李 宇 魏玉劍 蘇 毅＊ 林 欣 揭 濤 閆玉強(qiáng) 魏 巍

1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所 2.上海市能效中心 3.上海工業(yè)鍋爐研究所

關(guān)鍵字：提標(biāo)改造示范；低氮燃?xì)馊紵?；煙氣在線測量；煙氣再循環(huán)

前言

自2017年始，由上海市能效中心牽頭，組織相關(guān)政府職能部門、研發(fā)機(jī)構(gòu)及設(shè)備生產(chǎn)單位共同就《上海市低氮排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行全面細(xì)致的調(diào)查研究，于2018年6月份頒布了上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《DB31/387-2018鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。《新標(biāo)準(zhǔn)》要求以天然氣為燃料、單臺(tái)出力65t/h以下的蒸汽鍋爐、熱水鍋爐及有機(jī)熱載體鍋爐的氮氧化物排放水平不高于50mg/Nm3。

在該標(biāo)準(zhǔn)確定之前，上海市能效中心組織各相關(guān)單位開展了低氮燃燒器（燃油、燃?xì)猓┭邪l(fā)項(xiàng)目、低氮鍋爐研發(fā)試驗(yàn)項(xiàng)目及低燒改造示范工程項(xiàng)目，以期從切實(shí)可靠的低氮燃燒技術(shù)研發(fā)成果和工程實(shí)施案例中取得可靠的標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)，并在符合上海市當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)?，F(xiàn)狀的基礎(chǔ)上確定適宜的《氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

《低氮排放標(biāo)準(zhǔn)》擬定過程中，先后展開了兩個(gè)階段的示范工作。第一階段，2017年1月～2017年12月，低氮改造示范項(xiàng)目啟動(dòng)。該階段由上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目名稱：工業(yè)鍋爐氮氧貨物排放控制關(guān)鍵技術(shù)與示范）的子課題承擔(dān)單位：上海市能效中心、中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所（以下簡稱“七一一所”）、上海工業(yè)鍋爐研究所（以下簡稱“工鍋所”）、上海市環(huán)境科學(xué)研究院大氣研究所、同濟(jì)大學(xué)、江蘇雙良鍋爐公司先行進(jìn)行低氮改造示范工程項(xiàng)目的執(zhí)行，為后續(xù)的實(shí)施提供數(shù)據(jù)支撐。第二階段，2018年1月～2018年12月，在第一階段成功實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)及新標(biāo)準(zhǔn)頒布基礎(chǔ)上，全市范圍內(nèi)進(jìn)一步推進(jìn)低氮改造示范工程項(xiàng)目，該階段由上海市能效中心統(tǒng)籌部署，推動(dòng)“在用中小燃油燃?xì)忮仩t提標(biāo)改造（低氮改造）示范項(xiàng)目征選活動(dòng)”，搭建了鍋爐使用單位、改造服務(wù)企業(yè)及相關(guān)第三方環(huán)保檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)的對(duì)接平臺(tái)。并在第二階段提標(biāo)改造（低氮改造）過程中，落實(shí)低氮改造補(bǔ)貼政策的制定，為2019年～2020年期間上海地區(qū)所有在用中小鍋爐低氮改造提供重要的推力。

1 工程案例情況簡介

1.1 背景情況簡介

在第一階段，為響應(yīng)上海市能效中心、上海青浦環(huán)保局的低氮改造示范項(xiàng)目的需求，相關(guān)鍋爐使用單位積極配合參與了提標(biāo)改造示范項(xiàng)目的活動(dòng)。其中，威盛亞（上海）有限公司積極與七一一所、工鍋所簽訂了一臺(tái)10t/h蒸汽鍋爐的低氮改造項(xiàng)目。

該項(xiàng)目中，七一一所負(fù)責(zé)低氮燃?xì)馊紵鞯脑O(shè)計(jì)供貨及鍋爐改造，以實(shí)現(xiàn)低于30mg/Nm3的NOx排放為最終目的。工鍋所負(fù)責(zé)鍋爐尾部煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)供貨及鍋爐改造，以監(jiān)測并上傳煙氣中各污染物的排放數(shù)值。整個(gè)項(xiàng)目由七一一所總承包執(zhí)行，七一一所長期從事與燃料燃燒相關(guān)的裝備設(shè)計(jì)研發(fā)與供貨工作，在2016年年底前主要從事化工領(lǐng)域內(nèi)燃用復(fù)雜組分燃料的低氮燃燒器研發(fā)設(shè)計(jì)供貨的項(xiàng)目，自2017年始響應(yīng)市場的需求，開始研發(fā)適用于中小工業(yè)鍋爐的低氮燃燒器。

