14MW天然氣熱水鍋爐低氮燃燒改造

韓叢韋

摘要：鍋爐排放煙氣中氮氧化物含量超標(biāo)，通過改造燃?xì)忮仩t的本體結(jié)構(gòu)以及更換附屬設(shè)備，大幅度降低鍋爐排放的尾氣中氮氧化物含量，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵字：氮氧化物;燃?xì)忮仩t;低氮改造。

天然氣是一種清潔能源，主要成分是甲烷，燃燒產(chǎn)生二氧化碳和水，幾乎沒有煙塵，主要污染物是氮氧化物，隨著政府對大氣污染排放的愈發(fā)重視，氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。

改造背景：2017年3月，李克強總理在十二屆全國人民代表大會第五次會議上所做的工作報告中提出堅決打好藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，2017年二氧化硫、氮氧化物排放量要分別下降3%，重點地區(qū)細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度明顯下降。北京市海淀區(qū)環(huán)境保護(hù)局海環(huán)保字[2016]13號文件《北京市海淀區(qū)環(huán)境保護(hù)局關(guān)于開展燃?xì)忮仩t低氮燃燒技術(shù)改造的通知》以及北京市DB11/139-2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，2017年4月1日后，在用鍋爐氮氧化物排放濃度限值為80 mg/m3，新建燃?xì)忮仩t氮氧化物排放不應(yīng)超過30 mg/m3。在這種大背景下，該地區(qū)型號為WNS14-1.25/115/70-QT的燃?xì)鉄崴仩t，在正常運行的情況下，經(jīng)過內(nèi)部檢測，2015年-2018年氮氧化物排放濃度平均為95mg/m3。該小區(qū)燃?xì)忮仩t的氮氧化物排放均已經(jīng)超標(biāo)，如果在這種情況下繼續(xù)運行，勢必會出現(xiàn)經(jīng)常性的處罰，因此低氮改造勢在必行。當(dāng)下，在用燃?xì)忮仩t的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)是80mg/m3，在當(dāng)前環(huán)保形勢下，國家排放標(biāo)準(zhǔn)會越來越嚴(yán)，如果僅僅將鍋爐的排放達(dá)到80mg/m3以下，一方面，很可能會隨著政策進(jìn)一步嚴(yán)格導(dǎo)致二次改造，造成不必要的資源浪費;另一方面，隨著設(shè)備日漸老化可能導(dǎo)致排放出現(xiàn)波動，出現(xiàn)超標(biāo)情況，招致環(huán)保局的處罰。鑒于以上兩點，該單位決定通過改造，將氮氧化物的排放值控制在30mg/m3以內(nèi)。

改造目標(biāo)：通過改造，大幅降低氮氧化物的排放，將煙氣中氮氧化物含量降低到30mg/m3以下，保證設(shè)備正常運行。

對于以天燃?xì)庾鳛槿剂系腻仩t，氮氧化物的產(chǎn)生途徑只要有兩種，熱力型以及快速型。其中熱力型主要是指空氣中的氮氣在高溫下被氧化成氮氧化物，快速型是指快速型 氮氧化物主要發(fā)生在燃料燃燒的過程中，在燃料過濃時，空氣中的氧氣濃度相對較低，在反應(yīng)區(qū)附近會快速生成 氮氧化物，其形成時間只需要大約60ms，與溫度的關(guān)系不大。針對這兩種途徑，經(jīng)過前期的技術(shù)調(diào)研，目前，市場上普遍采用的降低氮氧化物排放的途徑有兩種，分別是末端治理技術(shù)以及燃燒優(yōu)化控制。

1、末端治理技術(shù)

所謂末端治理技術(shù)，簡而言之就是把已經(jīng)產(chǎn)生的氮氧化物通過物理化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行處理，降低煙氣中污染物的排放濃度。末端治理技術(shù)常用手段有選擇性催化還原法（SCR），選擇性非催化還原法（SNCR），氧化吸收法以及重金屬催化法。

末端治理技術(shù)，首先是需要安裝末端處理設(shè)備，例如空壓機、液氧罐、臭氧發(fā)生器等，大多用到制氨工藝或者制氧化劑工藝，原材料多用到氨水、尿素等，在治理氮氧化物的同時，容易造成空氣二次污染，氮氧化物的治理率可以控制在60%以上，適用于集成度較高，規(guī)模化較大的機組，同時對場地有較高要求。

2、優(yōu)化燃燒法

優(yōu)化燃燒法是從源頭上通過各種技術(shù)手段優(yōu)化燃燒，控制氮氧化物的生成，而目前常用的燃燒優(yōu)化控制方案有貧燃預(yù)混、水冷預(yù)混、低氮燃燒機（LNB）+煙氣再循環(huán)（FGR）以及煙氣內(nèi)循環(huán)（FIR）型燃燒機。

