工業(yè)鍋爐氮氧化物在線監(jiān)測參數及安全性的研究

張艷偉 林欣 李夢娜

摘 要：本文主要以工業(yè)鍋爐煙氣中氮氧化物在線監(jiān)測為討論對象，分析了工業(yè)鍋爐中氮氧化物的生成機理和影響氮氧化物排放量的參數，根據各參數的監(jiān)測方法確定了氮氧化物在線監(jiān)測系統(tǒng)應同時監(jiān)測煙氣中的氧量、排煙溫度；本文還對監(jiān)測系統(tǒng)的安全性的影響因素進行了分析，提出了安全監(jiān)測的建議和措施。

關鍵詞：氮氧化物；在線監(jiān)測參數；安全性

氮氧化物（NOx）是形成酸雨、破壞大氣環(huán)境的主要污染物，對人體健康和動植物生長有直接的危害[1]；另外空氣中的NOx 經過復雜的化學反應會導致PM2.5與O3含量的增加，使空氣的質量下降，因此NOx減排是改善PM2.5與O3污染的重要途徑。工業(yè)鍋爐是我國重要熱能動力設備[2]，它既是耗能大戶，也是污染排放大戶，工業(yè)鍋爐氮氧化物排放9%[3]。

新建鍋爐安裝調試時，環(huán)保排放達標，但隨著鍋爐運行時間的增長，機械的老化等各種因素都會使燃燒狀態(tài)發(fā)生變化，排放值就會變化。以上海為例，根據《2016 年上海市工業(yè)鍋爐大氣污染物排放清單》可知，氮氧化物是燃油、燃氣鍋爐超標的主要因素，因此要將控制氮氧化物的排放作為重點。而現有的燃燒器及鍋爐控制系統(tǒng)都不具有NOx的檢測點，更不參與鍋爐控制調節(jié)。政府部門、鍋爐用戶對真實的NOx排放數據不能實時的監(jiān)控，所以實現氮氧化物的在線監(jiān)測是非常有必要的。在NOx的監(jiān)測過程中，不同的鍋爐燃燒工況，所檢測到NOx的濃度不相同，煙氣中的氧量、排煙溫度等因素對NOx的濃度有重要的影響。本文以工業(yè)鍋爐氮氧化物在線監(jiān)測參數及安全性為討論對象，研究影響氮氧化物在線監(jiān)測參數以及如何提高監(jiān)測的安全性。

1.氮氧化物（NOx）生成機理

燃料燃燒過程中N元素與空氣中的O2生成的氮氧化物主要是NO和N02，兩者統(tǒng)稱為NOx[4]。燃料燃燒過程中，根據N的來源和生成路徑不同，NOx可分為以下三種： 熱力型NOx，快速型NOx，燃料型NOx，對于燃煤的工業(yè)鍋爐三種類型的NOx都存在且燃料型NOx占大部分；對于燃氣、燃油的工業(yè)鍋爐，由于燃料中N元素含量較少，所以熱力型NOx占大部分。

熱力型NOx主要由空氣中N2與O2高溫環(huán)境發(fā)生氧化反應下生成的，研究表明，在溫度高于1800K時，熱力型NOx才大量生成 [5]。快速型NOx[6]主要在富燃料缺氧條件下生成，當鍋爐中過量空氣系數a

燃燒過程中產生的三種NOx中，熱力型NOx約占NOx生成總量的15～20%，快速型NOx約占0～5%，燃料型NOx約占75～80%[9]。因此，應將影響熱力型NOx和燃料型NOx生成的因素作為研究重點。

研究表明，燃燒溫度T、氧量O2、煤中氮元素的含量、燃料比FC/V、過量空氣系數a和停留時間，是影響NOx生成的6個相關的參數；對于燃油燃氣的工業(yè)鍋爐來說，燃燒溫度T、氧量O2、過量空氣系數a和燃料停留時間是影響NOx生成主要的參數 [10]。

