燃氣壁掛鍋爐煙氣NOX排放

邵柏桂

摘要：分戶供暖的比例在冬季供暖市場逐年攀升，作為供暖主要設備之一的燃氣壁掛鍋爐的銷量也在逐年上升，燃氣壁掛鍋爐是市場上的主流產品。由于在城市中安裝比較集中，數量巨大的燃氣壁掛鍋爐運行時所產生的NOx等排放物，對環境的影響逐步顯現。本文將對市場上常見的燃氣壁掛鍋爐包括常規大氣式燃氣壁掛鍋爐、低氮壁掛鍋爐、二次冷凝低氮壁掛鍋爐和全預混燃氣壁掛鍋爐的排放物中的NOx進行測量，通過對數據進行定量分析比較，對燃氣壁掛鍋爐的選型給出參考。

關鍵詞：燃氣壁掛鍋爐;NOx;分戶供暖

1.研究背景

隨著全國各地霧霾等極端天氣的出現，環境污染問題逐漸引發人們的關注，促使各家研究機構，積極地探尋霧霾的主要成因。研究發現，霧霾的主要人為成因在冬季是民用建筑的供熱鍋爐煙氣的排放，尤其是冬季供暖時燃燒煤碳的小鍋爐排放的煙氣影響較大[1]，因此北方冬季的霧霾一直以來都比南方更加嚴重。同時也發現空氣中氮氧化物（NOx）的濃度與霧霾的形成有著直接的聯系[2]。

天然氣管道等城市基礎設施的大量鋪設為燃氣燃燒設備的分散化使用提供了基礎條件，并在北方傳統和南方新興的供暖市場都得到了越來越廣泛的應用[3]。分戶燃氣壁掛鍋爐熱源供暖因其啟停靈活、清潔衛生、功率易調節、計量簡單等優點，逐漸成為獨立供暖的主流選擇[4]。圖1.1展示了燃氣壁掛鍋爐近10年的銷量[5]。

從圖1.2中可以看出，在環保政策的持續推動下，2020年低氮爐全年銷量有大幅提高，特別是以河北地區為代表，大范圍推進“煤改氣”工程安裝低氮爐和冷凝爐。

2燃氣壁掛鍋爐的污染物排放情況

燃氣壁掛鍋爐主要以清潔的天然氣為燃料，煙氣污染物有兩種：1）燃燒后煙氣中的氮氧化物（NOx）;2）燃燒不完全引起的CO。

2.1煙氣中的NOx

NOx是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說的NOx有多種不同形式：包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等，其中NO和NO2是主要的大氣污染物。NOx的來源有三種：1）熱力型（溫度型）NOx指空氣中的氮氣在高溫下被氧化而生成NOx;2）快速溫度型NOx，指燃燒碳氫燃料時空氣中的氧和氮與燃料中的碳氫離子基團如CH等反應生成NOx;3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化而生成NOx。對于燃燒天然氣的燃氣壁掛鍋爐，熱力型和快速溫度型的NOx可能都存在。

空氣的主要成份為20.94%的氧氣和78.1%的氮氣，在參與天然氣的燃燒過程中，氧氣為助燃劑，氮氣也進入燃燒室。氮氣和氧氣在高溫下與天然氣發生化學反應，熱力型NOx可能形成。與大型燃氣鍋爐一樣，壁掛爐中熱力型NOx的生成機理可用捷里道維奇機理[7]來預測，如圖1.3所示，當溫度低于1500℃時，熱力NOx的生成量很少;高于1500℃時，溫度每升高100 K，NOx的生成反應速度將增大6到7倍[8]。在實際燃燒過程中，由于燃燒室內的溫度分布是不均勻的，如果存在局部高溫區，則在這些區域會生成較多的NOx。因此，降低熱力型NOx的生成主要從3個方面入手：1）降低燃燒溫度，避免局部高溫;2）降低氧氣濃度;3）縮短煙氣在高溫區內的停留時間。

