近几年，我国频繁遭遇严重雾霾天气，NOX是造成严重雾霾天气的根源之一，减少NOX排放量是治理PM2.5的重要环节。北京自实行“煤改气”政策以来，市区内集中供热燃煤锅炉逐步被燃气锅炉替代。燃煤锅炉改为燃气锅炉后，以天然气为燃料。北京市的天然气由北京燃气集团供应，天然气硫含量非常低，锅炉燃烧天然气产生的污染物中SO2非常少，主要是NOX。

　　“煤改气”之后大部分锅炉的污染物排放量没有检测，NOX排放浓度是否达标无法确定。年7月之前，北京市锅炉NOX排放执行地方标准DB11/—《锅炉大气污染物排放标准》，标准中规定新建、改建、扩建锅炉NOX排放质量浓度限值为mg/m3；年7月北京市环境保护局对该标准进行了修订，进一步降低了NOX排放浓度限值。小区集中供热燃气锅炉有多少能够满足该标准，超标后该如何控制NOX排放浓度是有待解决的问题。

　　综上，研究小区集中供热燃气锅炉NOX的排放情况及影响因素，对北京市控制污染物排放和治理雾霾天气具有重要意义。

1　NOX生成机理

　　天然气在锅炉里燃烧产生的NOX中，氮主要源自空气，天然气中含氮量非常少，可以忽略；氧源自空气。烟气中NOX主要成分是NO和NO2，其中NO占95％以上。NO的生成来自3个途径：热力型氮、燃料型氮和快速型氮。

　　热力型氮由空气中的N2和O2在炉膛高温条件下（℃）反应生成，炉膛温度和反应气体的浓度是影响热力型氮生成量的主要因素；燃料型氮是燃料中的氮在高温（℃）氧化后生成的，天然气中氮的含量非常少，可以忽略；快速型氮是在高燃料浓度燃烧条件下生成的。

　　天然气锅炉产生的氮氧化物主要是热力型氮和快速型氮。实验研究表明：燃气或空气进口温度、燃烧温度和压力参数较高时，热力型氮占主导；温度较低或富燃料的扩散火焰条件下，快速型氮占主导。

2　测试方法及样本情况

2.1　测试方法

　　利用烟气分析仪测量锅炉尾部排烟处的烟气成分。燃气锅炉尾部排烟处均设置烟气分析测试孔，测试时将烟气分析仪探头垂直插入测试孔，使探头端部处于烟囱截面中心位置。为避免测试孔漏风，影响测试准确性，采用麻布等将测试孔缝隙封堵。待测试数据稳定后，记录或打印测试数据。

　　测试仪器为KIMOKIGAZA型烟气分析仪，测量精度为：O2含量，±0.2％；CO含量，±10×10－6；NO含量，±5×10－6；烟气温度，±1℃；环境温度，±0.5℃。

　　烟气分析仪测试的是排烟处NO的体积分数。在数据分析时，NOx以NO2计，量纲折算成mg/m3，折算系数为2.05。

2.2　样本情况

　　测试的样本为北京市小区集中供暖锅炉房，末端用户以住宅为主，部分小区有少量商业用户。供暖面积在5万～50万m2之间，以15万m2为主。共测试了44个小区的85台燃气锅炉，个燃烧状态工况点（多数锅炉为两段火，个别锅炉有三段火，每段火称为一个燃烧工况点）。测试小区主要分布在北京市四环与六环之间，具体分布情况见图1。测试锅炉额定功率范围见表1。所测锅炉未采用任何NOx控制措施。

图1　测试小区分布情况

表1　测试样本锅炉额定功率

3　NOx整体排放情况

　　图2显示了NOx排放浓度分布区间概率。以10mg/m3为排放浓度区间，以每个浓度区间锅炉数除以测试锅炉总数，得到该区间的NOX排放浓度区间概率。NOx平均排放质量浓度为mg/m3，60％分布在～mg/m3之间。75％的锅炉NOx排放质量浓度小于mg/m3，2％的锅炉NOx排放质量浓度小于80mg/m3。

图2　NOx排放质量浓度分布区间概率

4　相关影响因素分析

4.1　锅炉负荷率

　　图3显示了所测NOx含量与锅炉运行负荷率的关系。所测锅炉中，多数采用两段火或三段火控制燃烧，部分锅炉运行中主要以大火为主，只测试大火燃烧状态。由图3可见，NOx含量与大火、中火和小火没有呈现出规律性变化，锅炉负荷率对NOx排放浓度的影响不明显。

