14MW天然气热水锅炉低氮燃烧改造

韩丛韦

摘要：锅炉排放烟气中氮氧化物含量超标，通过改造燃气锅炉的本体结构以及更换附属设备，大幅度降低锅炉排放的尾气中氮氧化物含量，达到国家标准。

关键字：氮氧化物;燃气锅炉;低氮改造。

天然气是一种清洁能源，主要成分是甲烷，燃烧产生二氧化碳和水，几乎没有烟尘，主要污染物是氮氧化物，随着政府对大气污染排放的愈发重视，氮氧化物的排放标准也越来越严格。

改造背景：2017年3月，李克强总理在十二届全国人民代表大会第五次会议上所做的工作报告中提出坚决打好蓝天保卫战，2017年二氧化硫、氮氧化物排放量要分别下降3%，重点地区细颗粒物（PM2.5）浓度明显下降。北京市海淀区环境保护局海环保字[2016]13号文件《北京市海淀区环境保护局关于开展燃气锅炉低氮燃烧技术改造的通知》以及北京市DB11/139-2015《锅炉大气污染物排放标准》规定，2017年4月1日后，在用锅炉氮氧化物排放浓度限值为80 mg/m³，新建燃气锅炉氮氧化物排放不应超过30 mg/m³。在这种大背景下，该地区型号为WNS14-1.25/115/70-QT的燃气热水锅炉，在正常运行的情况下，经过内部检测，2015年-2018年氮氧化物排放浓度平均为95mg/m³。该小区燃气锅炉的氮氧化物排放均已经超标，如果在这种情况下继续运行，势必会出现经常性的处罚，因此低氮改造势在必行。当下，在用燃气锅炉的氮氧化物排放标准是80mg/m³，在当前环保形势下，国家排放标准会越来越严，如果仅仅将锅炉的排放达到80mg/m³以下，一方面，很可能会随着政策进一步严格导致二次改造，造成不必要的资源浪费;另一方面，随着设备日渐老化可能导致排放出现波动，出现超标情况，招致环保局的处罚。鉴于以上两点，该单位决定通过改造，将氮氧化物的排放值控制在30mg/m³以内。

改造目标：通过改造，大幅降低氮氧化物的排放，将烟气中氮氧化物含量降低到30mg/m³以下，保证设备正常运行。

对于以天燃气作为燃料的锅炉，氮氧化物的产生途径只要有两种，热力型以及快速型。其中热力型主要是指空气中的氮气在高温下被氧化成氮氧化物，快速型是指快速型 氮氧化物主要发生在燃料燃烧的过程中，在燃料过浓时，空气中的氧气浓度相对较低，在反应区附近会快速生成 氮氧化物，其形成时间只需要大约60ms，与温度的关系不大。针对这两种途径，经过前期的技术调研，目前，市场上普遍采用的降低氮氧化物排放的途径有两种，分别是末端治理技术以及燃烧优化控制。

1、末端治理技术

所谓末端治理技术，简而言之就是把已经产生的氮氧化物通过物理化学反应进行处理，降低烟气中污染物的排放浓度。末端治理技术常用手段有选择性催化还原法（SCR），选择性非催化还原法（SNCR），氧化吸收法以及重金属催化法。

末端治理技术，首先是需要安装末端处理设备，例如空压机、液氧罐、臭氧发生器等，大多用到制氨工艺或者制氧化剂工艺，原材料多用到氨水、尿素等，在治理氮氧化物的同时，容易造成空气二次污染，氮氧化物的治理率可以控制在60%以上，适用于集成度较高，规模化较大的机组，同时对场地有较高要求。

2、优化燃烧法

优化燃烧法是从源头上通过各种技术手段优化燃烧，控制氮氧化物的生成，而目前常用的燃烧优化控制方案有贫燃预混、水冷预混、低氮燃烧机（LNB）+烟气再循环（FGR）以及烟气内循环（FIR）型燃烧机。