1.2 設(shè)備情況簡介

威盛亞（上海）有限公司的10t/h蒸汽鍋爐由上海四方鍋爐廠生產(chǎn)，型號(hào)為SZS10-2.5-QT，鍋爐效率為90%。原配一臺(tái)燃油燃燒器，型號(hào)為SAACKE-SKVG80，該燃油燃燒器經(jīng)改造后為燃?xì)馊紵?，功率?.7MW。

該SAACKE-SKVG80燃?xì)馊紵鞯奈廴疚锱欧胖礜Ox不達(dá)標(biāo)，超過DB31/387-2014所規(guī)定的150mg/Nm3，其余污染物參數(shù)在排放限值之內(nèi)。因污染物NOx排放不達(dá)標(biāo)，威盛亞（上海）有限公司曾進(jìn)入上海青浦區(qū)環(huán)保局重點(diǎn)關(guān)注名單，要求其及時(shí)整改。

2 提標(biāo)改造實(shí)施情況

2.1 低氮改造措施

2.1.1 低氮燃燒技術(shù)機(jī)理

依據(jù)當(dāng)前的主流研究成果，NOx主要有3種生成機(jī)制：燃料型NOx、快速型NOx、熱力型NOx。

其中，燃料型NOx來源于燃料中的N元素在燃燒過程中與O2反應(yīng)生成的NOx；快速型NOx的主要來源是氣相中存在的碳?xì)潆x子基團(tuán)與N2相互碰撞后直接生成含N化學(xué)組分（XN），而部分XN組分則會(huì)在N遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制中與O2生成NOx；熱力型NOx則主要是在高溫情況下，空氣中的N2與O2反應(yīng)生成NOx，該反應(yīng)機(jī)制稱為Zeldovich機(jī)理，根據(jù)研究工作的需要，一般分為簡化的和擴(kuò)展的Zeldovich機(jī)理，下述反應(yīng)模型為擴(kuò)展的Zeldovich機(jī)理。

在清潔優(yōu)質(zhì)的天然氣燃燒過程中，NOx主要來源于熱力型NOx，與溫度呈指數(shù)相關(guān)性，在1 100℃以上，熱力型NOx會(huì)急速上升。因此，當(dāng)前低氮燃?xì)馊紵髯钪饕牡偷紵胧┲皇墙档蜔煔鉁囟萚1-4]。

在具體實(shí)施過程中，則是通過火焰分割、燃料分級(jí)、空氣分級(jí)、煙氣再循環(huán)等諸多方式的組合以避免產(chǎn)生火焰高溫區(qū)[5]。

2.1.2 低氮燃燒器技術(shù)方案

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及業(yè)主的定制需求，七一一所提供整套采用煙氣再循環(huán)的低氮燃?xì)馊紵鳎ㄐ吞?hào)：齊耀-LTG100-FGR），其包含一套燃?xì)忾y組、風(fēng)機(jī)、伺服電機(jī)、燃燒控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)由某國際品牌電子空燃比程序控制器驅(qū)動(dòng)，并與現(xiàn)場原有燃?xì)馇袛嚅y和調(diào)節(jié)閥配合成為完整的系統(tǒng)。

煙氣再循環(huán)低氮燃?xì)馊紵骷夹g(shù)方案如下:采用一臺(tái)風(fēng)機(jī)從空氣中抽吸新鮮空氣，并利用風(fēng)機(jī)前的負(fù)壓從爐膛尾部排煙管道抽吸排放煙氣，二者在風(fēng)機(jī)處進(jìn)行充分混合后鼓入燃燒器。燃?xì)馔ㄟ^燃燒器頭部環(huán)形分布的燃?xì)鈬娮熳⑷霠t膛。燃燒頭部采用中心穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)，燃?xì)饨?jīng)由噴嘴結(jié)構(gòu)使一部分燃?xì)庠谥行姆€(wěn)焰盤處維持點(diǎn)火火源，大部分燃?xì)庋貜较蚍较驀娙霠t膛，與空氣延遲混合從而避免產(chǎn)生火焰高溫區(qū)。同時(shí)，在保持全負(fù)荷范圍火焰穩(wěn)定的情況下，選擇較高的空氣風(fēng)速，使燃?xì)獾娜紵臻g范圍更廣。