但是快速型NOx是天然氣燃氣鍋爐的一個例外，如圖1.3所示，雖然量很少，但是在很大溫度范圍內都存在。快速溫度型NOx是碳氫化合物燃料如天然氣，在燃料過濃燃燒時，空氣中的O2和N2與CH基團在燃燒區發生反應，快速生成NOx。快速溫度型NOx成于火焰面內，而溫度型NOx生成于火焰的下游。1971年費尼莫爾（Fenimore）提出的反應機理認為[10]：CH燃料過濃燃燒時，CN與N2首先生成中間產物：CN、HCN（氰化物）、NH、NH2（氨化物）和N等;然后再氧化成NO，其反應過程如圖1.4所示。因此，降低快速溫度型NOx的主要途徑是避免CH的大量產生或者避免燃料過濃燃燒，故預混燃燒將有助于抑制快速溫度型NOx的生成。

快速溫度型NOx的總包化學反應方程式為：

N2+O2=2NO ΔH=180.5kJ/mol （1.1）

該化學反應是一個吸熱反應，高溫狀態有利于NO的生成而NO非常容易被氧氣O2氧化形成NO2。

2NO+O2=2NO2 ΔH=-114.1kJ/mol （1.2）

該反應是一個放熱反應，也是NOx轉化中非常重要的一個化學反應。化學反應1.2也是空氣中氮氧化物轉化的主要方式，溫度的變化對NOx的成分有重要影響，如在汽車內燃機的高溫環境下，N2和O2化合形成的NO很難再被氧化;而常溫空氣中氮氧化物的主要成分是NO2就是因為反應1.2的發生。另外，由于燃料燃燒不完全而產生的一氧化碳CO也能影響NOx的成分：

NO2+CO=NO+CO2 （1.3）

綜上所述，在燃氣壁掛鍋爐的結構設計中，主要采取1）降低火焰溫度、避免局部高溫的方法來降低煙氣中的熱力型氮氧化物NOx的生成;采取2）采用風機來縮短高溫區停留時間，3）以預混燃氣方式來平衡氧氣含量，來實現減少熱力型及快速溫度型NOx的生成。

2.2各級標準對NOx排放的要求

現行的國家及各地方的鍋爐排放標準，同樣適用于大鍋爐及燃氣壁掛鍋爐。國家標準GB25034-2010[11]附錄E給出了燃氣壁掛鍋爐NOx產生量量的確定方法，并對NOx排放等級做了相關規定，如表1所示。本文所描述的NOx排放量，在單位mg/kw·h的基礎上，加入了換算單位mg/m3和ppmv。應該注意的是，不同單位之間的轉換基于如下條件：

1）換熱效率最低的情況，給出保守的結果;

2）如果結果需要轉換為mg/m3的單位，應該先基于過量空氣系數為0進行轉化，轉化系數可參見[12]。

基于現行的設計制造燃氣壁掛鍋爐的NOx排放標準，依然可以繼續降低，這也是為什么歐洲標準EN 15502-1：2012+A1：2015[13]將NOx排放級別調整為6級，并且第6級NOx濃度上限為62 mg/kw·h。從表1還可以看出，單體燃氣壁掛鍋爐NOx排放量并不是很大，但是由于煤改氣政策從北京及其周邊河北省開始大面積實施，高層建筑的集中建設，致使燃氣壁掛鍋爐的排放總量非常大。這不僅進一步造成了相關城市的熱島現象[14]，而且燃氣壁掛鍋爐密集布置時， NOx的排放問題也需要給予重點關注。

