基于生命周期評價的燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)綜合評價*

李 磊 王曉鵬 馬 虹 熊鳳吟 鐘 玲 曹 磊#

(1.建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所，北京 100024；2.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054；3.濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實驗室，深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；4.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境發(fā)展中心，北京 100029)

氮氧化物(NOx)作為典型的大氣污染物，既可造成光化學(xué)煙霧和酸雨污染，也是細(xì)顆粒物的重要前驅(qū)物。工業(yè)鍋爐是NOx排放的重點(diǎn)污染源之一，在現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的背景下，燃?xì)夤I(yè)鍋爐占比不斷加大，其排放的廢氣將成為NOx的重要來源[1-2]。《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13271—2014)明確要求重點(diǎn)地區(qū)燃?xì)忮仩tNOx的特別排放限值為150 mg/m3。北京、天津、上海等多地發(fā)布地方性政策，排放要求在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上均有所提高[3]。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2019年工業(yè)鍋爐產(chǎn)量同比增長22%[4]，煤粉、燃?xì)狻⒂酂峒吧镔|(zhì)鍋爐等產(chǎn)量更是日益增加，因此亟需遴選合理有效的燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)，實現(xiàn)NOx排放控制目標(biāo)。

現(xiàn)有研究工作多圍繞低氮燃燒技術(shù)的機(jī)理、運(yùn)行效果及影響因素[5-7]開展，較少關(guān)注技術(shù)的系統(tǒng)性表現(xiàn)，難以為決策者提供較全面系統(tǒng)的參考，因此本研究將針對燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用實際，建立多維評價指標(biāo)體系，對典型低氮燃燒技術(shù)開展基于生命周期評價(LCA)的綜合評價[8]，為低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用與推廣提供系統(tǒng)性的理論依據(jù)與量化數(shù)據(jù)參考。

1 評價對象與方法

1.1 典型燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)

鍋爐產(chǎn)生的NOx是化石燃料與空氣在高溫燃燒時產(chǎn)生的，可分為熱力型、快速型、燃料型NOx。其中，燃?xì)忮仩t的NOx主要為熱力型NOx，占NOx產(chǎn)生總量的95%[9]。與燃煤相比，燃?xì)忮仩t尾氣中NOx較少，以煙氣脫硝為代表的末端處理技術(shù)僅在尾氣排放總量較大時才得以應(yīng)用[10]。因此，本研究主要針對適用于中小型燃?xì)夤I(yè)鍋爐的低氮燃燒技術(shù)開展評價。根據(jù)京津冀部分企業(yè)燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒改造現(xiàn)狀與文獻(xiàn)調(diào)研[11-12]，初步篩選出5種較多應(yīng)用于低氮燃燒的技術(shù)(煙氣內(nèi)循環(huán)、燃料分級燃燒+煙氣再循環(huán)、空氣分級燃燒、水冷預(yù)混燃燒、貧燃預(yù)混燃燒)，再開展綜合評價。

1.2 評價方法及流程

綜合評價方法包括層次分析法、模糊綜合評價、灰色聚類法、TOPOSIS等多種評價方法。本研究采用了廣泛應(yīng)用的模糊綜合評價方法對典型的低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行分析，以便最大化地耦合定性與定量指標(biāo)，實現(xiàn)指標(biāo)精準(zhǔn)量化[13-14]。

為系統(tǒng)評價低氮燃燒技術(shù)的資源環(huán)境影響，本研究引入LCA作為資源環(huán)境指標(biāo)的核算方法。首先初步篩選典型技術(shù)，確定技術(shù)評價對象，再構(gòu)建涵蓋資源、能源、環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會影響等信息的多維評價指標(biāo)體系，然后對指標(biāo)進(jìn)行實地、問卷、專家與文獻(xiàn)調(diào)研，確定權(quán)重及指標(biāo)量化方法，最后比較分析參評對象指標(biāo)量化的綜合評價結(jié)果，給出技術(shù)推薦建議。將LCA融合于綜合評價中，通過發(fā)揮LCA方法資源環(huán)境影響評價的系統(tǒng)性優(yōu)勢，形成一種新的框架來解決環(huán)境技術(shù)評價問題，既可全面評價防治技術(shù)潛在的污染轉(zhuǎn)移可能性，又可全面地考察技術(shù)應(yīng)用的功能特征。

