燃氣鍋爐大氣污染物達標排放措施探討

周維權 文釗

（1．西南油氣田公司川東北作業分公司羅家寨生產作業區，四川 達州636164；2．西南油氣田公司川東北作業分公司檢修維中心，四川 達州636164）

1 鍋爐大氣污染物排放標準

為了減少工業鍋爐大氣污染物排放對環境的影響，我國于2014 年7 月1 日開始實施新修訂的GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》（以下簡稱標準），提高了工業鍋爐各項污染物排放控制要求。

標準中規定在用蒸汽鍋爐和熱水鍋爐自2015年10月1日起執行新的大氣污染物排放限值[1]。2014年7月1日之前建設的燃氣鍋爐顆粒物排放濃度≤30 mg/m3,二氧化硫的排放濃度≤100 mg/m3，氮氧化物的排放濃度≤400 mg/m3。在這之后新建的燃氣鍋爐顆粒物排放濃度≤20 mg/m3，二氧化硫排放濃度≤50 mg/m3，氮氧化物排放濃度≤200 mg/m3。

標準發布以后，為了應對更加嚴峻的大氣污染物排放形勢，北京市、上海市、天津市、山東省等省市在國家標準的基礎上進一步修訂了地方標準，收嚴了工業鍋爐大氣污染物排放限值，特別是氮氧化物排放限值，其中以北京市要求最為嚴格。北京市于2015 年5 月發布《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB11/139-2015）要求自2017年4月1起新建的燃氣鍋爐顆粒物排放濃度≤10 mg/m3，二氧化硫排放濃度≤10 mg/m3，氮氧化物排放濃度≤30mg/m3。

2 鍋爐大氣污染物排放濃度計算

為了控制好排污企業有意增大空氣量來稀釋污染物排放濃度的行為，《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271-2014）規定，實測的煙氣鍋爐顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等指標的排放濃度，應折算為基準氧含量排放濃度，公式如下（見圖1）。

3 燃氣鍋爐大氣污染物達標排放措施探討

從圖1的公式可以看出，要實現燃氣鍋爐大氣污染物的達標排放，需要同時做好兩方面的工作。一是要控制煙氣中氧含量的實測值，二是要控制污染物的實測濃度。

圖1 標準規定的污染物排放濃度折算公式

3.1 控制煙氣中氧含量，是燃氣鍋爐大氣污染物達標排放的關鍵

燃氣鍋爐的基準氧含量取3.5%，按照圖1 公式，計算大氣污染物濃度折算倍數（大氣污染物基準氧含量排放濃度與實測的大氣污染物排放濃度之比，也即ρ/ρ′）（見表1）。

表1 大氣污染物濃度折算倍數與氧含量關系

從上表可以看處，當煙氣中實測氧含量值為12.25%時，折算倍數為2；當超過這個值后，折算倍數成指數級曲線增長；當氧含量達到21%時，折算倍數可以達到無窮大，污染物的折算濃度理論上也可能達到無窮大。由此可見，控制煙氣中氧含量是燃氣鍋爐大氣污染物達標排放的關鍵。那么，如何控制煙氣中實測氧含量呢？

3.1.1 精確控制燃燒配風

根據相關數據，鍋爐正常運行時，爐膛負壓應保持在20-30Pa[2]。如果燃燒風機給風量偏大，會造成爐膛內空氣富余，降低鍋爐熱效率，造成煙氣中含塵量和氧含量的增加。所以要使用先進燃燒控制系統，實現鍋爐負荷與燃燒機配風量的精確控制。

3.1.2 減少鍋爐在低負荷區間運行

按規范要求，鍋爐在進行煙塵排放濃度測試時，鍋爐負荷必須在70%以上才能進行。鍋爐在低負荷區間運行，會出現有效燃燒面積不夠，造成大量空氣進入爐膛而未能被充分利用，使煙氣中氧含量增加，同時造成煙氣量增大，鍋爐運行效率降低，污染物排放增多。

