鍋爐煙氣排放污染物的來源及影響因素

摘?要：隨著國家的日漸富強，人民對生活環境改善的需求日趨提高，國家對各類企業生產過程中的污染物排放指標控制更加嚴格，尤其是包括冶金企業在內的各重工業企業。只有充分了解和掌握了各類污染物排放的控制指標和影響因素，才能采取更加直接有效的措施以保證各污染物的達標排放，并促進和改善生產條件。本文就冶金企業燃氣鍋爐煙氣排放污染物的來源及影響因素及各控制項目之間的相互關系開展分析和探討。

關鍵詞：煤氣；燃氣鍋爐；污染物排放

依據國家標準《火電廠大氣污染物排放標準（GB?13223—2011）》之表2（大氣污染物特別排放限值）及河北省地方標準《DB13/2021火電廠大氣污染物排放標準（征求意見稿）》，河北省各冶金企業自備電廠燃氣鍋爐的實際執行的排放指標主要為：NOx50mg/Nm3（折算濃度）、SO235mg/Nm3（折算濃度）、顆粒物5mg/Nm3（折算濃度）（簡稱50355），此環保指標亦與南方大多數地區燃氣鍋爐煙氣排放指標相同。以北方某冶金企業自備電廠燃煤氣鍋爐為例，其煙氣排放指標和監控數據如圖1：

從圖1可以看出，污染物分別為NOx、SO2、顆粒物，其對應的控制項目及參數分別為其本身的實測濃度（mg/m3）、折算濃度（mg/m3）和排放量（kg）。另外作為輔助監控的項目及調控參數還有廢氣排放量（m3）、氧含量均值（%）、煙氣流速平均值（m/s）、煙氣溫度平均值（℃）、煙氣濕度平均值（%）、煙氣壓力平均值（kPa）及生產設施工況等。本文就冶金企業自備電廠鍋爐煙氣排放污染物的來源及影響因素及各控制項目之間的相互關系開展分析和探討。

1?自備電廠鍋爐排放污染物的來源

鍋爐是將燃料燃燒所放出的熱量加熱工質生產具有一定壓力和溫度的設備，按工質終態主要分為蒸汽鍋爐、熱水鍋爐及汽水兩用鍋爐，也就是燃料在鍋爐中通過燃燒將化學能轉換為蒸汽或水的熱能。鍋爐主要由“鍋”和“爐”兩大部分組成。“鍋”是指鍋爐的汽水系統，由汽包、下降管、聯箱、水冷壁、過熱器和省煤器等設備組成，主要功能是使水吸熱，最后變成一定參數的蒸汽或熱水；“爐”指的是鍋爐的燃燒系統，由爐膛、煙道、燃燒器及空氣預熱器等組成，是燃料介質化學能量轉化的主體，如圖2所示。

由于冶金企業自備電廠鍋爐所燃燒的燃料主要為冶煉過程產生的廢氣，如高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣及其按一定比例混合的混合煤氣等，即為燃氣鍋爐，故本文所重點論述的鍋爐均為燃氣鍋爐。燃氣鍋爐與其他燃油鍋爐、燃煤鍋爐相比輔助設備少、環境干凈、穩定性好。

從圖2還可以看出，鍋爐排放污染物的來源只有兩種途徑，其一為燃料介質或助燃空氣攜帶進入，另一為燃燒過程產生。

2?自備電廠燃氣鍋爐排放污染物的影響因素

2.1?氣體燃料介質種類特效及其組分含量的影響

如表1所示，焦爐煤氣含硫量較高、含塵量大、NOx少。以某公司跟蹤檢測數據為例，其外送焦爐煤氣的顆粒物為5mg/m3，其羰基硫（COS）約70mg/m3，H2S約5mg/m3，同時還有少量的CS2及硫醚等。故在鍋爐排放顆粒物超標或排放SO2折算濃度偏高的情況下應該減少焦爐煤氣的摻燒量，且焦爐煤氣一般情況下含塵量較大，特別是含有一些焦油、萘等，在鍋爐燃燒運行中配風不良的情況下容易產生黑煙，表現為排放顆粒物上升。

高爐煤氣含硫量高、含塵較大、NOx較少。以某公司跟蹤檢測數據為例，其外送高爐煤氣的顆粒物為3mg/m3，其羰基硫約100mg/m3，H2S約10mg/m3，同時含有少量的CS2及硫醚等。故在鍋爐摻燒高爐煤氣時，SO2排放為重點監控指標，當排放SO2折算濃度偏高的情況下應該減少高爐煤氣的摻燒量。

