燃?xì)獗趻戾仩t煙氣NOX排放

邵柏桂

摘要：分戶供暖的比例在冬季供暖市場逐年攀升，作為供暖主要設(shè)備之一的燃?xì)獗趻戾仩t的銷量也在逐年上升，燃?xì)獗趻戾仩t是市場上的主流產(chǎn)品。由于在城市中安裝比較集中，數(shù)量巨大的燃?xì)獗趻戾仩t運(yùn)行時所產(chǎn)生的NOx等排放物，對環(huán)境的影響逐步顯現(xiàn)。本文將對市場上常見的燃?xì)獗趻戾仩t包括常規(guī)大氣式燃?xì)獗趻戾仩t、低氮壁掛鍋爐、二次冷凝低氮壁掛鍋爐和全預(yù)混燃?xì)獗趻戾仩t的排放物中的NOx進(jìn)行測量，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析比較，對燃?xì)獗趻戾仩t的選型給出參考。

關(guān)鍵詞：燃?xì)獗趻戾仩t;NOx;分戶供暖

1.研究背景

隨著全國各地霧霾等極端天氣的出現(xiàn)，環(huán)境污染問題逐漸引發(fā)人們的關(guān)注，促使各家研究機(jī)構(gòu)，積極地探尋霧霾的主要成因。研究發(fā)現(xiàn)，霧霾的主要人為成因在冬季是民用建筑的供熱鍋爐煙氣的排放，尤其是冬季供暖時燃燒煤碳的小鍋爐排放的煙氣影響較大[1]，因此北方冬季的霧霾一直以來都比南方更加嚴(yán)重。同時也發(fā)現(xiàn)空氣中氮氧化物（NOx）的濃度與霧霾的形成有著直接的聯(lián)系[2]。

天然氣管道等城市基礎(chǔ)設(shè)施的大量鋪設(shè)為燃?xì)馊紵O(shè)備的分散化使用提供了基礎(chǔ)條件，并在北方傳統(tǒng)和南方新興的供暖市場都得到了越來越廣泛的應(yīng)用[3]。分戶燃?xì)獗趻戾仩t熱源供暖因其啟停靈活、清潔衛(wèi)生、功率易調(diào)節(jié)、計量簡單等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為獨(dú)立供暖的主流選擇[4]。圖1.1展示了燃?xì)獗趻戾仩t近10年的銷量[5]。

從圖1.2中可以看出，在環(huán)保政策的持續(xù)推動下，2020年低氮爐全年銷量有大幅提高，特別是以河北地區(qū)為代表，大范圍推進(jìn)“煤改氣”工程安裝低氮爐和冷凝爐。

2燃?xì)獗趻戾仩t的污染物排放情況

燃?xì)獗趻戾仩t主要以清潔的天然氣為燃料，煙氣污染物有兩種：1）燃燒后煙氣中的氮氧化物（NOx）;2）燃燒不完全引起的CO。

2.1煙氣中的NOx

NOx是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說的NOx有多種不同形式：包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等，其中NO和NO2是主要的大氣污染物。NOx的來源有三種：1）熱力型（溫度型）NOx指空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卤谎趸蒒Ox;2）快速溫度型NOx，指燃燒碳?xì)淙剂蠒r空氣中的氧和氮與燃料中的碳?xì)潆x子基團(tuán)如CH等反應(yīng)生成NOx;3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化而生成NOx。對于燃燒天然氣的燃?xì)獗趻戾仩t，熱力型和快速溫度型的NOx可能都存在。

空氣的主要成份為20.94%的氧氣和78.1%的氮?dú)?，在參與天然氣的燃燒過程中，氧氣為助燃劑，氮?dú)庖策M(jìn)入燃燒室。氮?dú)夂脱鯕庠诟邷叵屡c天然氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，熱力型NOx可能形成。與大型燃?xì)忮仩t一樣，壁掛爐中熱力型NOx的生成機(jī)理可用捷里道維奇機(jī)理[7]來預(yù)測，如圖1.3所示，當(dāng)溫度低于1500℃時，熱力NOx的生成量很少;高于1500℃時，溫度每升高100 K，NOx的生成反應(yīng)速度將增大6到7倍[8]。在實際燃燒過程中，由于燃燒室內(nèi)的溫度分布是不均勻的，如果存在局部高溫區(qū)，則在這些區(qū)域會生成較多的NOx。因此，降低熱力型NOx的生成主要從3個方面入手：1）降低燃燒溫度，避免局部高溫;2）降低氧氣濃度;3）縮短煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間。

