14MW天然氣熱水鍋爐低氮燃燒改造

韓叢韋

摘要：鍋爐排放煙氣中氮氧化物含量超標(biāo)，通過改造燃?xì)忮仩t的本體結(jié)構(gòu)以及更換附屬設(shè)備，大幅度降低鍋爐排放的尾氣中氮氧化物含量，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵字：氮氧化物;燃?xì)忮仩t;低氮改造。

天然氣是一種清潔能源，主要成分是甲烷，燃燒產(chǎn)生二氧化碳和水，幾乎沒有煙塵，主要污染物是氮氧化物，隨著政府對(duì)大氣污染排放的愈發(fā)重視，氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。

改造背景：2017年3月，李克強(qiáng)總理在十二屆全國(guó)人民代表大會(huì)第五次會(huì)議上所做的工作報(bào)告中提出堅(jiān)決打好藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，2017年二氧化硫、氮氧化物排放量要分別下降3%，重點(diǎn)地區(qū)細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度明顯下降。北京市海淀區(qū)環(huán)境保護(hù)局海環(huán)保字[2016]13號(hào)文件《北京市海淀區(qū)環(huán)境保護(hù)局關(guān)于開展燃?xì)忮仩t低氮燃燒技術(shù)改造的通知》以及北京市DB11/139-2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，2017年4月1日后，在用鍋爐氮氧化物排放濃度限值為80 mg/m3，新建燃?xì)忮仩t氮氧化物排放不應(yīng)超過30 mg/m3。在這種大背景下，該地區(qū)型號(hào)為WNS14-1.25/115/70-QT的燃?xì)鉄崴仩t，在正常運(yùn)行的情況下，經(jīng)過內(nèi)部檢測(cè)，2015年-2018年氮氧化物排放濃度平均為95mg/m3。該小區(qū)燃?xì)忮仩t的氮氧化物排放均已經(jīng)超標(biāo)，如果在這種情況下繼續(xù)運(yùn)行，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)經(jīng)常性的處罰，因此低氮改造勢(shì)在必行。當(dāng)下，在用燃?xì)忮仩t的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)是80mg/m3，在當(dāng)前環(huán)保形勢(shì)下，國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)會(huì)越來越嚴(yán)，如果僅僅將鍋爐的排放達(dá)到80mg/m3以下，一方面，很可能會(huì)隨著政策進(jìn)一步嚴(yán)格導(dǎo)致二次改造，造成不必要的資源浪費(fèi);另一方面，隨著設(shè)備日漸老化可能導(dǎo)致排放出現(xiàn)波動(dòng)，出現(xiàn)超標(biāo)情況，招致環(huán)保局的處罰。鑒于以上兩點(diǎn)，該單位決定通過改造，將氮氧化物的排放值控制在30mg/m3以內(nèi)。

改造目標(biāo)：通過改造，大幅降低氮氧化物的排放，將煙氣中氮氧化物含量降低到30mg/m3以下，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

對(duì)于以天燃?xì)庾鳛槿剂系腻仩t，氮氧化物的產(chǎn)生途徑只要有兩種，熱力型以及快速型。其中熱力型主要是指空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卤谎趸傻趸铮焖傩褪侵缚焖傩?氮氧化物主要發(fā)生在燃料燃燒的過程中，在燃料過濃時(shí)，空氣中的氧氣濃度相對(duì)較低，在反應(yīng)區(qū)附近會(huì)快速生成 氮氧化物，其形成時(shí)間只需要大約60ms，與溫度的關(guān)系不大。針對(duì)這兩種途徑，經(jīng)過前期的技術(shù)調(diào)研，目前，市場(chǎng)上普遍采用的降低氮氧化物排放的途徑有兩種，分別是末端治理技術(shù)以及燃燒優(yōu)化控制。

1、末端治理技術(shù)

所謂末端治理技術(shù)，簡(jiǎn)而言之就是把已經(jīng)產(chǎn)生的氮氧化物通過物理化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行處理，降低煙氣中污染物的排放濃度。末端治理技術(shù)常用手段有選擇性催化還原法（SCR），選擇性非催化還原法（SNCR），氧化吸收法以及重金屬催化法。

末端治理技術(shù)，首先是需要安裝末端處理設(shè)備，例如空壓機(jī)、液氧罐、臭氧發(fā)生器等，大多用到制氨工藝或者制氧化劑工藝，原材料多用到氨水、尿素等，在治理氮氧化物的同時(shí)，容易造成空氣二次污染，氮氧化物的治理率可以控制在60%以上，適用于集成度較高，規(guī)模化較大的機(jī)組，同時(shí)對(duì)場(chǎng)地有較高要求。

2、優(yōu)化燃燒法

優(yōu)化燃燒法是從源頭上通過各種技術(shù)手段優(yōu)化燃燒，控制氮氧化物的生成，而目前常用的燃燒優(yōu)化控制方案有貧燃預(yù)混、水冷預(yù)混、低氮燃燒機(jī)（LNB）+煙氣再循環(huán)（FGR）以及煙氣內(nèi)循環(huán)（FIR）型燃燒機(jī)。