3.1.3 避免鍋爐系統漏風和多臺鍋爐共用一臺煙囪及煙氣在線分析儀

鍋爐系統漏風主要包括設備和煙道漏風，根據鍋爐運行經驗，漏風主要發生在火焰觀察孔，引風機擋板、鼓風機擋板關閉不嚴，煙道損壞等情況，多余的空氣進入煙氣中，由于煙囪的抽力，在負壓的作用下，大量的空氣進入煙道，會造成煙氣中氧含量偏高。另外，若幾臺鍋爐共用一個煙囪和煙氣在線分析儀，在鍋爐切換、檢修等情況下，也會有大量空氣從未運行的鍋爐和煙道進入煙囪，造成煙氣氧含量測量偏高。

3.2 降低煙氣中氮氧化物實際排放濃度，是燃氣鍋爐大氣污染物達標排放的根本

燃氣鍋爐使用的燃料為天然氣，排放的煙氣中顆粒物和二氧化硫濃度較低，在合理組織燃燒的情況下上述指標很容易實現達標排放，經常超排的污染物指標是NOX的濃度。

燃燒理論將NOX的生成分為快速型NOX、熱力型NOX和和燃料型NOX，其中燃氣鍋爐生成的氮氧化物中除了少量的快速型NOX，95%屬于熱力型NOX。要降低燃氣鍋爐氮氧化物排放量，主要就是降低熱力型NOX的生成，主要途徑就是降低燃料周圍的氧濃度以及燃燒溫度。目前國內外應用較廣泛的主要包括分級燃燒技術、煙氣再循環技術及低氮燃燒器技術。

3.2.1 分級燃燒技術

分級燃燒即將燃燒過程分為三個區域：主燃區、再燃還原區及完全燃燒區。在主燃區送入大部分燃料，主燃燒區的上部(火焰的下游)噴入二次燃料進行再燃燒并形成還原性氣氛，在高溫和還原性氣氛下產生碳氫基團，將主燃燒區生成的NOx還原成分子N2 及中間產物等基團，在完全燃燒區送入燃燒所需其余空氣，完成燃盡過程。據統計，采用分級燃燒技術一般可減少50%-70%的NOX排放。

3.2.2 煙氣再循環技術

煙氣再循環技術是把一部分爐膛尾氣返回配風系統，從而降低燃燒溫度和氧濃度，達到降低NOX生產量的目的。煙氣再循環技術分為煙氣內循環技術和煙氣外循環技術，目前低氮改造使用較多的是煙氣外循環技術，即從鍋爐尾部煙氣出口抽取煙氣，加入到二次風或一次風內，再通過燃燒風機或再循環風機送入爐膛。煙氣再循環的效果與再循環煙氣量有關，但再循環量不能太大，否則爐溫降低太多，燃燒不穩定。據統計，當煙氣再循環率在10%～15%時，可降低燃氣鍋爐NOX排放濃度約40%[3]。

3.2.3 低氮燃燒器技術

低氮燃燒器是通過特殊設計燃燒器結構，使燃料與空氣分段燃燒，盡可能降低點火區的溫度和氧濃度，在保證燃料著火和燃燒的同時能有效地抑制NOX的生成。采用低氮燃燒器技術，火焰長度和直徑較傳統燃燒器增大，因此使用低氮燃燒器技術要注意鍋爐燃燒室尺寸與新燃燒器火焰匹配。

4 結語

在日趨嚴格的環保形勢下，實現燃氣鍋爐大氣污染物達標排放極其重要。燃氣鍋爐使用單位可以通過改造燃燒控制系統實現精確配風，減少鍋爐在低負荷區間運行，避免鍋爐系統漏風，實現一臺鍋爐使用一臺煙囪及在線分析儀等方式控制煙氣中氧含量實測濃度，再結合鍋爐配置情況，采用煙氣再循環技術加低氮燃燒器技術對鍋爐系統進行改造，控制煙氣中氮氧化物實際排放濃度，完全能夠實現燃氣鍋爐大氣污染物的達標排放。