2 技術(shù)評價與討論

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

在確立評價目標(biāo)的前提下，通過相關(guān)資料收集、調(diào)研及咨詢等方式初選，確保指標(biāo)全面性及代表性，構(gòu)建了覆蓋資源能源、環(huán)境影響、技術(shù)功能、經(jīng)濟(jì)效益和社會影響5個維度共計21個指標(biāo)的體系，指標(biāo)中除技術(shù)評價的一般定性指標(biāo)，也加入了NOx減排率、鍋爐本體熱效率變化、煙氣排放含氧量等特征功能指標(biāo)，以及能反映跨介質(zhì)污染轉(zhuǎn)移潛勢的損害人體健康、生態(tài)系統(tǒng)等間接環(huán)境影響指標(biāo)，符合評價目標(biāo)的全面性要求。

2.2 評價指標(biāo)量化方法

2.2.1 數(shù)據(jù)收集

針對燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)，結(jié)合國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(No.2017YFF0211803)，課題組在此前大量數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上開展了研究，并實測了38臺中小型燃?xì)夤I(yè)鍋爐(1～20 t/h)，對河北省某地級市開展補(bǔ)充問卷調(diào)研，收回有效問卷12份。低氮燃燒技術(shù)評價指標(biāo)清單信息具體見表1。

2.2.2 LCA

應(yīng)用LCA開展資源能源及間接環(huán)境影響類指標(biāo)核算。燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)實施手段多為既有鍋爐改造，需要的資源能源投入較少。在LCA過程中，將功能單位設(shè)置為同樣規(guī)格的鍋爐供應(yīng)同等熱力時所應(yīng)用的低氮燃燒技術(shù)，以此為基礎(chǔ)來量化能源資源消耗和污染物排放。低氮燃燒技術(shù)的LCA系統(tǒng)覆蓋低氮燃燒設(shè)備的改造和使用過程，包括改造過程低氮燃燒器等設(shè)備資源的投入、運(yùn)行過程能源的投入，以及NOx、CO等大氣污染物的排放。

2.2.3 指標(biāo)量化比較

將所有評價指標(biāo)分為定量和定性指標(biāo)，并用相應(yīng)的方法進(jìn)行統(tǒng)一量化處理。對于定性指標(biāo)，引入模糊統(tǒng)計分析法，根據(jù)最大隸屬度原則，構(gòu)建隸屬度函數(shù)，再通過文獻(xiàn)調(diào)研進(jìn)行等級賦值；對于定量指標(biāo)，越大越優(yōu)型數(shù)據(jù)采用效益型指標(biāo)公式量化，對于越小越優(yōu)型數(shù)據(jù)采用成本型指標(biāo)公式量化。最終，使指標(biāo)量化結(jié)果分布于[0，1]。

2.3 綜合分析與評價

燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)評價指標(biāo)涉及資源能源消耗和技術(shù)功能等多個領(lǐng)域，指標(biāo)之間互相影響較小，數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性較弱，本研究列出的指標(biāo)涵蓋了一些定性指標(biāo)，如復(fù)雜性與安全性，層次分析法能較好解決涵蓋定量、定性因素的綜合性指標(biāo)系統(tǒng)決策問題，通過建立層次遞階模型、構(gòu)造判斷矩陣，本研究的權(quán)重結(jié)果見表2。

5種技術(shù)的一級指標(biāo)綜合評價結(jié)果見圖1。指標(biāo)的重要性參考已有研究[15]，將技術(shù)功能與經(jīng)濟(jì)效益作為重點(diǎn)屬性進(jìn)行評價。

