浦東機場鍋爐低氮改造選型與實施

文_張凱越 上海國際機場股份有限公司

隨著國家和上海市對大氣污染防治工作的不斷推進，對鍋爐排放中的氮氧化物、SO2、PM2.5等污染物提出了新的要求，根據上海市環保局修訂的《上海市鍋爐大氣污染物排放標準》的規定，自2020年9月30日起在用的鍋爐煙氣中氮氧化物濃度必須低于50mg/m3。

現浦東機場1#能源中心與2#能源中心的鍋爐燃燒產生的煙氣中氮氧化物排放濃度較高，不符合相關規定，須進行燃燒器的低氮改造。而目前存在多種低氮燃燒技術，其適用范圍、投資規模、穩定性各不相同。為保證以合理的投資達到充分的改造效果，根據各低氮燃燒技術的特點，結合浦東機場的現場情況進行了技術選型，并制定了低氮改造的技術方案。根據擬定的方案，對該項目進行了招標與實施，成功完成了低氮改造，改造后浦東機場能源中心鍋爐的氮氧化物排放量每年降低約5091kg。

1 浦東機場現有設備簡介

本次需要進行低氮改造的鍋爐位于浦東機場的1#能源中心與2#能源中心。1#能源中心現有1臺20t/h、3臺30 t/h的燃油/氣兩用臥式雙爐膛三回程濕背式火管蒸汽鍋爐，每臺鍋爐使用2臺燃燒器，已使用年限為20a；2#能源中心現有3臺20t/h的燃油/氣兩用臥式雙爐膛三回程濕背式火管蒸汽鍋爐，每臺鍋爐使用2臺燃燒器，已使用年限為10a。

2 低氮燃燒技術評估

氮氧化物大多在各種燃料的燃燒過程中產生的，其中NO約占氮氧化物總量的 90%～95%，在大氣中會迅速氧化成NO2。“熱力型氮氧化物”為燃氣鍋爐的主要控制對象，要減少“熱力型氮氧化物”的生成，可采取以下措施：①減少燃燒最高溫度區域范圍。②降低鍋爐燃燒的峰值溫度。③降低燃燒的過量空氣系數和局部氧濃度。

結合各低氮燃燒技術的特點以及浦東機場的現場情況，對各技術的適用性進行了評價。

2.1 燃燒器低氮燃燒技術

燃燒器低氮燃燒技術包括火焰長度方向分級、火焰直徑方向分級、燃燒器內部半預混技術、煙氣內循環降氮技術等。綜合看來燃燒器低氮燃燒技術泛用性高、兼容性強，同時使用成本較為合理，適用于浦東機場現有鍋爐的低氮改造。

2.2 煙氣外循環降氮技術（FGR 技術）

煙氣外循環技術是目前市場上主流的低氮燃燒手段，該方法成本較低且容易實現，對鍋爐外形不需要進行大幅改造，對已經完成布局的在用鍋爐改造較為適用。煙氣外循環技術同時也宜與燃燒器低氮燃燒技術配合使用，結合其本身特點，適用與浦東機場現有鍋爐的低氮改造。

2.3 表面燃燒技術

表面燃燒技術的氣體燃料與助燃氣體預混，難以控制混合率，為防止回火和降低調整混合率難度，燃燒器需附加其他技措設計，從而對燃燒器使用壽命有所影響。由于機場屬于服務型行業，鍋爐用途主要為航站樓供暖使用，主要注重于技術的成熟性，安全性及穩定性，因此判斷該方式不適用與浦東機場現有鍋爐的低氮改造。

2.4 水冷預混技術

水冷預混技術布風均勻性隨規模增加變差，適用于6t/h以下鍋爐，水冷循環系統與鍋爐本體綁定，無法單獨使用，僅適用于新建鍋爐，不適用于浦東機場現有鍋爐的低氮改造。

3 改造目標與技術選型

雖然《上海市鍋爐大氣污染物排放標準》的氮氧化物排放要求為50mg/m3，但是考慮到后續法規對氮氧化物排放的進一步強化，此次改造的氮氧化物排放目標選定為30mg/m3。

由于本項目為改造項目，需要考慮到系統運行的安全性、穩定性及項目實施的經濟性。對于燃氣鍋爐的低氮改造,目前低氮燃燒器+煙氣外循環降氮技術（FGR技術）的方案運用最為廣泛，且改造工程量小，后期運行維護費用低。因此，本設計選擇低氮燃燒器+煙氣外循環降氮技術（FGR技術）方案。