各種低氮燃燒技術(shù)優(yōu)劣如下：

（1） 預(yù)混燃燒

特點(diǎn)：需要較高的空氣過量系數(shù)，投資較高，存在回火爆燃的可能，同時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用以及初步投資比較高，而且會(huì)降低1%—3%的燃燒效率的降低，適合所在區(qū)域空氣質(zhì)量比較好的機(jī)組，經(jīng)過該方法處理后，氮氧化物的排放濃度可以控制在20mg/m3。

（2） 低氮燃燒機(jī)（LNB）+煙氣再循環(huán)（FGR）

特點(diǎn)：安全性較高，對(duì)鍋爐效率無顯著影響，運(yùn)行費(fèi)用改造前后無區(qū)別，投資比較低，對(duì)場(chǎng)地以及環(huán)境要求比較小，投資較低，適用于較小規(guī)模的機(jī)組。

針對(duì)兩種主要方案的特點(diǎn)，考慮到該地區(qū)鍋爐房規(guī)模較小，如果采用末端治理法會(huì)帶來一系列的問題，比如氨氣或者氧化劑無組織逸散導(dǎo)致二次污染，也勢(shì)必會(huì)占用大量的場(chǎng)地，從施工難度、后期運(yùn)行、以及周邊場(chǎng)地環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)效益多角度考慮不予采用。而優(yōu)化燃燒法不僅從根源上可以控制污染物產(chǎn)生，而且鍋爐房?jī)?nèi)部的場(chǎng)地完全可以滿足要求，因此，該小區(qū)確定將低氮燃燒機(jī)+FGR（煙氣再循環(huán)系統(tǒng)）作為改造方案。

煙氣再循環(huán)技術(shù)通過抽取尾部煙道的煙氣與空氣混合后進(jìn)入爐膛，降低燃燒區(qū)域氧氣的濃度以及燃燒區(qū)域燃燒溫度來抑制熱力型氮氧化物的產(chǎn)生，同時(shí)降低燃燒速度，抑制了快速性氮氧化物的產(chǎn)生。

實(shí)施時(shí)間安排在2019年8月，整個(gè)改造過程分為兩個(gè)部分：

第一部分：燃燒機(jī)改造

燃燒機(jī)改造包括燃燒頭、風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)以及閥組部分。

燃燒頭是關(guān)鍵部件，直接關(guān)系著燃燒室內(nèi)部的氣流分配以及燃料的燃燒方式，選用低氮燃燒機(jī)的目的就是從源頭控制氮氧化物的產(chǎn)生。材質(zhì)的選擇應(yīng)充分考慮冷凝水的腐蝕問題，確保燃燒的穩(wěn)定以及氮氧化物的排放穩(wěn)定且不隨時(shí)間推移而變化。

風(fēng)機(jī)的選型應(yīng)充分考慮鍋爐的負(fù)荷，保證系統(tǒng)的配風(fēng)，運(yùn)行的穩(wěn)定可靠而且震動(dòng)以及噪音均在可接受的范圍內(nèi)。

控制系統(tǒng)，新安裝的控制系統(tǒng)必須和現(xiàn)有的鍋爐附件的其他控制系統(tǒng)兼容，做到操作維護(hù)簡(jiǎn)便，可視化程度高。

閥組的選型，保證燃燒機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定。

第二部分：煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

煙氣再循環(huán)技術(shù)是業(yè)界常用的有效降低氮氧化物濃度的技術(shù)措施。該技術(shù)把部分煙氣（20%左右煙氣量）從煙道引回燃燒機(jī)，煙氣中因含氧量低不參與燃燒室內(nèi)的二次燃燒，進(jìn)而可以有效降低燃燒室溫度，從而降低氮氧化物的產(chǎn)生和排放濃度。

這兩部分內(nèi)容改造完成后，不僅在源頭上控制了氮氧化物的排放濃度而且在尾部煙氣做了相應(yīng)的處理，將氮氧化物的排放濃度降到最低。

實(shí)施的效果

燃?xì)忮仩t低氮改造后，經(jīng)過2019-2020以及2020-2021供暖季實(shí)際的運(yùn)行測(cè)試，在鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行階段，煙氣中氮氧化物的濃度普遍低于30mg/m3，而氮氧化物濃度從平均90 mg/m3降低到30 mg/m3，排放總量降低了67%，達(dá)到了預(yù)期的減排效果。依據(jù)實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)，2019-2020以及2020-2021供暖季分別消耗燃?xì)?44萬m3以及499萬m3，按照理論計(jì)算每燃燒1m3天然氣產(chǎn)生12m3煙氣計(jì)算，該地區(qū)鍋爐房減排效果見下表：

可見，改造完成后的短短兩個(gè)運(yùn)行季，該項(xiàng)目累計(jì)減少污染物排放7510kg，為首都的藍(lán)天貢獻(xiàn)了自己的力量。

推廣應(yīng)用

經(jīng)過設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行考察，相關(guān)數(shù)據(jù)的日常檢測(cè)，這套改造技術(shù)成熟可靠，對(duì)于規(guī)模較小，場(chǎng)地受限的14MW的燃?xì)鉄崴仩t的低氮改造有著積極的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] DB11/139-2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》;P3

[2] 李軍 邱金海 29MW燃?xì)忮仩t低氮改造工程。《暖通空調(diào)》2019年49卷。