但是快速型NOx是天然氣燃?xì)忮仩t的一個例外，如圖1.3所示，雖然量很少，但是在很大溫度范圍內(nèi)都存在。快速溫度型NOx是碳?xì)浠衔锶剂先缣烊粴?，在燃料過濃燃燒時，空氣中的O2和N2與CH基團(tuán)在燃燒區(qū)發(fā)生反應(yīng)，快速生成NOx?？焖贉囟刃蚇Ox成于火焰面內(nèi)，而溫度型NOx生成于火焰的下游。1971年費(fèi)尼莫爾（Fenimore）提出的反應(yīng)機(jī)理認(rèn)為[10]：CH燃料過濃燃燒時，CN與N2首先生成中間產(chǎn)物：CN、HCN（氰化物）、NH、NH2（氨化物）和N等;然后再氧化成NO，其反應(yīng)過程如圖1.4所示。因此，降低快速溫度型NOx的主要途徑是避免CH的大量產(chǎn)生或者避免燃料過濃燃燒，故預(yù)混燃燒將有助于抑制快速溫度型NOx的生成。

快速溫度型NOx的總包化學(xué)反應(yīng)方程式為：

N2+O2=2NO ΔH=180.5kJ/mol （1.1）

該化學(xué)反應(yīng)是一個吸熱反應(yīng)，高溫狀態(tài)有利于NO的生成而NO非常容易被氧氣O2氧化形成NO2。

2NO+O2=2NO2 ΔH=-114.1kJ/mol （1.2）

該反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，也是NOx轉(zhuǎn)化中非常重要的一個化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)1.2也是空氣中氮氧化物轉(zhuǎn)化的主要方式，溫度的變化對NOx的成分有重要影響，如在汽車內(nèi)燃機(jī)的高溫環(huán)境下，N2和O2化合形成的NO很難再被氧化;而常溫空氣中氮氧化物的主要成分是NO2就是因為反應(yīng)1.2的發(fā)生。另外，由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生的一氧化碳CO也能影響NOx的成分：

NO2+CO=NO+CO2 （1.3）

綜上所述，在燃?xì)獗趻戾仩t的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要采取1）降低火焰溫度、避免局部高溫的方法來降低煙氣中的熱力型氮氧化物NOx的生成;采取2）采用風(fēng)機(jī)來縮短高溫區(qū)停留時間，3）以預(yù)混燃?xì)夥绞絹砥胶庋鯕夂?，來實現(xiàn)減少熱力型及快速溫度型NOx的生成。

2.2各級標(biāo)準(zhǔn)對NOx排放的要求

現(xiàn)行的國家及各地方的鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)，同樣適用于大鍋爐及燃?xì)獗趻戾仩t。國家標(biāo)準(zhǔn)GB25034-2010[11]附錄E給出了燃?xì)獗趻戾仩tNOx產(chǎn)生量量的確定方法，并對NOx排放等級做了相關(guān)規(guī)定，如表1所示。本文所描述的NOx排放量，在單位mg/kw·h的基礎(chǔ)上，加入了換算單位mg/m3和ppmv。應(yīng)該注意的是，不同單位之間的轉(zhuǎn)換基于如下條件：

1）換熱效率最低的情況，給出保守的結(jié)果;

2）如果結(jié)果需要轉(zhuǎn)換為mg/m3的單位，應(yīng)該先基于過量空氣系數(shù)為0進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化系數(shù)可參見[12]。

基于現(xiàn)行的設(shè)計制造燃?xì)獗趻戾仩t的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，依然可以繼續(xù)降低，這也是為什么歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15502-1：2012+A1：2015[13]將NOx排放級別調(diào)整為6級，并且第6級NOx濃度上限為62 mg/kw·h。從表1還可以看出，單體燃?xì)獗趻戾仩tNOx排放量并不是很大，但是由于煤改氣政策從北京及其周邊河北省開始大面積實施，高層建筑的集中建設(shè)，致使燃?xì)獗趻戾仩t的排放總量非常大。這不僅進(jìn)一步造成了相關(guān)城市的熱島現(xiàn)象[14]，而且燃?xì)獗趻戾仩t密集布置時， NOx的排放問題也需要給予重點(diǎn)關(guān)注。