轉爐煤氣含硫量低、含塵量低、NOx較多。以某公司跟蹤檢測數據為例，其外送轉爐煤氣的顆粒物為2mg/m3，其主要羰基硫約20mg/m3，H2S約5mg/m3。故在鍋爐摻燒轉爐煤氣時，NOx排放為重點監控指標，當排放NOx折算濃度偏高的情況下應該減少轉爐煤氣的摻燒量。

2.2?助燃空氣的影響

空氣中主要成分為N2、O2，分別占78.08%、20.95%，還有少量的CO2及氦、氖、氬等稀有氣體，以及局部微量的SO2等污染性氣體。空氣的組分不是固定不變的，其具有地域性和時效性特征，以某地某時的大氣分析數據為例，如表2所示，組分含量為：

空氣中的N2屬于惰性氣體，一般不參與反應，亦不屬于污染物。雖然其在爐內高溫環境下可少量與O2發生反應生成NO、NO2及NOx污染物，但由于參與反應的N2很少，故空氣中的N2含量的少量變化對污染物各排放指標基本無影響。

空氣中的O2雖不屬于污染物，但在鍋爐爐內燃燒過程中參與化學反應，是氧化劑，其與燃料的配比（風煤比）對污染物在爐內的生成還是有較大影響的。

空氣中的雜質對鍋爐煙氣排放顆粒物有一定影響，尤其在大黃沙、重霧霾天氣，空氣中的懸浮顆粒隨送風進入鍋爐爐膛，然后再通過煙囪排放，使顆粒物排放值增大。

2.3?鍋爐燃燒強度的影響

故鍋爐污染物的形成是在鍋爐中的“爐”內完成的，煤氣燃料在“爐”中與助燃空氣中的氧氣快速結合燃燒，發生化學變化，放出大量熱量。在爐膛燃燒器噴嘴附近可形成1000多度的局部高溫，在此高溫環境下，各種S化合物（主要為H2S、COS）、C及C化合物（對于冶煉廢氣而言，主要為CO）與空氣中的氧氣發生氧化還原反應，生成SO2和CO2及少量SO2可進一步氧化為SO3，化學反應式分別為

H2S+O2H2O+SO2

COS+O2CO+SO2

CO+O2CO2

SO2+O2SO3（少量）

表現為氧氣濃度越高、燃燒強度越高、反應溫度越高、反應越完全，直至S化合物完全轉化為SO2，C及C化合物（主要為CO）完全轉化為CO2。故燃燒強度越高、反應溫度越高、助燃氧氣濃度越大，排放生成的SO2越多，但最大值不會超過為S化合物完全轉化為SO2的理論值，同時排放生成的顆粒物越低。

由于助燃空氣中的N2和O2在鍋爐燃燒的高溫環境下可以發生化學反應，產生部分NO、N02和少量其他氮氧化合物（如N2O等），統稱NOx，主要化學反應式為

N2+O2NO

NO+O2NO2

其特點為爐膛溫度越高，氧氣濃度越大，產生的當氧化物越多，即NOx排放濃度越高，排放量越高。以某冶金企業煤氣熱值分析數據為例，高爐煤氣熱值為750～800KJ/Nm3、轉爐煤氣熱值為1350～1500KJ/Nm3、焦爐煤氣熱值為3200～3800KJ/Nm3，即轉爐煤氣熱值約為高爐煤氣熱值的2倍、焦爐煤氣熱值約為高爐煤氣熱值的5倍，故燃燒轉爐煤氣或焦爐煤氣時產生的NOx遠高于燃燒高爐煤氣。為了降低NOx排放，可以在不降鍋爐負荷情況下多摻燒熱值相對較低的高爐煤氣，或者采取分散燃燒、貧氧燃燒措施，降低局部燃燒強度。實踐證明，燃氣鍋爐采用低氮燃燒器對于降低NOx排放是切實有效的。

3?監控指標折算濃度與鍋爐氧含量的關系

如圖3，按《GB132232011火電廠大氣污染物排放標準》之5.2大氣污染物基準氧含量排放濃度折算方法：

從上圖3中公式（1）可以看出，大氣污染物基準氧含量排放濃度由實測的大氣污染物排放濃度、實測的氧含量、基準氧含量三個參數所決定，分別與圖1所示的折算濃度、實測濃度、氧含量均值為一一對應關系。