图3　测试锅炉样本NOx排放质量浓度与负荷率关系

4.2　排烟处过量空气系数

　　图4显示了NOx排放浓度与排烟处过量空气系数的分布关系。图中NOx含量为排烟处实测的NOx含量与过量空气系数关系。所测过量空气系数范围为1～2.72，平均值为1.28。从图中可以看出，过量空气系数大于1的情况下，随过量空气系数的增大，开始时NOx排放浓度呈上升趋势；当过量空气系数大于1.3后，NOx排放浓度呈下降趋势。

图4　测试锅炉样本NOx排放质量浓度与过量空气系数关系

4.3　排烟温度和锅炉热效率

　　锅炉排烟温度和锅炉热效率密切相关，因此本文将二者合并分析。图5显示了NOx排放浓度与排烟温度、锅炉热效率的关系。计算锅炉效率时忽略锅炉散热损失和燃气不完全燃烧损失，只考虑排烟热损失。

图5　测试锅炉样本NOx排放质量浓度与排烟温度、热效率的关系

　　从图5可以发现：1）锅炉热效率随排烟温度降低而升高；2）高排烟温度下，NOx排放浓度相对较低，低排烟温度下，NOx排放浓度相对较高；3）锅炉热效率对NOx排放浓度的影响与排烟温度相反。

　　测试所有锅炉工况点的平均效率为95％，其中效率低于95％的样本中，NOx超标率（NOx质量浓度大于mg/m3的样本与效率低于95％的样本数之比）为7.8％，效率高于95％的样本中，NOx超标率为29.9％。

5　NOx排放控制建议

　　目前北京市小区集中供热燃气锅炉大部分未采取NOx控制措施。面对严重的雾霾压力，年北京市环境保护局联合北京市质量技术监督局对DB11/—《锅炉大气污染物排放标准》进行了修订，规定年4月1日后在用锅炉NOx排放限值为80mg/m3。在氮氧化物控制方面，国内外已经有许多成熟的方法，对于小区集中供热燃气锅炉建议采用以下措施：

　　1）改造低氮燃烧机。低氮燃烧机利用分段燃烧、分隔火焰燃烧、燃气与空气预混燃烧等技术控制氮氧化物浓度。对于小区集中供热燃气锅炉，直接更换低氮燃烧机容易实施，是最简单直接的控制措施。该技术对容量在14MW以下的锅炉效果明显。

　　2）烟气再循环。该技术利用低过量空气系数下燃气燃烧产生的CO和碳氢挥发物与烟气中的NO发生化学反应，将NO还原成N2。安装时从锅炉尾部烟道引入一根尾气再循环管道与燃烧器烟气调节蝶阀连接。这种方法对容量在14MW以上的锅炉效果明显。

　　3）安装烟气脱硝装置。烟气脱硝是利用氧化还原的方法将NOx还原成N2。该方法脱硝效果好，但是小区供热燃气锅炉房多建于地下，空间狭小且布置集中，对于脱硝设备很难找到合适的安装空间。且多数锅炉在烟道上安装有烟气冷凝装置，增加了排烟阻力，如再安装脱硝装置必须考虑增加风机，会增加能耗。

6　结论

　　1）通过对北京市85台小区集中供热燃气锅炉烟气测试数据进行分析，得知目前小区集中供热燃气锅炉NOx平均排放质量浓度为mg/m3，60％分布在～mg/m3之间。75％的锅炉NOx排放浓度符合北京市DB11/—《锅炉大气污染物排放标准》，仅2％的锅炉NOx排放浓度符合年修订的新标准。

　　2）数据分析表明：锅炉负荷率对NOx排放浓度的影响不明显；随过量空气系数增加，NOx排放浓度呈先升后降的趋势；锅炉热效率和NOx排放浓度存在对立关系，二者不可兼得。

　　3）为降低集中供热燃气锅炉NOx排放量，建议采用低氮燃烧机、烟气再循环和安装脱硝装置3种措施。

本文刊登于《暖通空调》年第5期

作者：

北京华远意通热力科技股份有限公司　王庆丰　杜红波　刘进荣　张广耀

北京建筑大学　李德英

6月14—15日科学实验室论坛

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lktp/108.html