為了貫徹《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國大氣污染防治法》的執(zhí)行和推廣，控制鍋爐燃燒污染物排放，防治空氣污染，國家環(huán)保部制定了《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。作為大氣主要污染物的PM2.5的重要前驅(qū)物，NOx成為大氣污染治理的重中之重，為了進(jìn)一步降低NOx排放，改善空氣質(zhì)量，全國各地區(qū)在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的同時，陸續(xù)出臺更為嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)。例如北京市規(guī)定從2017年4月1日起，北京市全市新建鍋爐執(zhí)行30 mg/m?的排放濃度限值;對于高污染燃料禁燃區(qū)內(nèi)的在用鍋爐，執(zhí)行80 mg/m?的排放濃度限值。與目前各個國家和地區(qū)執(zhí)行的NOx排放要求相比，北京市的鍋爐NOx排放標(biāo)準(zhǔn)幾乎算是全世界范圍內(nèi)最為嚴(yán)苛的要求。下表2為北京市《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》第4.1.1和4.1.2條中對鍋爐排放污染物的相應(yīng)要求。針對燃?xì)獗趻戾仩t的煙氣排放要求，北京政府在當(dāng)?shù)孛焊臍庹袠?biāo)中也同樣采用此標(biāo)準(zhǔn)。

繼北京之后全國各大城市和地區(qū)也紛紛對鍋爐NOx排放要求進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)各自的城市特點(diǎn)，頒布了《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（地方標(biāo)準(zhǔn)）。從表1可以看出，NOx排放分級為5級時，要求NOx濃度上限為70 mg/kw·h，但是在同樣遵守5級NOx排放標(biāo)準(zhǔn)前提下，如果排放量分別為15 mg/kW·h和60 mg/kW·h，那么兩種鍋爐的NOx排放量就差了整整4倍，所以即使都滿足5級的排放標(biāo)準(zhǔn)，但各種壁掛鍋爐的NOx排放量也是明顯不同的，因此即使現(xiàn)階段產(chǎn)品達(dá)標(biāo)，考慮壁掛鍋爐的密集效應(yīng)、及標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新，仍需追求更低的排放濃度。

3燃?xì)獗趻戾仩t的煙氣排放分析

燃?xì)獗趻戾仩t類型

目前市場上主流的燃?xì)獗趻戾仩t有四種，分別為普通燃?xì)獗趻戾仩t（普通鍋爐）、低氮燃?xì)獗趻戾仩t（低氮鍋爐），二次冷凝低氮燃?xì)獗趻戾仩t（二次冷凝鍋爐）和全預(yù)混燃?xì)獗趻戾仩t（全預(yù)混鍋爐），具備低氮功能的有低氮鍋爐、二次冷凝鍋爐和全預(yù)混鍋爐三種。其中低氮鍋爐與普通鍋爐的結(jié)構(gòu)極其相似，其主要區(qū)別僅僅在燃燒器的機(jī)械結(jié)構(gòu)上。普通鍋爐和低氮鍋爐的額定熱輸出是在80/60℃的供回水狀態(tài)下測試的，而二次冷凝和全預(yù)混冷凝鍋爐不只有額定熱輸出，還有在50/30℃的供回水狀態(tài)下測試出的額定冷凝熱輸出。由于冷凝狀態(tài)下有氣態(tài)水蒸汽凝結(jié)為液態(tài)水釋放熱量，致使冷凝鍋爐在50/30℃供回水狀態(tài)下的冷凝額定熱輸出大于80/60℃供回水狀態(tài)下的非冷凝額定熱輸出。

3.1 四種燃?xì)獗趻戾仩t的NOx排放測試結(jié)果分析

本研究主要針對天燃?xì)庾鳛楸趻戾仩t的燃料進(jìn)行相關(guān)研究。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)天然氣G20測試市場上主流的普通鍋爐、低氮鍋爐、二次冷凝鍋爐和全預(yù)混冷凝鍋爐的主流款式各兩款產(chǎn)品進(jìn)行部分負(fù)荷、全負(fù)荷以及超負(fù)荷狀態(tài)下NOx的排放量測試，分析每種燃?xì)獗趻戾仩t煙氣中NOx排放量的影響因素及其相互之間的相關(guān)關(guān)系。

3.2壁掛爐使用G20燃?xì)獾腘Ox排放研究

圖3.1為四種不同類型鍋爐在不同工作模式不同負(fù)荷下燃燒G20燃?xì)獾腘Ox排放量比較，本研究每個工況均測量兩臺不同的同類型鍋爐進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，取其平均值進(jìn)行比較（下同）。