為了貫徹《中華人民共和國環境保護法》和《中華人民共和國大氣污染防治法》的執行和推廣，控制鍋爐燃燒污染物排放，防治空氣污染，國家環保部制定了《鍋爐大氣污染物排放標準》。作為大氣主要污染物的PM2.5的重要前驅物，NOx成為大氣污染治理的重中之重，為了進一步降低NOx排放，改善空氣質量，全國各地區在滿足國家標準的同時，陸續出臺更為嚴格的地方標準。例如北京市規定從2017年4月1日起，北京市全市新建鍋爐執行30 mg/m?的排放濃度限值;對于高污染燃料禁燃區內的在用鍋爐，執行80 mg/m?的排放濃度限值。與目前各個國家和地區執行的NOx排放要求相比，北京市的鍋爐NOx排放標準幾乎算是全世界范圍內最為嚴苛的要求。下表2為北京市《鍋爐大氣污染物排放標準》第4.1.1和4.1.2條中對鍋爐排放污染物的相應要求。針對燃氣壁掛鍋爐的煙氣排放要求，北京政府在當地煤改氣招標中也同樣采用此標準。

繼北京之后全國各大城市和地區也紛紛對鍋爐NOx排放要求進行調整，根據各自的城市特點，頒布了《鍋爐大氣污染物排放標準》（地方標準）。從表1可以看出，NOx排放分級為5級時，要求NOx濃度上限為70 mg/kw·h，但是在同樣遵守5級NOx排放標準前提下，如果排放量分別為15 mg/kW·h和60 mg/kW·h，那么兩種鍋爐的NOx排放量就差了整整4倍，所以即使都滿足5級的排放標準，但各種壁掛鍋爐的NOx排放量也是明顯不同的，因此即使現階段產品達標，考慮壁掛鍋爐的密集效應、及標準的不斷更新，仍需追求更低的排放濃度。

3燃氣壁掛鍋爐的煙氣排放分析

燃氣壁掛鍋爐類型

目前市場上主流的燃氣壁掛鍋爐有四種，分別為普通燃氣壁掛鍋爐（普通鍋爐）、低氮燃氣壁掛鍋爐（低氮鍋爐），二次冷凝低氮燃氣壁掛鍋爐（二次冷凝鍋爐）和全預混燃氣壁掛鍋爐（全預混鍋爐），具備低氮功能的有低氮鍋爐、二次冷凝鍋爐和全預混鍋爐三種。其中低氮鍋爐與普通鍋爐的結構極其相似，其主要區別僅僅在燃燒器的機械結構上。普通鍋爐和低氮鍋爐的額定熱輸出是在80/60℃的供回水狀態下測試的，而二次冷凝和全預混冷凝鍋爐不只有額定熱輸出，還有在50/30℃的供回水狀態下測試出的額定冷凝熱輸出。由于冷凝狀態下有氣態水蒸汽凝結為液態水釋放熱量，致使冷凝鍋爐在50/30℃供回水狀態下的冷凝額定熱輸出大于80/60℃供回水狀態下的非冷凝額定熱輸出。

3.1 四種燃氣壁掛鍋爐的NOx排放測試結果分析

本研究主要針對天燃氣作為壁掛鍋爐的燃料進行相關研究。運用標準天然氣G20測試市場上主流的普通鍋爐、低氮鍋爐、二次冷凝鍋爐和全預混冷凝鍋爐的主流款式各兩款產品進行部分負荷、全負荷以及超負荷狀態下NOx的排放量測試，分析每種燃氣壁掛鍋爐煙氣中NOx排放量的影響因素及其相互之間的相關關系。

3.2壁掛爐使用G20燃氣的NOx排放研究

圖3.1為四種不同類型鍋爐在不同工作模式不同負荷下燃燒G20燃氣的NOx排放量比較，本研究每個工況均測量兩臺不同的同類型鍋爐進行數據記錄，取其平均值進行比較（下同）。