鍋爐中PM2.5主要由兩種污染物組成：一是煙氣中漂浮的微小顆粒物；二是煙氣中漂浮的細微的膠體，這種膠體是由NOx溶于煙氣中的水霧經光線的照射生成。燃煤鍋爐每立方米煙氣含水汽約4%，燃氣鍋爐每立方米煙氣含水汽約17%，因此，燃氣鍋爐煙氣中NOx溶于水霧中的幾率遠大于燃煤鍋爐。特別是燃天然氣冷凝式鍋爐，由于排煙溫度較低，煙氣中部分水汽已經冷凝成水霧隨煙氣一起排入大氣中，這更大大增加了NOx溶于水霧中的幾率，也增加了PM2.5的生成量[11]，所以排煙溫度也是對NOx監(jiān)測的一個重要的參數。

燃燒溫度和停留時間通過鍋爐的控制系統(tǒng)可以監(jiān)測，所以在工業(yè)鍋爐尾部煙氣的NOx的監(jiān)測系統(tǒng)中，只需監(jiān)測煙氣氧量、排煙溫度和NOx的濃度即可。

2.各種參數對氮氧化物排放的影響

2.1 煙氣氧量的影響

實際空氣供給量與燃料燃燒所需的理論空氣需求量的比值稱為過量空氣系數。燃料的燃燒過程實際上是燃料中的可燃成分（C、H等）與氧氣發(fā)生反應的過程。在燃料燃燒的過程中必須使進入鍋爐的空氣量與燃料量保持一個最佳比例若過量空氣系數大，產生的煙氣量較多，大量的煙氣帶走較多的熱量，使爐膛的溫度降低，不但會影響燃燒，還會增加排煙熱損失和煙塵量：若過量空氣系數太小，由于氧氣的量不足，則燃料不能充分燃燒，則化學未完全燃燒損失就大。因此檢測煙氣中氧氣的含量對工業(yè)鍋爐控制燃燒、實現安全、高效、低污染排放等方面是很重要的。為了使鍋爐保持最佳燃燒工況，必須使進入鍋爐的空氣量與燃料量的比例合適。

由于空氣中含有多種成分，對于過量空氣系數測量方法過于復雜，所以目前只能通過間接測量法來計算過量空氣系數：經研究發(fā)量空氣系數的計算公式為ɑ≈21/（21-O2），由公式可見過量空氣系數與煙氣中氧氣含量有確定（單值）的變化關系，且與受燃料性質幾乎沒有關系，所以通常采用的監(jiān)測過剩空氣系數的方法是連續(xù)測量干煙氣中氧氣含量，由此來判斷燃料及爐膛的燃燒狀況，控制進入爐膛的空氣量，維持最佳燃料與風量的比例，實現優(yōu)化燃燒，既能節(jié)約能源又能減少環(huán)境污染。另一方面，隨著國家對環(huán)境保護力度的不斷加大及環(huán)保法規(guī)的要求越來越嚴格，污染物排放量的控制也日益嚴格和科學化，這就對在線監(jiān)測系統(tǒng)測量鍋爐排放煙氣中的污染物含量的準確性要求越來越高。

在環(huán)境保護監(jiān)測方面，不同的燃燒工況下測得的污染物的濃度是不同的，當過量空氣系數較大時測得的污染物的濃度較低，但是這種工況下煙氣的排放量增加，鍋爐的效率下降，不能達到節(jié)能的效果，所以需要規(guī)定一個基準氧含量，由于各工業(yè)燃燒工藝對氧量的需求不同，所以規(guī)定的氧基準通常就是以剛好充分燃燒時的排放濃度為準，實測的排放物的濃度必須這算為基準氧含量濃度，經過折算后，能夠標準化污染物的排放值，使數值具有可比性。測得排放污染氣體中氧含量，檢測排放的氣體污染物濃度是否超過規(guī)定的排放濃度，然后計算折算濃度，比較折算后的濃度是否高于國家環(huán)保規(guī)定中的排放濃度。