（1）鍋爐工作模式的影響

燃?xì)忮仩t的生活熱水模式為采暖水通過板式換熱器加熱生活熱水。由圖3.1可知，當(dāng)生活熱水的出水溫度設(shè)定在50℃，而采暖同樣設(shè)定在50℃時，供熱模式下的NOx排放量要低于生活熱水模式下NOx的排放量，這是由壁掛鍋爐的運(yùn)行模式?jīng)Q定的，生活熱水的產(chǎn)出是用供熱水通過板式換熱器加熱生活冷水，所以生活熱水模式下，換熱器的出水溫度要大于生活熱水的出水溫度。也可以理解為燃?xì)忮仩t運(yùn)行時夏季測試出水溫度要高于冬季的采暖供水要求，燃?xì)忮仩t的煙氣溫度相對要高一些。另外，在不同工作模式下，鍋爐負(fù)荷越高，NOx的排放量都越高，這是因為負(fù)荷越高，在同樣大小的燃燒室內(nèi)，燃燒的氣量越多，因此煙氣溫度越高，熱力型的NOx生成量自然更多;同時，煙氣溫度對于熱力型NOx的生成有非常明顯的作用，煙溫越高，則煙氣中的NOx比例相對越高。

（2）不同類型壁掛鍋爐的排放比較

如圖31所示，無論在供暖還是生活熱水模式下，普通鍋爐的NOx排放量都是最高的，低氮燃?xì)忮仩t次之，這是由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)造成的，低氮燃?xì)忮仩t只有燃燒器上有回水管，燃燒器的火焰溫度被降低了。天然氣燃燒后，與主換熱器進(jìn)行熱交換后，通過煙管直接排放到室外，最終的排煙溫度也是僅次于普通鍋爐的;而二次冷凝燃?xì)獗趻戾仩t在低氮燃?xì)忮仩t的基礎(chǔ)上，有一個二次冷凝換熱器，進(jìn)一步降低了煙氣的溫度，因此使煙氣中的熱力型NOx的含量進(jìn)一步降低;全預(yù)混冷凝燃?xì)忮仩t則是因為將天然氣和空氣充分預(yù)混后噴入燃燒室進(jìn)行燃燒，其火焰的燃燒表面溫度本來就很低，另外全預(yù)混鍋爐的換熱器結(jié)構(gòu)是主換熱器和二次冷凝換熱器在一起，并構(gòu)成燃燒室的外腔，煙氣必須通過冷凝熱交換器才能進(jìn)入煙管，排到大氣中去，使得煙氣溫度進(jìn)一步降低，進(jìn)一步降低了熱力型NOx的產(chǎn)生量。另外G20燃燒后的燃料型NOx本來就相對較少，作為熱力型NOx占主導(dǎo)的燃?xì)忮仩t，過量空氣系數(shù)增大，未參與燃燒的空氣量增多，這部分空氣會帶走大量熱量，從而降低火焰溫度，熱力型NOx的生成能力減弱，使得NOx實測濃度值降低。

4 結(jié)論

通過對四種燃?xì)獗趻戾仩t在不同負(fù)荷下燃燒G20燃?xì)?，對其煙氣中NO x和CO的排放和鍋爐的換熱效率進(jìn)行研究，結(jié)果表明：普通燃?xì)獗趻戾仩t燃燒G20后煙氣中的NOx在四種鍋爐里面是最高的，全預(yù)混冷凝燃?xì)忮仩t燃燒G20后煙氣中的NOx值是最低的，其排放值會相差3-4倍。對比了四種燃?xì)獗趻戾仩t煙氣中NOx的排放量，供暖和生活熱水工作模式下NOx排放排序為：全預(yù)混鍋爐<二次冷凝鍋爐<低氮鍋爐<普通鍋爐，并且發(fā)現(xiàn)全預(yù)混冷凝鍋爐在部分負(fù)荷時的NOx排放是最低的，而普通鍋爐的NOx排放是最高的。低氮、低氮二次冷凝和全預(yù)混鍋爐都能達(dá)到國家強(qiáng)制產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB25034-2010的NOx排放5級的要求，但只有全預(yù)混冷凝燃?xì)忮仩t可以達(dá)到北京的NOx排放要求30 mg/m3。在供暖季節(jié)，燃?xì)獗趻戾仩t大部分時間都是在部分負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行的，因此全預(yù)混冷凝鍋爐在分戶供暖系統(tǒng)上的大范圍運(yùn)用，將大大降低我國北方地區(qū)在冬季供暖季節(jié)NOx的排放;

如果從煤改氣開始的2017年開始進(jìn)行統(tǒng)計，到2020年。按平均每年不到400萬臺燃?xì)獗趻戾仩t來進(jìn)行計算。如果全部使用全預(yù)混冷凝鍋爐，燃?xì)獗趻戾仩t代替集中供暖的NOx的排放量每年還會至少降低60%以上，而天然氣使用量比現(xiàn)階段至少節(jié)約23%以上。那么煤改氣和分戶供暖將為環(huán)保貢獻(xiàn)更大的力量。

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