上海“提標改造（低氮改造）示范”項目某工程實施案例技術分析

李 宇 魏玉劍 蘇 毅＊ 林 欣 揭 濤 閆玉強 魏 巍

1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所 2.上海市能效中心 3.上海工業鍋爐研究所

關鍵字：提標改造示范；低氮燃氣燃燒；煙氣在線測量；煙氣再循環

前言

自2017年始，由上海市能效中心牽頭，組織相關政府職能部門、研發機構及設備生產單位共同就《上海市低氮排放標準》進行全面細致的調查研究，于2018年6月份頒布了上海市地方標準《DB31/387-2018鍋爐大氣污染物排放標準》。《新標準》要求以天然氣為燃料、單臺出力65t/h以下的蒸汽鍋爐、熱水鍋爐及有機熱載體鍋爐的氮氧化物排放水平不高于50mg/Nm3。

在該標準確定之前，上海市能效中心組織各相關單位開展了低氮燃燒器（燃油、燃氣）研發項目、低氮鍋爐研發試驗項目及低燒改造示范工程項目，以期從切實可靠的低氮燃燒技術研發成果和工程實施案例中取得可靠的標準制定依據，并在符合上海市當前經濟發展和環保現狀的基礎上確定適宜的《氮氧化物排放標準》。

《低氮排放標準》擬定過程中，先后展開了兩個階段的示范工作。第一階段，2017年1月～2017年12月，低氮改造示范項目啟動。該階段由上海市科學技術委員會科研計劃項目（項目名稱：工業鍋爐氮氧貨物排放控制關鍵技術與示范）的子課題承擔單位：上海市能效中心、中國船舶重工集團公司第七一一研究所（以下簡稱“七一一所”）、上海工業鍋爐研究所（以下簡稱“工鍋所”）、上海市環境科學研究院大氣研究所、同濟大學、江蘇雙良鍋爐公司先行進行低氮改造示范工程項目的執行，為后續的實施提供數據支撐。第二階段，2018年1月～2018年12月，在第一階段成功實施的經驗及新標準頒布基礎上，全市范圍內進一步推進低氮改造示范工程項目，該階段由上海市能效中心統籌部署，推動“在用中小燃油燃氣鍋爐提標改造（低氮改造）示范項目征選活動”，搭建了鍋爐使用單位、改造服務企業及相關第三方環保檢驗檢測機構的對接平臺。并在第二階段提標改造（低氮改造）過程中，落實低氮改造補貼政策的制定，為2019年～2020年期間上海地區所有在用中小鍋爐低氮改造提供重要的推力。

1 工程案例情況簡介

1.1 背景情況簡介

在第一階段，為響應上海市能效中心、上海青浦環保局的低氮改造示范項目的需求，相關鍋爐使用單位積極配合參與了提標改造示范項目的活動。其中，威盛亞（上海）有限公司積極與七一一所、工鍋所簽訂了一臺10t/h蒸汽鍋爐的低氮改造項目。

該項目中，七一一所負責低氮燃氣燃燒器的設計供貨及鍋爐改造，以實現低于30mg/Nm3的NOx排放為最終目的。工鍋所負責鍋爐尾部煙氣在線監測系統的設計供貨及鍋爐改造，以監測并上傳煙氣中各污染物的排放數值。整個項目由七一一所總承包執行，七一一所長期從事與燃料燃燒相關的裝備設計研發與供貨工作，在2016年年底前主要從事化工領域內燃用復雜組分燃料的低氮燃燒器研發設計供貨的項目，自2017年始響應市場的需求，開始研發適用于中小工業鍋爐的低氮燃燒器。

1.2 設備情況簡介

威盛亞（上海）有限公司的10t/h蒸汽鍋爐由上海四方鍋爐廠生產，型號為SZS10-2.5-QT，鍋爐效率為90%。原配一臺燃油燃燒器，型號為SAACKE-SKVG80，該燃油燃燒器經改造后為燃氣燃燒器，功率為7.7MW。

該SAACKE-SKVG80燃氣燃燒器的污染物排放值NOx不達標，超過DB31/387-2014所規定的150mg/Nm3，其余污染物參數在排放限值之內。因污染物NOx排放不達標，威盛亞（上海）有限公司曾進入上海青浦區環保局重點關注名單，要求其及時整改。

2 提標改造實施情況

2.1 低氮改造措施

2.1.1 低氮燃燒技術機理

依據當前的主流研究成果，NOx主要有3種生成機制：燃料型NOx、快速型NOx、熱力型NOx。

其中，燃料型NOx來源于燃料中的N元素在燃燒過程中與O2反應生成的NOx；快速型NOx的主要來源是氣相中存在的碳氫離子基團與N2相互碰撞后直接生成含N化學組分（XN），而部分XN組分則會在N遷移轉化機制中與O2生成NOx；熱力型NOx則主要是在高溫情況下，空氣中的N2與O2反應生成NOx，該反應機制稱為Zeldovich機理，根據研究工作的需要，一般分為簡化的和擴展的Zeldovich機理，下述反應模型為擴展的Zeldovich機理。