由以上可見，鍋爐煙氣中的含氧量對NOx的濃度的折算具有關鍵的作用，因此在監(jiān)測鍋爐煙氣的NOx的濃度的同時必需對煙氣中的含氧量進行監(jiān)測。

2.2 排煙溫度的影響

排煙溫度是排煙熱損失的主要決定因素，排煙溫度越高，排煙熱損失越大，排煙熱損失是鍋爐的主要熱損失之一。因此，排煙溫度的高低，對鍋爐熱效率有直接影響，一般排煙溫度如降低12～15℃，可減少排煙熱損失1%。因為降低排煙溫度能夠減少排煙熱損失，提高鍋爐熱效率，所以在鍋爐運行中，用戶希望排煙溫度越低越好，但是當排煙溫度降低到一定程度時，煙氣中的水汽會冷凝成水霧，煙氣中的NOx會溶于煙氣中的水霧經太陽的照射生成細微的膠體，這種膠體隨煙氣一起排入大氣中，就增加了PM2.5的生成量，而且還會對尾部煙道造成低溫腐蝕。排煙溫度對NOx的排放濃度有比較重要的影響，同時排煙溫度也反映鍋爐的運行狀況，因此在監(jiān)測鍋爐煙氣的NOx的濃度的同時必需對排煙溫度進行監(jiān)測。

3.各參數的監(jiān)測方法

3.1 氮氧化物測量方法

現在市場上監(jiān)測NOx設備主要是根據傳統(tǒng)的NOx的方法化學發(fā)光法、色譜法等制造出來的，雖然這類方法靈敏度高、檢出限低，但是檢測裝置復雜，體積龐大、價格昂貴，不能實現NOx的現場連續(xù)監(jiān)測[12]。根據現場對NOx檢測的要求，經過篩選發(fā)現NOx化學傳感器檢測方法具有靈敏度高、簡便、快捷、攜帶方便的優(yōu)點，可以滿足對NOx現場連續(xù)監(jiān)測的要求。根據測量原理和傳感器的結構的不同，NOx化學傳感器主要有聲波表面NOx化學傳感器、NOx光纖化學傳感器、半導體NOx化學傳感器、NOx電化學傳感器。NOx電化學傳感器是利用NOx氣體分子在傳感器的敏感電極上發(fā)生電化學反應從而導致敏感材料電學性質發(fā)生改變而產生電信號來工作的。現在工業(yè)鍋爐的監(jiān)測系統(tǒng)中常用的NOx傳感器為電化學傳感器，因為電化學傳感器具有不易受其他物質干擾、結構簡單、成本較低、攜帶方便、可實現現場連續(xù)實時監(jiān)測等優(yōu)點。

3.2 煙氣中的氧量測量方法

在工業(yè)生產過程中，根據測量的原理和制備方法不同氧含量的檢測傳感器大致可分為兩大類。一類是根據電化學法制成的電化學傳感器，如利用原電池法、固體電解質法和極譜法等方法制備成的傳感器，另一類是利用物理法制成，如熱磁式、磁力機械式等類型的傳感器。氧氣電化學傳感器主要有熱磁氧式氧量傳感器和氧化鋯氧量傳感器[13]，鍋爐控制系統(tǒng)要求氧傳感器對煙氣中氧含量的監(jiān)測和控制都具有準確、穩(wěn)定、響應迅速的特點，并滿足氧傳感器的使用壽命長的要求。熱磁氧式氧量傳感器雖然具有結構原理簡單、制造成本低和易于操作等優(yōu)點，但是由于其響應時間長、測量可重復性差、測量環(huán)室對煙氣凈化程度要求高和熱敏原件腐蝕等缺點，氧化鋯煙氣傳感器具有結構和采樣預處理系統(tǒng)結構較簡單、檢出限低和分辨率高、測量范圍寬、響應時間短等優(yōu)點，所以現在工業(yè)鍋爐煙氣氧量的測量一般采用氧化鋯氧量傳感器。

3.3 排煙溫度的測量方法

熱電偶溫度計不僅結構簡單、制作方便，而且測溫范圍廣（-200-2000℃），靈敏度準確度高（可達0.001℃），熱容量小，響應速度快，可用于微區(qū)測量，并廣泛應用與實時測溫和監(jiān)控系統(tǒng)。由于鍋爐尾部煙氣的溫度不是特別高，所以利用熱電偶溫度計可測排煙溫度。

