基于生命周期評價的燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術綜合評價*

李 磊 王曉鵬 馬 虹 熊鳳吟 鐘 玲 曹 磊#

(1.建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024；2.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054；3.濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室，深圳大學土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060；4.生態環境部環境發展中心，北京 100029)

氮氧化物(NOx)作為典型的大氣污染物，既可造成光化學煙霧和酸雨污染，也是細顆粒物的重要前驅物。工業鍋爐是NOx排放的重點污染源之一，在現有能源結構優化調整的背景下，燃氣工業鍋爐占比不斷加大，其排放的廢氣將成為NOx的重要來源[1-2]。《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271—2014)明確要求重點地區燃氣鍋爐NOx的特別排放限值為150 mg/m3。北京、天津、上海等多地發布地方性政策，排放要求在國家標準基礎上均有所提高[3]。國家統計局數據顯示，2019年工業鍋爐產量同比增長22%[4]，煤粉、燃氣、余熱及生物質鍋爐等產量更是日益增加，因此亟需遴選合理有效的燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術，實現NOx排放控制目標。

現有研究工作多圍繞低氮燃燒技術的機理、運行效果及影響因素[5-7]開展，較少關注技術的系統性表現，難以為決策者提供較全面系統的參考，因此本研究將針對燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術的開發與應用實際，建立多維評價指標體系，對典型低氮燃燒技術開展基于生命周期評價(LCA)的綜合評價[8]，為低氮燃燒技術的應用與推廣提供系統性的理論依據與量化數據參考。

1 評價對象與方法

1.1 典型燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術

鍋爐產生的NOx是化石燃料與空氣在高溫燃燒時產生的，可分為熱力型、快速型、燃料型NOx。其中，燃氣鍋爐的NOx主要為熱力型NOx，占NOx產生總量的95%[9]。與燃煤相比，燃氣鍋爐尾氣中NOx較少，以煙氣脫硝為代表的末端處理技術僅在尾氣排放總量較大時才得以應用[10]。因此，本研究主要針對適用于中小型燃氣工業鍋爐的低氮燃燒技術開展評價。根據京津冀部分企業燃氣工業鍋爐低氮燃燒改造現狀與文獻調研[11-12]，初步篩選出5種較多應用于低氮燃燒的技術(煙氣內循環、燃料分級燃燒+煙氣再循環、空氣分級燃燒、水冷預混燃燒、貧燃預混燃燒)，再開展綜合評價。

1.2 評價方法及流程

綜合評價方法包括層次分析法、模糊綜合評價、灰色聚類法、TOPOSIS等多種評價方法。本研究采用了廣泛應用的模糊綜合評價方法對典型的低氮燃燒技術進行分析，以便最大化地耦合定性與定量指標，實現指標精準量化[13-14]。

為系統評價低氮燃燒技術的資源環境影響，本研究引入LCA作為資源環境指標的核算方法。首先初步篩選典型技術，確定技術評價對象，再構建涵蓋資源、能源、環境、技術、經濟、社會影響等信息的多維評價指標體系，然后對指標進行實地、問卷、專家與文獻調研，確定權重及指標量化方法，最后比較分析參評對象指標量化的綜合評價結果，給出技術推薦建議。將LCA融合于綜合評價中，通過發揮LCA方法資源環境影響評價的系統性優勢，形成一種新的框架來解決環境技術評價問題，既可全面評價防治技術潛在的污染轉移可能性，又可全面地考察技術應用的功能特征。

2 技術評價與討論

2.1 評價指標體系構建

在確立評價目標的前提下，通過相關資料收集、調研及咨詢等方式初選，確保指標全面性及代表性，構建了覆蓋資源能源、環境影響、技術功能、經濟效益和社會影響5個維度共計21個指標的體系，指標中除技術評價的一般定性指標，也加入了NOx減排率、鍋爐本體熱效率變化、煙氣排放含氧量等特征功能指標，以及能反映跨介質污染轉移潛勢的損害人體健康、生態系統等間接環境影響指標，符合評價目標的全面性要求。

2.2 評價指標量化方法

2.2.1 數據收集

針對燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術，結合國家重點研發計劃項目(No.2017YFF0211803)，課題組在此前大量數據和文獻的基礎上開展了研究，并實測了38臺中小型燃氣工業鍋爐(1～20 t/h)，對河北省某地級市開展補充問卷調研，收回有效問卷12份。低氮燃燒技術評價指標清單信息具體見表1。