各种低氮燃烧技术优劣如下：

（1） 预混燃烧

特点：需要较高的空气过量系数，投资较高，存在回火爆燃的可能，同时，运行费用以及初步投资比较高，而且会降低1%—3%的燃烧效率的降低，适合所在区域空气质量比较好的机组，经过该方法处理后，氮氧化物的排放浓度可以控制在20mg/m³。

（2） 低氮燃烧机（LNB）+烟气再循环（FGR）

特点：安全性较高，对锅炉效率无显著影响，运行费用改造前后无区别，投资比较低，对场地以及环境要求比较小，投资较低，适用于较小规模的机组。

针对两种主要方案的特点，考虑到该地区锅炉房规模较小，如果采用末端治理法会带来一系列的问题，比如氨气或者氧化剂无组织逸散导致二次污染，也势必会占用大量的场地，从施工难度、后期运行、以及周边场地环境以及经济效益多角度考虑不予采用。而优化燃烧法不仅从根源上可以控制污染物产生，而且锅炉房内部的场地完全可以满足要求，因此，该小区确定将低氮燃烧机+FGR（烟气再循环系统）作为改造方案。

烟气再循环技术通过抽取尾部烟道的烟气与空气混合后进入炉膛，降低燃烧区域氧气的浓度以及燃烧区域燃烧温度来抑制热力型氮氧化物的产生，同时降低燃烧速度，抑制了快速性氮氧化物的产生。

实施时间安排在2019年8月，整个改造过程分为两个部分：

第一部分：燃烧机改造

燃烧机改造包括燃烧头、风机、控制系统以及阀组部分。

燃烧头是关键部件，直接关系着燃烧室内部的气流分配以及燃料的燃烧方式，选用低氮燃烧机的目的就是从源头控制氮氧化物的产生。材质的选择应充分考虑冷凝水的腐蚀问题，确保燃烧的稳定以及氮氧化物的排放稳定且不随时间推移而变化。

风机的选型应充分考虑锅炉的负荷，保证系统的配风，运行的稳定可靠而且震动以及噪音均在可接受的范围内。

控制系统，新安装的控制系统必须和现有的锅炉附件的其他控制系统兼容，做到操作维护简便，可视化程度高。

阀组的选型，保证燃烧机的运行稳定。

第二部分：烟气再循环系统

烟气再循环技术是业界常用的有效降低氮氧化物浓度的技术措施。该技术把部分烟气（20%左右烟气量）从烟道引回燃烧机，烟气中因含氧量低不参与燃烧室内的二次燃烧，进而可以有效降低燃烧室温度，从而降低氮氧化物的产生和排放浓度。

这两部分内容改造完成后，不仅在源头上控制了氮氧化物的排放浓度而且在尾部烟气做了相应的处理，将氮氧化物的排放浓度降到最低。

实施的效果

燃气锅炉低氮改造后，经过2019-2020以及2020-2021供暖季实际的运行测试，在锅炉平稳运行阶段，烟气中氮氧化物的浓度普遍低于30mg/m³，而氮氧化物浓度从平均90 mg/m³降低到30 mg/m³，排放总量降低了67%，达到了预期的减排效果。依据实际的运行数据，2019-2020以及2020-2021供暖季分别消耗燃气544万m³以及499万m³，按照理论计算每燃烧1m³天然气产生12m³烟气计算，该地区锅炉房减排效果见下表：

可见，改造完成后的短短两个运行季，该项目累计减少污染物排放7510kg，为首都的蓝天贡献了自己的力量。

推广应用

经过设备的实际运行考察，相关数据的日常检测，这套改造技术成熟可靠，对于规模较小，场地受限的14MW的燃气热水锅炉的低氮改造有着積极的借鉴作用。

参考文献：

[1] DB11/139-2015《锅炉大气污染物排放标准》;P3

[2] 李军 邱金海 29MW燃气锅炉低氮改造工程。《暖通空调》2019年49卷。