（1）鍋爐工作模式的影響

燃氣鍋爐的生活熱水模式為采暖水通過板式換熱器加熱生活熱水。由圖3.1可知，當生活熱水的出水溫度設定在50℃，而采暖同樣設定在50℃時，供熱模式下的NOx排放量要低于生活熱水模式下NOx的排放量，這是由壁掛鍋爐的運行模式決定的，生活熱水的產出是用供熱水通過板式換熱器加熱生活冷水，所以生活熱水模式下，換熱器的出水溫度要大于生活熱水的出水溫度。也可以理解為燃氣鍋爐運行時夏季測試出水溫度要高于冬季的采暖供水要求，燃氣鍋爐的煙氣溫度相對要高一些。另外，在不同工作模式下，鍋爐負荷越高，NOx的排放量都越高，這是因為負荷越高，在同樣大小的燃燒室內，燃燒的氣量越多，因此煙氣溫度越高，熱力型的NOx生成量自然更多;同時，煙氣溫度對于熱力型NOx的生成有非常明顯的作用，煙溫越高，則煙氣中的NOx比例相對越高。

（2）不同類型壁掛鍋爐的排放比較

如圖31所示，無論在供暖還是生活熱水模式下，普通鍋爐的NOx排放量都是最高的，低氮燃氣鍋爐次之，這是由于其結構上的特點造成的，低氮燃氣鍋爐只有燃燒器上有回水管，燃燒器的火焰溫度被降低了。天然氣燃燒后，與主換熱器進行熱交換后，通過煙管直接排放到室外，最終的排煙溫度也是僅次于普通鍋爐的;而二次冷凝燃氣壁掛鍋爐在低氮燃氣鍋爐的基礎上，有一個二次冷凝換熱器，進一步降低了煙氣的溫度，因此使煙氣中的熱力型NOx的含量進一步降低;全預混冷凝燃氣鍋爐則是因為將天然氣和空氣充分預混后噴入燃燒室進行燃燒，其火焰的燃燒表面溫度本來就很低，另外全預混鍋爐的換熱器結構是主換熱器和二次冷凝換熱器在一起，并構成燃燒室的外腔，煙氣必須通過冷凝熱交換器才能進入煙管，排到大氣中去，使得煙氣溫度進一步降低，進一步降低了熱力型NOx的產生量。另外G20燃燒后的燃料型NOx本來就相對較少，作為熱力型NOx占主導的燃氣鍋爐，過量空氣系數增大，未參與燃燒的空氣量增多，這部分空氣會帶走大量熱量，從而降低火焰溫度，熱力型NOx的生成能力減弱，使得NOx實測濃度值降低。

4 結論

通過對四種燃氣壁掛鍋爐在不同負荷下燃燒G20燃氣，對其煙氣中NO x和CO的排放和鍋爐的換熱效率進行研究，結果表明：普通燃氣壁掛鍋爐燃燒G20后煙氣中的NOx在四種鍋爐里面是最高的，全預混冷凝燃氣鍋爐燃燒G20后煙氣中的NOx值是最低的，其排放值會相差3-4倍。對比了四種燃氣壁掛鍋爐煙氣中NOx的排放量，供暖和生活熱水工作模式下NOx排放排序為：全預混鍋爐<二次冷凝鍋爐<低氮鍋爐<普通鍋爐，并且發現全預混冷凝鍋爐在部分負荷時的NOx排放是最低的，而普通鍋爐的NOx排放是最高的。低氮、低氮二次冷凝和全預混鍋爐都能達到國家強制產品標準GB25034-2010的NOx排放5級的要求，但只有全預混冷凝燃氣鍋爐可以達到北京的NOx排放要求30 mg/m3。在供暖季節，燃氣壁掛鍋爐大部分時間都是在部分負荷的狀態下運行的，因此全預混冷凝鍋爐在分戶供暖系統上的大范圍運用，將大大降低我國北方地區在冬季供暖季節NOx的排放;

如果從煤改氣開始的2017年開始進行統計，到2020年。按平均每年不到400萬臺燃氣壁掛鍋爐來進行計算。如果全部使用全預混冷凝鍋爐，燃氣壁掛鍋爐代替集中供暖的NOx的排放量每年還會至少降低60%以上，而天然氣使用量比現階段至少節約23%以上。那么煤改氣和分戶供暖將為環保貢獻更大的力量。

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