中小型燃氣鍋爐低氮改造及排放控製的幾種解決方案

　　一、低氮燃燒的必要性

　　減少NOx排放是改善環境空氣質量的需要近年來的監測數據表明，典型特征汙染物PM2.5出現較大超標比例和區域性長時間嚴(yan) 重超標情況，改善環境空氣質量麵臨(lin) 巨大挑戰。

　　國內(nei) 外研究和治理經驗表明，控製區域性PM2.5汙染是一項難度非常大的係統工程，必須在綜合分析基礎上，提出有針對性的控製對策，才能有效緩解區域PM2.5汙染。PM2.5包括一次排放和二次生成粒子兩(liang) 部分，以北京為(wei) 例，二次粒子比例較高，特別是重汙染時段PM2.5中二次粒子比例較常規時段明顯增加。有觀測數據表明，重汙染發生時PM2.5與(yu) NOx的環境質量濃度變化呈現強相關(guan) 、同步變化的特征。此外，NOx是PM2.5形成的重要前體(ti) 物。因此，減少NOx排放是改善空氣環境質量的重要任務之一。

　　二、國內外燃氣工業鍋爐NOx控製技術現狀

　　現有低NOx燃燒技術主要圍繞如何降低燃燒溫度，減少熱力型NOx生成開展的，主要技術包括分級燃燒、預混燃燒、煙氣再循環、多孔介質催化燃燒和無焰燃燒。

　　(1)燃料分級燃燒或空氣分級燃燒

　　熱力型NOx生成很大程度上取決(jue) 於(yu) 燃燒溫度。燃燒溫度在當量比為(wei) 1的情況下達到高，在貧燃或者富燃的情況下進行燃燒，燃燒溫度會(hui) 下降很多。運用該原理開發出了分級燃燒技術。

　　空氣分級燃燒級是富燃料燃燒，在第二級加入過量空氣，為(wei) 貧燃燃燒，兩(liang) 級之間加入空氣冷卻以保證燃燒溫度不至於(yu) 太高。燃料分級燃燒與(yu) 空氣分級燃燒正好相反，級為(wei) 燃料稀相燃燒，而在第二級加入燃料使得當量比達到要求的數值。這兩(liang) 種方法終將會(hui) 使整個(ge) 係統的過量空氣係數保持一個(ge) 定值，為(wei) 目前普遍采用的低氮燃燒控製技術。

　　(2)貧燃預混燃燒技術

　　預混燃燒是指在混合物點燃之前燃料與(yu) 氧化劑在分子層麵上*混合。對於(yu) 控製NOx的生成，這項技術的優(you) 點是可以通過當量比的*控製實現對燃燒溫度的控製，從(cong) 而降低熱力型NOx生成速率，在有些情況下，預混燃燒和部分預混可比非預混燃燒減少85%—90%的NOx生成。另外，*預混還可以減少因過量空氣係數不均勻性所導致的對NOx生成控製的降低。但是，預混燃燒技術在安全性控製上仍存在未解決(jue) 的技術難點：一是預混氣體(ti) 由於(yu) 其高度可燃性可能會(hui) 導致回火；二是過高的過量空氣係數會(hui) 導致排煙損失的增加，降低了鍋爐熱效率。

　　(3)外部煙氣再循環和內(nei) 部煙氣再循環技術

　　燃燒溫度的降低可以通過在火焰區域加入煙氣來實現，加入的煙氣吸熱從(cong) 而降低了燃燒溫度。通過將煙氣的燃燒產(chan) 物加入到燃燒區域內(nei) ，不僅(jin) 降低了燃燒溫度，減少了NOx生成；同時加入的煙氣降低了氧氣的分壓，這將減弱氧氣與(yu) 氮氣生成熱力型NOx的過程，從(cong) 而減少NOx的生成。根據應用原理的不同，煙氣再循環有兩(liang) 種應用方式，分別為(wei) 外部煙氣再循環與(yu) 內(nei) 部煙氣再循環。

　　對於(yu) 外部煙氣再循環技術來說，煙氣從(cong) 鍋爐的出口通過一個(ge) 外部管道，重新加入到爐膛內(nei) 。根據研究，外部煙氣再循環可以減少70%的NOx生成。外循環比例對NOx控製效果也有較大影響，隨著外循環比例的增加NOx降低幅度也更加明顯，但循環風機電耗也將增加。

　　對於(yu) 內(nei) 部煙氣再循環，煙氣回流到燃燒區域主要通過燃燒器的氣體(ti) 動力學。內(nei) 部煙氣再循環主要通過高速噴射火焰的卷吸作用或者旋流燃燒器使得氣流產(chan) 生旋轉達到循環效果。