4監(jiān)測安全性

4.1 監(jiān)測安全的必要性

工業(yè)鍋爐是利用燃料燃燒釋放的熱能或其他來源的熱能，將水或其他工質（如有機熱載體等）加熱以生產規(guī)定參數（溫度，壓力）和品質的蒸汽、熱水或其他工質的設備，用于工業(yè)生產和/或民用工業(yè)鍋爐是工業(yè)作業(yè)以及群眾日常生活中不可缺少的熱力供應工具，在燃料燃燒的過程中，燃料和燃燒空氣中含有對人體和環(huán)境有害的物質，所以工業(yè)鍋爐使用過程中也會產生大量的污染物，這些污染物對生態(tài)環(huán)境的破壞也日益嚴重。工業(yè)鍋爐是具有爆炸危險的特殊設備，工業(yè)鍋爐在高溫環(huán)境下運行，同時由受到煙氣和工質中的有害物質的侵蝕和飛灰的磨損，如果安全管理不嚴，使用不當，輕則停爐影響生產，重則發(fā)生爆炸，造成人員傷亡和財產損失，所以工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)要對鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、供水溫度、回水溫度、高低水位、火焰顯示、給水硬度、運行信號等進行實時連續(xù)監(jiān)測，以確保工業(yè)鍋爐運行的安全性。

氮氧化物是工業(yè)鍋爐排放的一種含氮污染物，在對氮氧化物的監(jiān)管中，監(jiān)測系統(tǒng)的安全性也極為重要，本文所討論的氮氧化物在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅監(jiān)測氮氧化物的排放量，而且還對煙氣中的氧量及排煙溫度進行監(jiān)測，上述參數不僅可以用于指導燃燒控制可以通過這些參數的異常變化，預警鍋爐燃燒的異常，再通過現場鍋爐燃燒情況了解，及時發(fā)現鍋爐燃燒中存在問題和隱患，如排煙溫度逐漸升高，判斷煙管結焦等等，所以監(jiān)測系統(tǒng)的安全運行是很有必要的。

4.2 安全監(jiān)測的實現

氮氧化物監(jiān)測系統(tǒng)安全監(jiān)測的實現主要決定因素是：信息傳遞是否失真，是否準確、各項數據是否能夠測量準確、安全傳遞和儲存。監(jiān)測數據的準確性是安全監(jiān)測的關鍵因素。如何做到做到準確監(jiān)測，一般實際應用中主要注意幾個方面：1）煙氣的前處理，煙氣的中含有灰塵、溫度較高需要對煙氣進行凈化冷凝處理，使煙氣的溫度不查過測量儀器的最高溫度，定期對測量儀器進行校準，并檢查響應時間 （2）對煙氣的流量進行測量，反復測試使煙氣的流量符合測量儀器的量程，定期對測量儀器進行線性誤差測試，必須符合規(guī)定要求；（3）定期利用校準儀器進行對比測量，保證測量儀器測得的數值誤差符合規(guī)定范圍； （4）必須使用有效期內的標準物質。第二，要保證所采集分析樣氣是排放的工業(yè)鍋爐煙氣，那就必須做到以下幾點：（1）不超過3個月更換一次傳感器慮芯；（2）每天放空空氣壓縮機內冷凝水；（3）保證樣氣氣路不漏氣，即不能混進空氣或別的氣體；（4）保證采樣泵采集到的氣體是樣氣。

5 結論

本文對根據工業(yè)鍋爐燃燒過程中氮氧化物產生的機理對影響氮氧化物生成的參數進行了研究，據本文分析發(fā)現燃燒溫度、氧量、過量空氣系數、排煙溫度是影響NOx排放濃度的重要參數，因此在工業(yè)鍋爐氮氧化物在線監(jiān)測的系統(tǒng)中，需要同時監(jiān)測煙氣中的氧量和排煙溫度。信息傳遞是否失真，是否準確、各項數據能夠測量準確、安全傳遞和儲存是監(jiān)測系統(tǒng)能否安全運行的重要影響因素。

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作者簡介：

張艷偉，出生年月：1984.09，性別：女，民族：漢，籍貫（精確到市）：山東省菏澤市，當前職務：設計師，當前職稱：中級工程師，學歷：研究生，研究方向：鍋爐燃燒及監(jiān)控系統(tǒng).