2.1.3 煙氣在線分析測試方案

該項(xiàng)目中，上海工業(yè)鍋爐研究所承擔(dān)了煙氣在線分析測試裝置的研發(fā)。

煙氣在線分析測試裝置包括煙氣預(yù)處理裝置、NOx檢測儀、氧量測量裝置、溫度測量裝置、信號(hào)處理單元和信號(hào)輸出單元、GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送功能。裝置通過NOx檢測儀檢測煙氣中NOx濃度并傳輸信號(hào)至控制系統(tǒng)，當(dāng)濃度值超過設(shè)定值時(shí)會(huì)發(fā)送報(bào)警信號(hào)至鍋爐控制系統(tǒng)，鍋爐控制人員根據(jù)報(bào)警信號(hào)及測量數(shù)據(jù)對(duì)燃燒工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)NOx排放濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測并人為控制。此外，通過氧量測量裝置監(jiān)控排放煙氣的含氧量，通過溫度測量裝置測量排煙溫度，以上所得信號(hào)參數(shù)傳送至信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元中的可編程控制器（PLC）植入根據(jù)TSG G0003—2010《業(yè)鍋爐能效測試與評(píng)價(jià)規(guī)則》中編制的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，如鍋爐熱效率、過量空氣系數(shù)、排煙熱損失、NOx測量值及折算值等參數(shù)。

煙氣在線分析測試系統(tǒng)的主界面如圖1所示。

圖1 鍋爐排放煙氣在線分析測試系統(tǒng)主界面。

2.2 低氮改造結(jié)果

2.2.1 相關(guān)污染物排放

七一一所提供的齊耀-LTG100-FGR型燃?xì)馊紵饔?017年11月份進(jìn)場安裝，先后進(jìn)行了兩輪調(diào)試。第一輪為燃燒器原廠狀態(tài)下投運(yùn)煙氣再循環(huán)時(shí)的運(yùn)行，其結(jié)果已滿足所簽訂合同中對(duì)NOx排放值低于50 mg/Nm3的需求。為進(jìn)一步發(fā)掘該型燃燒器的低氮排放能力，增加了循環(huán)煙氣（Flue Gas Recycled，F(xiàn)GR）的百分比，然而在長期運(yùn)行過程中會(huì)偶發(fā)燃燒不穩(wěn)定導(dǎo)致的爐膛內(nèi)壓力波動(dòng)現(xiàn)象。為此，七一一所對(duì)燃燒器進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，強(qiáng)化了中心穩(wěn)焰盤的穩(wěn)焰能力。燃燒器原廠狀態(tài)與改進(jìn)狀態(tài)的污染物典型排放結(jié)果見表1。從表1所示數(shù)據(jù)可知，在增加了FGR百分比和強(qiáng)化了中心穩(wěn)焰盤的穩(wěn)焰能力后，NOx的排放值能穩(wěn)定在30 mg/Nm3以下。

表1 齊耀-LTG100-FGR低氮燃?xì)馊紵魑廴疚锱欧疟?/p>

2.2.2 煙氣在線分析測試概況

煙氣在線分析測試裝置在研發(fā)過程中攻克了諸多工程應(yīng)用難點(diǎn)：（1）各傳感器對(duì)煙氣若干組分瞬時(shí)濃度值響應(yīng)曲線不同所帶來的參數(shù)計(jì)算誤差；（2）煙氣預(yù)處理過程對(duì)煙氣組分變化造成的影響；（3）傳感器在長期運(yùn)行中受其它因素影響帶來的基準(zhǔn)漂移；（4）不同濃度值范圍內(nèi)的測量誤差補(bǔ)償修正問題等。最終，通過逐步解決各項(xiàng)問題，得到了一套滿足工程現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下的成功解決方案。

3 小結(jié)

由七一一所主導(dǎo)執(zhí)行的該低氮改造示范項(xiàng)目的成功實(shí)施，為上海市能效中心的后續(xù)工作提供了有力的技術(shù)數(shù)據(jù)及政策制定的基礎(chǔ)，也為環(huán)保局監(jiān)控環(huán)保政策執(zhí)行情況提供了有力的技術(shù)支撐，對(duì)上海地區(qū)的中小鍋爐提標(biāo)改造（低氮改造）工作起到很好的借鑒作用。