气分析仪Gasboard-3000UV、便携红外烟气分析仪Gasboard-3800Plus及便携紫外烟气分析仪Gasboard-3800UV，可满足中小型燃气锅炉超低氮排放监测的需求。表2为烟气分析仪NO含量监测的主要参数。

表2.烟气分析仪NO含量监测主要参数

　　Gasboard-3000UV结合紫外差分吸收光谱技术及电化学传感技术，可同时测量SO2、NO、O2等气体的体积浓度。对于低浓度NO含量监测，Gasboard-3000UV基于紫外差分吸收光谱技术，采用独特算法，长光程多次回返气体室，避免烟气中气态水与烟气采样流量对NO测量结果的影响，抗干扰能力强，测量精度高，测量范围小于100mg/m³，可实现中小型低氮燃气锅炉低NOx浓度的监测。图1为Gasboard-3000UV内部结构示意图。

图1.Gasboard-3000UV内部结构示意图

　　Gasboard-3800Plus基于非分光红外(NDIR)技术及长寿命电化学(ECD)传感技术，可同时测量烟气中SO2、NO、CO、CO2、O2等气体体积浓度，以及烟气温度、流速等参数，并统计出排放率、排放总量。对于低浓度NO含量监测，Gasboard-3800Plus在基于微流红外气体分析技术，有效消除水分冷凝、HC干扰、测试分辨率等因素对测量结果影响的同时，结合隔半气室气路设计，保证被测信号与参考信号的强度之比不受温度、压力等监测环境影响，漂移小、性能稳定，满足低浓度NO含量监测的需求。图2为配置预处理装置的Gasboard-3800Plus。

图2.配置预处理装置的Gasboard-3800Plus

　　Gasboard-3800UV基于紫外差分吸收光谱技术、非分光红外(NDIR)技术及长寿命电化学(ECD)传感技术，可同时测量烟气中SO2、NO、CO、CO2、O2等气体体积浓度，以及烟气温度、流速等参数，并统计出排放率、排放总量。对于低浓度NO含量监测，Gasboard-3800UV采用DOAS算法，依靠深紫外波段和不同光程作用，无水分吸收，不受水分、粉尘干扰，被测气体间无交叉干扰，检测下限低，分辨率达0.1mg/m³，满足超低排放监测需求。同时，还可满足中小型燃气锅炉改造验收及燃气锅炉污染气体排放第三方监测需求。

　　此外，Gasboard-3800Plus与Gasboard-3800UV分析主机配备一体化采样及伴热装置，原装进口便携式预处理装置，可确保样气满足仪表检测要求；还可自动计算过量空气系数和燃烧效率，应用于中小型燃气锅炉节能监测中。

　　四、结束语

　　随着“煤改气”工程建设的加快推进与生态环境压力的加大，中小型燃气锅炉低氮改造市场逐渐受到热捧，也为NOx超低排放监测市场带来了较大发展契机，在中小型燃气锅炉改造、验收过程中需采取必要的低氮监测手段，才能将燃气锅炉调整到良好运行状态，实现锅炉运行效率的最大化与污染排放的减量化。

（来源：工业过程气体监测技术）