上圖3中公式（1）中的數值“21”，實際上代表的是“空氣中O2體積含量，21%”。

基準氧含量按圖3中《表4基準氧含量》之規定，燃氣鍋爐取3%（常值）。由上故而可推導出圖1所示的

折算濃度=實測濃度×（21-3）÷（21-O2）

=實測濃度×18÷（21-O2）

即大氣污染物排放折算濃度受實測濃度和氧含量均值兩個參數所決定。因對于SO2、NOx、顆粒物的折算方式相同，故以SO2折算做進一步分析如下：

鍋爐燃燒過程不可能產生硫元素，故煙氣中的SO2均為燃料中的硫單質或含硫化合物通過燃燒生成（空氣中硫含量微少，忽略不計），其直接測量得出的即為實測濃度。

3.1?實測濃度

實測濃度即為表計直接測量值，即在當前煙氣溫度、流速、煙氣成分濃度的情況下實時測量轉換得出的數值，單位為mg/m3。如例1：1mg的SO2通入1m3的無硫煙氣中，SO2的實測濃度為1mg/m3（體積增加極少，忽略不計）。再如例2：1mg的SO2通入2m3的無硫煙氣中，SO2的實測濃度為0.5mg/m3（體積增加極少，忽略不計）。在鍋爐運行入口燃料量不變的情況下，增加的1m3煙氣為1m3空氣。

3.2?折算濃度

折算濃度實際上應為在統一標準測量計算得到的真實值，即剔除額外增加的助燃空氣（如上例1：1m3空氣）影響后的數值。

3.3?煙氣氧含量

燃料燃燒時，為了實現完全燃燒的目的，風煤配比中通常采用過量空氣的方法。煙氣氧含量即煙氣中含有的多余的自由氧，通常以干基容積百分數來表示，即鍋爐排放煙氣實時測量的氧氣含量值。在圖1中同時亦是為了剔除額外增加助燃空氣（如上1m3空氣），人為引入的調控參數。按上述規范要求，空氣中的氧氣體積含量同樣按21%計。

如上例1：SO2實測濃度為1mg/m3時，假定此刻煙氣氧含量為3%。

則計算對應例2：SO2實測濃度為0.5mg/m3時的煙氣氧含量為：（3%×1+21%×1）÷2=12%。

3.4?燃氣鍋爐折算濃度的計算

依據3.1所述：折算濃度＝實測濃度×18÷（21-O2），計算折算濃度為：

對于例1：當SO2實測濃度為1mg/m3時，SO2折算濃度A（1）=1×18÷（21-3）=1mg/m3。

對于例2：當SO2實測濃度為0.5mg/m3時，SO2折算濃度B（0.5）=0.5×18÷（21-12）=1mg/m3。

兩次所計算的折算濃度，結果相同。由此可以看出折算濃度的結果本質上是不受煙氣氧含量的影響的。即大幅增加或減少助燃空氣以改變煙氣氧含量，折算濃度維持不變。折算濃度值的大小是由燃料組分及燃燒特性所決定的。

結語

大氣污染物排放的折算濃度的大小不受鍋爐煙氣氧含量的直接影響，其值的大小是由燃料特性及組分中的元素含量及燃燒特性、燃燒強度、燃燒火焰區氧氣濃度決定的。燃燒焦爐煤氣時主要表現為顆粒物排放折算濃度升高、SO2排放折算濃度升高；燃燒轉爐煤氣時主要表現為NOx排放折算濃度升高；燃燒高爐煤氣時主要表現為SO2排放折算濃度升高。在某項污染物排放折算濃度超標時，可以通過及時調整各種煤氣燃料配比以實現達標排放。另外作為鍋爐本體的燒嘴升級改造（如低氮燃燒技術）及尾部環保設備的穩定運行與煤氣燃料源頭治理同樣重要，并不在本文論述之內。本文重點闡述的是在現有設備設施的條件下，通過煤氣燃料摻燒量的調整和配風控制降低污染物排放，保證鍋爐正常運行，進而降低煤氣放散率，實現廢氣資源利用效益的最大化。

參考文獻：

［1］環境保護部科技標準司.火電廠大氣污染物排放標準（GB?13223—2011）［S］.北京：中國環境科學出版社，2011.

［2］程琳.火電廠大氣污染物排放標準及治理現狀［J］.環境保護前沿，2014，4（3）：7276.

［3］楊美丹，張苗云，沈麗丹，等.淺談大氣中NOx污染控制對策［J］.科技資訊，2014，24（093）：126127.

作者簡介：趙素仿（1974—?），男，漢族，河北威縣人，本科，熱能工程高級工程師，研究方向：二次能源利用發電。