各種低氮燃燒技術(shù)優(yōu)劣如下：

（1） 預(yù)混燃燒

特點：需要較高的空氣過量系數(shù)，投資較高，存在回火爆燃的可能，同時，運行費用以及初步投資比較高，而且會降低1%—3%的燃燒效率的降低，適合所在區(qū)域空氣質(zhì)量比較好的機組，經(jīng)過該方法處理后，氮氧化物的排放濃度可以控制在20mg/m3。

（2） 低氮燃燒機（LNB）+煙氣再循環(huán)（FGR）

特點：安全性較高，對鍋爐效率無顯著影響，運行費用改造前后無區(qū)別，投資比較低，對場地以及環(huán)境要求比較小，投資較低，適用于較小規(guī)模的機組。

針對兩種主要方案的特點，考慮到該地區(qū)鍋爐房規(guī)模較小，如果采用末端治理法會帶來一系列的問題，比如氨氣或者氧化劑無組織逸散導(dǎo)致二次污染，也勢必會占用大量的場地，從施工難度、后期運行、以及周邊場地環(huán)境以及經(jīng)濟效益多角度考慮不予采用。而優(yōu)化燃燒法不僅從根源上可以控制污染物產(chǎn)生，而且鍋爐房內(nèi)部的場地完全可以滿足要求，因此，該小區(qū)確定將低氮燃燒機+FGR（煙氣再循環(huán)系統(tǒng)）作為改造方案。

煙氣再循環(huán)技術(shù)通過抽取尾部煙道的煙氣與空氣混合后進(jìn)入爐膛，降低燃燒區(qū)域氧氣的濃度以及燃燒區(qū)域燃燒溫度來抑制熱力型氮氧化物的產(chǎn)生，同時降低燃燒速度，抑制了快速性氮氧化物的產(chǎn)生。

實施時間安排在2019年8月，整個改造過程分為兩個部分：

第一部分：燃燒機改造

燃燒機改造包括燃燒頭、風(fēng)機、控制系統(tǒng)以及閥組部分。

燃燒頭是關(guān)鍵部件，直接關(guān)系著燃燒室內(nèi)部的氣流分配以及燃料的燃燒方式，選用低氮燃燒機的目的就是從源頭控制氮氧化物的產(chǎn)生。材質(zhì)的選擇應(yīng)充分考慮冷凝水的腐蝕問題，確保燃燒的穩(wěn)定以及氮氧化物的排放穩(wěn)定且不隨時間推移而變化。

風(fēng)機的選型應(yīng)充分考慮鍋爐的負(fù)荷，保證系統(tǒng)的配風(fēng)，運行的穩(wěn)定可靠而且震動以及噪音均在可接受的范圍內(nèi)。

控制系統(tǒng)，新安裝的控制系統(tǒng)必須和現(xiàn)有的鍋爐附件的其他控制系統(tǒng)兼容，做到操作維護(hù)簡便，可視化程度高。

閥組的選型，保證燃燒機的運行穩(wěn)定。

第二部分：煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

煙氣再循環(huán)技術(shù)是業(yè)界常用的有效降低氮氧化物濃度的技術(shù)措施。該技術(shù)把部分煙氣（20%左右煙氣量）從煙道引回燃燒機，煙氣中因含氧量低不參與燃燒室內(nèi)的二次燃燒，進(jìn)而可以有效降低燃燒室溫度，從而降低氮氧化物的產(chǎn)生和排放濃度。

這兩部分內(nèi)容改造完成后，不僅在源頭上控制了氮氧化物的排放濃度而且在尾部煙氣做了相應(yīng)的處理，將氮氧化物的排放濃度降到最低。

實施的效果

燃?xì)忮仩t低氮改造后，經(jīng)過2019-2020以及2020-2021供暖季實際的運行測試，在鍋爐平穩(wěn)運行階段，煙氣中氮氧化物的濃度普遍低于30mg/m3，而氮氧化物濃度從平均90 mg/m3降低到30 mg/m3，排放總量降低了67%，達(dá)到了預(yù)期的減排效果。依據(jù)實際的運行數(shù)據(jù)，2019-2020以及2020-2021供暖季分別消耗燃?xì)?44萬m3以及499萬m3，按照理論計算每燃燒1m3天然氣產(chǎn)生12m3煙氣計算，該地區(qū)鍋爐房減排效果見下表：

可見，改造完成后的短短兩個運行季，該項目累計減少污染物排放7510kg，為首都的藍(lán)天貢獻(xiàn)了自己的力量。

推廣應(yīng)用

經(jīng)過設(shè)備的實際運行考察，相關(guān)數(shù)據(jù)的日常檢測，這套改造技術(shù)成熟可靠，對于規(guī)模較小，場地受限的14MW的燃?xì)鉄崴仩t的低氮改造有著積極的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] DB11/139-2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》;P3

[2] 李軍 邱金海 29MW燃?xì)忮仩t低氮改造工程。《暖通空調(diào)》2019年49卷。