技術(shù)功能在一級指標(biāo)中權(quán)重最大，符合技術(shù)評價的研究目標(biāo)。從技術(shù)功能分析，燃料分級燃燒+煙氣再循環(huán)技術(shù)具有絕對的優(yōu)勢，由于其市場份額較大，應(yīng)用時間長，相關(guān)的技術(shù)理論和設(shè)備構(gòu)造研究已非常成熟，而且經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)應(yīng)用較普遍；貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)表現(xiàn)位列第二，該技術(shù)是近兩年國內(nèi)工程實踐常應(yīng)用的技術(shù)；水冷預(yù)混燃燒技術(shù)位列第三，在項目應(yīng)用中表現(xiàn)出一定的技術(shù)優(yōu)勢，特別是小型燃?xì)忮仩t領(lǐng)域能更好發(fā)揮技術(shù)特色。

表1 低氮燃燒技術(shù)評價指標(biāo)清單信息Table 1 Indicators inventory of low NOx combustion technology evaluation

煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)最佳，主要是因為該技術(shù)應(yīng)用無運(yùn)營成本且具有一定的改造補(bǔ)貼，該技術(shù)也被相關(guān)研究認(rèn)定是一種可實現(xiàn)不增加成本、空間，通過技術(shù)本身降低NOx排放的燃燒技術(shù)。燃料分級燃燒+煙氣再循環(huán)與水冷預(yù)混燃燒技術(shù)差別較小，其中水冷預(yù)混燃燒技術(shù)雖然投資高，但有投資回報和改造補(bǔ)貼，而燃料分級燃燒+煙氣再循環(huán)技術(shù)沒有運(yùn)營成本且投資低，因此綜合表現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)效益相對較高的狀態(tài)。空氣分級燃燒技術(shù)對經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生不利的影響最高，該技術(shù)改造期間未獲得補(bǔ)貼，同時在燃?xì)夤I(yè)鍋爐中應(yīng)用較少。環(huán)境影響的指標(biāo)權(quán)重較低，但社會關(guān)注度較高。環(huán)境影響方面，煙氣內(nèi)循環(huán)對NOx的減排有限，通常需要跟其他低氮燃燒技術(shù)相結(jié)合，因此環(huán)境影響方面表現(xiàn)較差[16]。貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)本身能使NOx降到較低水平，因此對NOx具有較大的減排潛力，環(huán)境影響綜合表現(xiàn)最好。資源能源、社會影響的指標(biāo)權(quán)重相對較低，暫不進(jìn)行詳細(xì)分析。

最終，煙氣內(nèi)循環(huán)、燃料分級燃燒+煙氣再循環(huán)、空氣分級燃燒、水冷預(yù)混燃燒、貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)的綜合評分分別為0.285 48、0.346 28、0.286 69、0.323 67、0.336 72，其中燃料分級燃燒+煙氣再循環(huán)技術(shù)成為最佳選擇技術(shù)，對比該領(lǐng)域現(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)推廣情況和發(fā)展趨勢發(fā)現(xiàn)，本研究最佳選擇技術(shù)與目前多項研究推薦的技術(shù)一致。貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)排列第二，且具有最低環(huán)境影響及最佳社會影響。

表2 燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)評價指標(biāo)權(quán)重Table 2 Weight of evaluation indicators of low NOx combustion technology for gas industrial boiler

圖1 一級指標(biāo)綜合評價結(jié)果Fig.1 The evaluation results of the primary indicators

3 結(jié) 語

(1) 應(yīng)用耦合LCA的綜合評價方法，開展中小型燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)綜合評價。燃料分級燃燒+煙氣再循環(huán)技術(shù)的綜合評分最高；貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)排列第二，且具有最低環(huán)境影響及最佳社會影響；煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)具有最佳經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 本研究的燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)評價過程可作為不同空氣污染控制技術(shù)評價研究的參考。本研究所建立的指標(biāo)體系和評價模型，可以應(yīng)用于其他大氣污染防治技術(shù)的綜合評價。