2.2.2 LCA

應用LCA開展資源能源及間接環境影響類指標核算。燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術實施手段多為既有鍋爐改造，需要的資源能源投入較少。在LCA過程中，將功能單位設置為同樣規格的鍋爐供應同等熱力時所應用的低氮燃燒技術，以此為基礎來量化能源資源消耗和污染物排放。低氮燃燒技術的LCA系統覆蓋低氮燃燒設備的改造和使用過程，包括改造過程低氮燃燒器等設備資源的投入、運行過程能源的投入，以及NOx、CO等大氣污染物的排放。

2.2.3 指標量化比較

將所有評價指標分為定量和定性指標，并用相應的方法進行統一量化處理。對于定性指標，引入模糊統計分析法，根據最大隸屬度原則，構建隸屬度函數，再通過文獻調研進行等級賦值；對于定量指標，越大越優型數據采用效益型指標公式量化，對于越小越優型數據采用成本型指標公式量化。最終，使指標量化結果分布于[0，1]。

2.3 綜合分析與評價

燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術評價指標涉及資源能源消耗和技術功能等多個領域，指標之間互相影響較小，數據之間關聯性較弱，本研究列出的指標涵蓋了一些定性指標，如復雜性與安全性，層次分析法能較好解決涵蓋定量、定性因素的綜合性指標系統決策問題，通過建立層次遞階模型、構造判斷矩陣，本研究的權重結果見表2。

5種技術的一級指標綜合評價結果見圖1。指標的重要性參考已有研究[15]，將技術功能與經濟效益作為重點屬性進行評價。

技術功能在一級指標中權重最大，符合技術評價的研究目標。從技術功能分析，燃料分級燃燒+煙氣再循環技術具有絕對的優勢，由于其市場份額較大，應用時間長，相關的技術理論和設備構造研究已非常成熟，而且經調研發現，該技術應用較普遍；貧燃預混燃燒技術表現位列第二，該技術是近兩年國內工程實踐常應用的技術；水冷預混燃燒技術位列第三，在項目應用中表現出一定的技術優勢，特別是小型燃氣鍋爐領域能更好發揮技術特色。

表1 低氮燃燒技術評價指標清單信息Table 1 Indicators inventory of low NOx combustion technology evaluation

煙氣內循環技術的經濟效益表現最佳，主要是因為該技術應用無運營成本且具有一定的改造補貼，該技術也被相關研究認定是一種可實現不增加成本、空間，通過技術本身降低NOx排放的燃燒技術。燃料分級燃燒+煙氣再循環與水冷預混燃燒技術差別較小，其中水冷預混燃燒技術雖然投資高，但有投資回報和改造補貼，而燃料分級燃燒+煙氣再循環技術沒有運營成本且投資低，因此綜合表現出經濟效益相對較高的狀態。空氣分級燃燒技術對經濟效益產生不利的影響最高，該技術改造期間未獲得補貼，同時在燃氣工業鍋爐中應用較少。環境影響的指標權重較低，但社會關注度較高。環境影響方面，煙氣內循環對NOx的減排有限，通常需要跟其他低氮燃燒技術相結合，因此環境影響方面表現較差[16]。貧燃預混燃燒技術本身能使NOx降到較低水平，因此對NOx具有較大的減排潛力，環境影響綜合表現最好。資源能源、社會影響的指標權重相對較低，暫不進行詳細分析。

最終，煙氣內循環、燃料分級燃燒+煙氣再循環、空氣分級燃燒、水冷預混燃燒、貧燃預混燃燒技術的綜合評分分別為0.285 48、0.346 28、0.286 69、0.323 67、0.336 72，其中燃料分級燃燒+煙氣再循環技術成為最佳選擇技術，對比該領域現有低氮燃燒技術推廣情況和發展趨勢發現，本研究最佳選擇技術與目前多項研究推薦的技術一致。貧燃預混燃燒技術排列第二，且具有最低環境影響及最佳社會影響。

表2 燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術評價指標權重Table 2 Weight of evaluation indicators of low NOx combustion technology for gas industrial boiler

圖1 一級指標綜合評價結果Fig.1 The evaluation results of the primary indicators

3 結 語

(1) 應用耦合LCA的綜合評價方法，開展中小型燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術綜合評價。燃料分級燃燒+煙氣再循環技術的綜合評分最高；貧燃預混燃燒技術排列第二，且具有最低環境影響及最佳社會影響；煙氣內循環技術具有最佳經濟效益。

(2) 本研究的燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術評價過程可作為不同空氣污染控制技術評價研究的參考。本研究所建立的指標體系和評價模型，可以應用于其他大氣污染防治技術的綜合評價。