燃气锅炉低氮燃烧技术装备研发与示范

  随着北京市大力推行“煤改气”，大量的煤炭正在被天然气等清洁燃料替代，天然气主要成分是CH4，几乎没有灰分、硫含量很低，不存在含汞化合物，从化学平衡的角度看，的确比煤炭更加清洁，主要污染物颗粒物、SO2、Hg的排放更低。(引图——单位热量煤炭与天然气产生污染物的比较)，但是我们的天然气使用是否真的清洁?我们以北京市燃气锅炉NOx排放的平均水平与煤炭进行比较，发现天然气虽然只有煤炭燃烧产生NOx的30%，但两种燃料的NOx仍处于同一个数量级。这是怎么回事?实际上，“煤改气”在NOx减排上只是减少了燃料氮，我们知道天然气的燃烧是需要空气作为助燃剂的，当氧气与CH4发生化学反应产生大量热的同时，高温使得空气中的氮气也被部分氧化形成NOx，从而排放进入大气。NOx在大气中会参与光化学反应，是PM2.5、O3形成的重要前体物。引用北京市PM2.5源解析的结果(引图——PM2.5源解析图谱，北京和其他城市)，2013年北京市PM2.5中的N/S摩尔比已经达到了1.7，这一比例远超过全国平均水平0.33，也就是说NOx在PM2.5中的贡献已经大大超过了SO2。从北京市近15年的空气质量变化趋势上看(引图——环境空气质量浓度变化趋势)，SO2呈现了明显的下降趋势，这与近年来的大规模“煤改气”密切相关，虽然“煤改气”对NOx的有协同减排作用，但由于城市发展带来的能源增量，最终NOx的减排上并不显著，从图中可以看出2008年以后环境空气中的NO2则基本稳定在40-60微克/立方米左右，已经进入瓶颈期。从北京市的重污染过程发生的时间频率看(引图——是否有图?)，冬、春两季发生频率最高，这与冬季采暖消费大量的化石能源有密切的相关性。根据北大对2013年一次重污染过程的分析(引图——)，可以看出PM2.5与NOx的浓度呈现了强相关性，SO2在这次重污染过程中的几乎持续在一个比较低的水平。因此，以SO2为特征污染物的煤烟型污染已经悄然向NOx污染转化。

  随着北京市产业结构的调整，工业生产活动造成的排放量呈现逐年萎缩的态势，与居民生活相关的污染源比例在升高。北京要实现空气质量的改善，必须从生活源实施深度减排。如前所述，随着大气环境污染形成机理的逐渐清晰，环境管理、污染控制将更加精细化，北京市环保局正在修订北京市《锅炉大气污染物排放标准》，其中对燃气锅炉的NOx排放控制提出了非常高的要求，到2017年北京市新建锅炉NOx要达到30mg/m3，只有现行标准限值的1/5，是继美国南加州空气质量管理区之后的最严标准。NOx的产生环节主要受燃烧系统控制，也就是燃烧器非常关键，同时锅炉本体的设计、受热面的布置也要与火焰尺寸匹配。这一标准的实施将对北京燃烧器市场形成较大的冲击，目前仅有少数的国外燃烧器企业可以提供这样的产品。为了配合北京市地方标准的实施，提高我国燃烧器产业细分市场的竞争力，北京市科委在2014年启动了北京市重大科技计划项目《燃气锅炉低氮燃烧技术装备研发与示范》，拟将国内的技术开发、产品制造、市场拓展等优势资源进行整合，促进新兴环保产业的发展。

  我们在充分分析低氮燃烧器工业应用技术发展趋势的基础上，课题组确定了低氮燃烧器的技术路线，经过半年的结构设计和数值模拟，已完成了低氮燃烧器的产品初步设计，初步设计方案采用了火焰分割、燃料分级以及烟气再循环等多种技术，实现了低温燃烧与火焰稳定这一对矛盾因素的统一。同时燃烧器拟采用软测量值目标反馈控制技术，该项技术可根据燃烧器的负荷变化实现对燃烧效率、NOx排放的动态优化，或将在燃气锅炉燃烧控制技术上实现突破，以期解决中小型燃气锅炉由于成本过高而无NOx控制、大型燃气锅炉过程控制成本过高的问题。该项目目前正在加紧进行样机的制造，清华大学热能工程系对设计方案的NOx初步模拟结果在40mg/m3以下，由于模拟结果的不确定性可能会有30%左右的误差，后续需要进行台架试验对初设设计方案进行试验验证和优化调整。

  本项目的最终产出将实现我国低氮燃烧器、低氮燃气锅炉整体装备的自主知识产权，将应用于燃气锅炉的低氮改造和新建燃气锅炉上，为《锅炉大气污染物排放标准》的实施提供装备与技术支持。该标准的落地，将为本项目开发的低氮燃烧器和低氮燃烧技术打开市场，本项目的完成也将为北京市5000台存量燃气锅炉的低氮改造和“煤改气”项目提供合规支持。该项目的实施预计将减少北京市NOx排放量约2万吨，减排比例在10%以上，减少采暖季北京市NOx排放量约30%，提高北京市大气环境抗重污染的能力，减少采暖季的雾霾发生频次。