　　通過運用一個(ge) 旋流器或者切向氣流進口來生成一個(ge) 有切向速度的氣流，旋轉過程即產(chan) 生了渦流。渦流的強度可以用一個(ge) 無量綱數旋流度S表示。當旋流度超過0.6，氣流中將會(hui) 產(chan) 生足夠的徑向和軸向壓力梯度，這會(hui) 導致氣流反轉，在火焰中心產(chan) 生一個(ge) 環形的再循環區域。中心再循環區域的高溫氣體(ti) 將回到燃燒器喉部，這確保了對冷的未燃燒氣體(ti) 的點火，同時通過降低火焰溫度和降低氧氣分壓減少NOx生成。

　　(4)多孔介質催化燃燒

　　降低火焰溫度的另一個(ge) 辦法就是盡可能快和多的加強火焰對外的傳(chuan) 熱。在燃燒器內(nei) 增加了多孔介質(PIM)，使得燃燒反應發生在多孔介質內(nei) ，這樣從(cong) 燃燒器到周圍環境的輻射和對流換熱就被加強了。實驗表明，使用PIM燃燒器的燃燒溫度低於(yu) 1600K，NOx生成量在5-20ppm左右。

　　PIM燃燒器還可以在燃燒器入口處添加催化劑，這樣燃料分子和氧化劑分子就會(hui) 以一個(ge) 比較低的活化能在催化劑表麵進行反應。這樣反應溫度相比於(yu) 同類的燃燒要更低。由於(yu) 反應過程隻在催化劑表麵進行，不會(hui) 產(chan) 生NOx，這樣催化燃燒的NOx生成可以降至1ppm。催化燃燒的缺點就是必須保證活性表麵在一個(ge) 比較低的溫度下不被氧化或蒸發，且催化劑造價(jia) 相對較高，難以得到工業(ye) 化應用。

　　(5)無焰燃燒

　　傳(chuan) 統的火焰燃燒分為(wei) 預混燃燒和擴散燃燒，其主要特點包括：①燃料與(yu) 氧化劑在高溫下反應，溫度越高越有助於(yu) 火焰的穩定；②火焰麵可視(甲烷燃燒的火焰一般為(wei) 藍色，有碳煙產(chan) 生時為(wei) 黃色)；③大多數燃料在很薄的火焰層內(nei) 完成燃燒，但是燃燒反應會(hui) 在下遊的不可見的區域內(nei) 完成。

　　為(wei) 了建立一個(ge) 火焰，燃料與(yu) 氧化劑之比必須在可燃極限之內(nei) ，同時需要點火裝置。一般情況下，火焰在點燃以後一般自己充當點火器，對來流進行點火。這就需要足夠高的火焰溫度來達到小點火能量，但是高的火焰溫度會(hui) 使得NOx生成增加。

　　經研究，在爐內(nei) 溫度為(wei) 1000℃，空氣預熱到650℃的情況下，燃料在無焰的情況下燃燒，一氧化碳低於(yu) 1ppm，NOx接近於(yu) *。

　　為(wei) 了穩定火焰，可視的燃燒過程需要在燃燒後產(chan) 生很強的煙氣回流；對於(yu) 無焰燃燒，煙氣回流發生在燃燒之前，甚至可能在燃燒器當中，這樣再循環的煙氣加熱了預混的燃料，降低了爐膛溫度，擴大了反應區域。

　　無焰燃燒火焰分布均勻，燃燒溫度低，同時羥基生成少，這使得NOx產(chan) 生更少。無焰燃燒需要以下條件：①分別射入高動量的空氣和燃料流；②大量內(nei) 部的或者外部的高溫燃燒產(chan) 物循環；③熱量的快速移除，以保證爐膛內(nei) 各處均未達到絕熱火焰溫度。無焰燃燒不需要傳(chuan) 統的穩燃裝置或條件(比如強渦)。

　　三、NOx超低排放監測的可行性與市場前景

　　NOx生成機理比較複雜，大致可以認為(wei) 是由氮氣與(yu) 氧氣在高溫下生成NO，NO與(yu) O2在高溫反應下生成NO2。可見NOx的生成與(yu) O2的濃度有關(guan) ，也與(yu) 火焰溫度有關(guan) 。減少過剩空氣量，則O2濃度變小，火焰溫度降低，NOx生成量下降。如果過剩空氣量增加，雖然O2濃度增高有利於(yu) NOx的生成，但由於(yu) 燃燒溫度降低，總的結果是NOx生成量減少。因此，過剩空氣係數為(wei) 某一值時（與(yu) 燃氣熱值、燃燒器等因素有關(guan) ），NOx的生成量高，增大或減少過剩空氣係數，NOx的生成量都會(hui) 減少。由此可見，通過實時監測NOx含量，判斷NOx是否超標，再適當增大或減少過剩空氣量，就可以減少NOx的生成，從(cong) 而降低煙氣中的NOx含量。