4 低氮改造項目實施

4.1 低氮燃燒器技術構造

根據鍋爐系統現場實際情況，通過爐膛尺寸、FGR風道走向、運行符合等參數的匹配，對此次低氮改造采用的燃燒器進行了定制。最終選用的燃燒器為T型分體式結構，采用了低過量空氣燃燒技術、火焰分割技術、空氣燃料分級分段燃燒技術、煙氣內循環技術、煙氣外循環系統等多種低氮燃燒技術，最終滿足了30mg/m3的氮氧化物排放要求。

4.2 改造實施

4.2.1 總體改造方案

根據現場的空間構造，擬定了燃燒器的布局及鍋爐系統的總體改造方案，主要工程內容為：①制作新的燃燒器接口，修正爐膛耐火混凝土接口尺寸、更換燃燒器。②增加FGR煙氣再循環設備（包括再循環煙道、煙道保溫、控制閥門、測量元件等相關設備）。③更換鼓風機、制作變頻器控制柜支架。④更換燃燒器改造需要更換的控制閥門和現場儀表等系統組件、并對燃氣管道位置修正。⑤配套新燃燒器對控制系統進行改造。

4.2.2 現場安裝

（1）燃燒器配套鍋爐爐口尺寸改造

由于燃燒器需要更換，新舊燃燒器火焰筒存在差異，需將前墻進行擴孔，并按新燃燒器安裝法蘭做安裝板，做好后將前墻做好耐火磚或用耐火澆注料進行制作。

（2）燃氣閥組對接改造

根據新燃燒器控制需要將現場的燃氣閥組也全部更換為新閥，同時造成了燃氣入口位置變化，因而對現場燃氣管道進行了重新排布。

（3）新增FGR煙氣外循環系統

FGR循環煙氣系統采用從鍋爐尾部取循環煙氣，本項目中選擇鍋爐節能器后作為煙氣抽取點，此處煙氣溫度約為180℃，可有效避免冷凝水生成。

（4）風機安裝

本次改造以燃燒器為安裝基點，燃燒器安裝完成后，助燃風機與燃燒器對接并支撐風機底座，安裝混風箱、接風門和FGR調節風門，在風機入口安裝混風箱，并將風門和FGR調節風門分別安裝在混風箱上，并將FGR循環煙氣管道接入混風箱。

5 低氮改造效果驗證

本次低氮改造實施完成后，由第三方環保檢測單位對有所鍋爐進行了環保檢測（結果見表1），所有鍋爐的氮氧化物排放濃度均低于30mg/m3，改造前的氮氧化物排放濃度均值為115mg/m3。根據上述排放量，對能源中心改造前后的氮氧化物排放量進行如下計算：

表1 改造后煙氣環保檢測結果

污染物排放量=廢氣量×污染物濃度；

天然氣燃燒時的廢氣量=天然氣用量（m3）×天然氣完全燃燒產生的廢氣量（10.89m3/m3）；

本次改造對象的鍋爐每年天然氣用量約為550萬m3。

因此當氧化物排放量計算結果如下：

改造前排放量=5500000m3/a×10.89m3/m3×115mg/m3×10-6=6887.925kg/a；

改造后排放 量=5500000m3/a×10.89m3/m3×30mg/m3×10-6=1796.85kg/a。

根據結果可知，通過本次低氮改造，浦東機場能源中心每年可減少約5091kg的氮氧化物排放量。

6 結論與建議

根據浦東機場現有設備與場地的使用情況，以及各種低氮燃燒技術的特點，結合浦東機場的行業性質以及蒸汽使用目的，決定選用低氮燃燒器+煙氣外循環降氮技術（FGR 技術）方案進行技術改造。考慮到后續法規的進一步嚴格化，氮氧化物改造目標設定為30mg/m3。

該項目改造完成后，氮氧化物排放量控制在 30mg/m3，年氮氧化物排放量降低約5091kg，遠低于國家標準，符合上海市大氣污染防治工作方案的要求，減少由于供暖對城市環境造成的影響。

控制氮氧化物排放，將有效降低化學煙霧和酸雨的產生，減少因氮氧化物二次轉化形成的 PM2.5。改善環境空氣質量，為建設綠色機場添磚加瓦。

改造完成后，根據《關于加快推進本市中小鍋爐提標改造工作的實施意見》要求，浦東機場編制了鍋爐低氮改造補貼申請資料，申請低氮改造市級，區級支持資金共計539萬元。