在清潔優質的天然氣燃燒過程中，NOx主要來源于熱力型NOx，與溫度呈指數相關性，在1 100℃以上，熱力型NOx會急速上升。因此，當前低氮燃氣燃燒器最主要的低氮燃燒措施之一是降低煙氣溫度[1-4]。

在具體實施過程中，則是通過火焰分割、燃料分級、空氣分級、煙氣再循環等諸多方式的組合以避免產生火焰高溫區[5]。

2.1.2 低氮燃燒器技術方案

根據現場實際情況及業主的定制需求，七一一所提供整套采用煙氣再循環的低氮燃氣燃燒器（型號：齊耀-LTG100-FGR），其包含一套燃氣閥組、風機、伺服電機、燃燒控制系統。整套系統由某國際品牌電子空燃比程序控制器驅動，并與現場原有燃氣切斷閥和調節閥配合成為完整的系統。

煙氣再循環低氮燃氣燃燒器技術方案如下:采用一臺風機從空氣中抽吸新鮮空氣，并利用風機前的負壓從爐膛尾部排煙管道抽吸排放煙氣，二者在風機處進行充分混合后鼓入燃燒器。燃氣通過燃燒器頭部環形分布的燃氣噴嘴注入爐膛。燃燒頭部采用中心穩焰盤結構，燃氣經由噴嘴結構使一部分燃氣在中心穩焰盤處維持點火火源，大部分燃氣沿徑向方向噴入爐膛，與空氣延遲混合從而避免產生火焰高溫區。同時，在保持全負荷范圍火焰穩定的情況下，選擇較高的空氣風速，使燃氣的燃燒空間范圍更廣。

2.1.3 煙氣在線分析測試方案

該項目中，上海工業鍋爐研究所承擔了煙氣在線分析測試裝置的研發。

煙氣在線分析測試裝置包括煙氣預處理裝置、NOx檢測儀、氧量測量裝置、溫度測量裝置、信號處理單元和信號輸出單元、GPRS遠程數據傳送功能。裝置通過NOx檢測儀檢測煙氣中NOx濃度并傳輸信號至控制系統，當濃度值超過設定值時會發送報警信號至鍋爐控制系統，鍋爐控制人員根據報警信號及測量數據對燃燒工況進行調節，實現對NOx排放濃度實時監測并人為控制。此外，通過氧量測量裝置監控排放煙氣的含氧量，通過溫度測量裝置測量排煙溫度，以上所得信號參數傳送至信號處理單元。信號處理單元中的可編程控制器（PLC）植入根據TSG G0003—2010《業鍋爐能效測試與評價規則》中編制的數學模型，進而計算出相關參數，如鍋爐熱效率、過量空氣系數、排煙熱損失、NOx測量值及折算值等參數。

煙氣在線分析測試系統的主界面如圖1所示。

圖1 鍋爐排放煙氣在線分析測試系統主界面。

2.2 低氮改造結果

2.2.1 相關污染物排放

七一一所提供的齊耀-LTG100-FGR型燃氣燃燒器于2017年11月份進場安裝，先后進行了兩輪調試。第一輪為燃燒器原廠狀態下投運煙氣再循環時的運行，其結果已滿足所簽訂合同中對NOx排放值低于50 mg/Nm3的需求。為進一步發掘該型燃燒器的低氮排放能力，增加了循環煙氣（Flue Gas Recycled，FGR）的百分比，然而在長期運行過程中會偶發燃燒不穩定導致的爐膛內壓力波動現象。為此，七一一所對燃燒器進行了局部結構改進，強化了中心穩焰盤的穩焰能力。燃燒器原廠狀態與改進狀態的污染物典型排放結果見表1。從表1所示數據可知，在增加了FGR百分比和強化了中心穩焰盤的穩焰能力后，NOx的排放值能穩定在30 mg/Nm3以下。

表1 齊耀-LTG100-FGR低氮燃氣燃燒器污染物排放表

2.2.2 煙氣在線分析測試概況

煙氣在線分析測試裝置在研發過程中攻克了諸多工程應用難點：（1）各傳感器對煙氣若干組分瞬時濃度值響應曲線不同所帶來的參數計算誤差；（2）煙氣預處理過程對煙氣組分變化造成的影響；（3）傳感器在長期運行中受其它因素影響帶來的基準漂移；（4）不同濃度值范圍內的測量誤差補償修正問題等。最終，通過逐步解決各項問題，得到了一套滿足工程現場復雜環境下的成功解決方案。

3 小結

由七一一所主導執行的該低氮改造示范項目的成功實施，為上海市能效中心的后續工作提供了有力的技術數據及政策制定的基礎，也為環保局監控環保政策執行情況提供了有力的技術支撐，對上海地區的中小鍋爐提標改造（低氮改造）工作起到很好的借鑒作用。