　　由於(yu) 目前部分地區現行的NOx含量限值均低於(yu) 國家標準，甚至更低，現行國家標準與(yu) 地方標準對比及發布現狀見表1；並出台了相應的中小型低氮燃氣鍋爐改造工作方案、要求及補貼標準，為(wei) 低氮燃氣鍋爐設計與(yu) 改造市場提供了重大的發展契機，也使得NOx超低排放監測技術成為(wei) 未來中小型燃氣鍋爐排放監測市場的開發熱點。

單位：mg/m³

表1.現行NOx排放國家標準與(yu) 地方標準對比

　　針對中小型低氮燃氣鍋爐的設計、改造與(yu) 應用，銳意自控推出的超低量程在線紫外煙氣分析儀(yi) Gasboard-3000UV、便攜紅外煙氣分析儀(yi) Gasboard-3800Plus及便攜紫外煙氣分析儀(yi) Gasboard-3800UV，可滿足中小型燃氣鍋爐超低氮排放監測的需求。表2為(wei) 煙氣分析儀(yi) NO含量監測的主要參數。

表2.煙氣分析儀(yi) NO含量監測主要參數

　　Gasboard-3000UV結合紫外差分吸收光譜技術及電化學傳(chuan) 感技術，可同時測量SO2、NO、O2等氣體(ti) 的體(ti) 積濃度。對於(yu) 低濃度NO含量監測，Gasboard-3000UV基於(yu) 紫外差分吸收光譜技術，采用*算法，長光程多次回返氣體(ti) 室，避免煙氣中氣態水與(yu) 煙氣采樣流量對NO測量結果的影響，抗幹擾能力強，測量精度高，測量範圍小於(yu) 100mg/m³，可實現中小型低氮燃氣鍋爐低NOx濃度的監測。圖1為(wei) Gasboard-3000UV內(nei) 部結構示意圖。

圖1.Gasboard-3000UV內(nei) 部結構示意圖

　　Gasboard-3800Plus基於(yu) 非分光紅外(NDIR)技術及長壽命電化學(ECD)傳(chuan) 感技術，可同時測量煙氣中SO2、NO、CO、CO2、O2等氣體(ti) 體(ti) 積濃度，以及煙氣溫度、流速等參數，並統計出排放率、排放總量。對於(yu) 低濃度NO含量監測，Gasboard-3800Plus在基於(yu) 微流紅外氣體(ti) 分析技術，有效消除水分冷凝、HC幹擾、測試分辨率等因素對測量結果影響的同時，結合隔半氣室氣路設計，保證被測信號與(yu) 參考信號的強度之比不受溫度、壓力等監測環境影響，漂移小、性能穩定，滿足低濃度NO含量監測的需求。圖2為(wei) 配置預處理裝置的Gasboard-3800Plus。

圖2.配置預處理裝置的Gasboard-3800Plus

　　Gasboard-3800UV基於(yu) 紫外差分吸收光譜技術、非分光紅外(NDIR)技術及長壽命電化學(ECD)傳(chuan) 感技術，可同時測量煙氣中SO2、NO、CO、CO2、O2等氣體(ti) 體(ti) 積濃度，以及煙氣溫度、流速等參數，並統計出排放率、排放總量。對於(yu) 低濃度NO含量監測，Gasboard-3800UV采用DOAS算法，依靠深紫外波段和不同光程作用，無水分吸收，不受水分、粉塵幹擾，被測氣體(ti) 間無交叉幹擾，檢測下限低，分辨率達0.1mg/m³，滿足超低排放監測需求。同時，還可滿足中小型燃氣鍋爐改造驗收及燃氣鍋爐汙染氣體(ti) 排放第三方監測需求。

　　此外，Gasboard-3800Plus與(yu) Gasboard-3800UV分析主機配備一體(ti) 化采樣及伴熱裝置，*便攜式預處理裝置，可確保樣氣滿足儀(yi) 表檢測要求；還可自動計算過量空氣係數和燃燒效率，應用於(yu) 中小型燃氣鍋爐節能監測中。

　　四、結束語

　　隨著“煤改氣”工程建設的加快推進與(yu) 生態環境壓力的加大，中小型燃氣鍋爐低氮改造市場逐漸受到熱捧，也為(wei) NOx超低排放監測市場帶來了較大發展契機，在中小型燃氣鍋爐改造、驗收過程中需采取必要的低氮監測手段，才能將燃氣鍋爐調整到良好運行狀態，實現鍋爐運行效率的大化與(yu) 汙染排放的減量化。

（來源：工業(ye) 過程氣體(ti) 監測技術）