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1、锅炉大气污染物排放标准编制说明（二次征求意见稿）标准编制组2015年1月目 录1. 项目背景- 1 -1.1 任务来源- 1 -1.2 本标准提出和归口单位及管理人员- 1 -1.3 本标准起草单位和人员- 1 -1.4 主要工作过程- 1 -2. 标准修订的必要性和意义- 2 -2.1 减少NOx排放是改善环境空气质量的需要- 2 -2.2 能源结构调整的需要- 4 -2.3 落实大气污染防治行动计划、北京市20132017大气污染防治行动计划重点任务分解的通知等文件的需要- 4 -2.4 燃气锅炉NOx排放限值相对宽松，排放水平较高- 5 -2.5 北京市燃气锅炉耗气量快速增加，必须严控其
2、NOX排放- 6 -2.6 燃气锅炉低氮燃烧技术的发展应用为标准修订提供了技术保障- 7 -3. 国内外相关标准调研- 9 -3.1 国外燃气工业锅炉相关标准调研- 9 -3.2 国内燃气工业锅炉相关标准调研- 10 -3.3 国内壁挂炉相关标准调研- 11 -4. 燃气低氮燃烧机理及技术调研- 12 -4.1 甲烷-空气燃烧过程氮化学基本原理- 12 -4.2 国内外燃气工业锅炉NOx控制技术现状- 12 -4.3 美国燃气工业锅炉NOx最佳可行控制技术- 16 -4.4 低氮燃烧技术装备产业调研- 18 -5. DB11/139-2007执行情况及锅炉现状- 19 -5.1 电站锅炉- 1
3、9 -5.2 燃煤工业锅炉现状- 20 -5.3 燃气锅炉NOx排放现状调研- 22 -6. 标准编制原则、依据和技术路线- 24 -6.1 编制原则- 25 -6.2 编制依据- 25 -6.3 技术路线- 26 -7. 主要内容说明- 26 -7.1 锅炉大气污染物排放限值- 27 -7.4 监测- 30 -8. 强制性标准的建议说明- 31 -9. 贯彻标准的措施建议- 32 -10. 标准实施后的环境效益- 32 -11. 社会稳定风险评估- 33 -11.1 项目概况- 33 -11.2 风险评估的目的及方法- 34 -11.3 风险评估- 34 -11.4化解风险预案- 37 -1
4、. 项目背景1.1 任务来源根据北京市改善环境空气质量的要求，结合锅炉大气污染防治技术发展状况，北京市环境保护局和北京市质量技术监督局于2013年4月共同下达北京市地方标准锅炉大气污染物排放标准的修订任务，标准承担单位为北京市环境保护科学研究院。1.2 本标准提出和归口单位及管理人员本标准由北京市环境保护局提出并归口。管理人员：北京市环保局大气环境管理处 刘炜 曾景海；北京市环保局科技标准处 李铁军 李丽娜。1.3 本标准起草单位和人员起草单位：北京市环境保护科学研究院起草人员：闫 静、宋光武、潘 涛、王军玲、罗志云、孙雪松、钟连红、刘 晓。1.4 主要工作过程标准编制组自2013年4月启动标
5、准修订工作以来，开展了北京市锅炉及其排放现状调研、国内外相关标准及防治技术调研、低氮燃烧机理及燃烧器厂家调研及座谈等，基于调研工作和监测结果分析，结合市环保局主管处室的工作需求和管理思路，形成标准（送审稿）及编制说明。具体工作过程包括：（1）资料调研。对国内外锅炉排放标准、污染防治技术、燃气工业锅炉低氮燃烧原理及其技术发展状况、行业相关政策等内容开展资料调研。（2）北京市锅炉容量分布、排放现状调研及监测。对北京市目前在用锅炉，重点是燃气锅炉开展调研，掌握燃气锅炉数量及其容量分布；选择不同品牌、不同容量燃气工业锅炉开展大气污染物排放监测，掌握燃气工业锅炉低氮燃烧技术应用情况及其NOx排放水平。（
6、3）燃气低氮燃烧技术调研及产业化情况调研。主要针对燃气工业锅炉NOx控制技术及实体装备发展状况开展了调研。首先调研了国内外主要燃烧器生产厂家，包括利雅路热能设备（上海）有限公司、三浦工业设备（苏州）有限公司、上海凌云瑞升燃烧设备有限公司、无锡赛威特燃烧器制造有限公司、芬兰奥林集团、美国宝尔菲、美国强生燃烧器公司以及美国ZEECO集团公司等燃气燃烧器生产企业，了解各企业低氮燃烧原理及其NOX控制水平。然后针对低氮燃烧系统锅炉匹配情况，调研了江苏双良锅炉有限公司、泰山集团股份有限公司以及安阳方快锅炉有限公司。之后还赴中国特种设备检测研究院燃烧器测试中心、浙大热能工程研究所、中国科技大学、清华大学热
7、能工程研究所开展调研，了解了燃气锅炉燃烧器国内外主要品牌、低氮燃烧机理、存在问题、NOx排放特征、国内燃气锅炉及燃烧器生产技术水平。（4）形成标准（征求意见稿）。基于上述调研及监测结果，重点论证和确定了标准的主要技术内容，包括标准适用范围、污染控制指标及排放限值、烟囱高度、监测分析方法以及运行管理要求等，形成了标准文本（征求意见稿）及其编制说明。（5）形成标准（二次征求意见稿）。标准公开征求意见，汇总分析返回意见，根据环境管理需要和标准（征求意见稿）的实施情况对标准进行修改完善，形成标准（二次征求意见稿）及其编制说明。2. 标准修订的必要性和意义2.1 减少NOx排放是改善环境空气质量的需要2
8、.1.1 环境空气质量标准修订对环境空气质量达标提出了更高要求2012年国家新颁布的环境空气质量标准（GB3095-2012）在调整环境空气质量功能分区方案的同时，还完善了污染物项目和监测规范，包括在基本监控项目中增设PM2.5年均、日均浓度限值和臭氧8h浓度限值，收紧PM10和NO2浓度限值等。近年来的监测数据表明，典型特征污染物PM2.5出现较大超标比例和区域性长时间严重超标情况，改善环境空气质量面临巨大挑战。2.1.2 北京市环境空气质量改善已进入NO2限制瓶颈期1998年以来，北京市的环境空气质量得到了持续改善（见图2-1），各项环境空气质量指标均呈现明显下降趋势，其中SO2下降幅度最
9、为显著，且呈现逐年递减的趋势，目前已远低于国家二次标准，这与燃煤设施脱硫、清洁能源改造密不可分。虽然NO2的年均浓度变化也是整体呈现下降趋势，但从图中可以看出，自2007年以来，NO2的年均浓度始终维持在5060g/m3左右，已进入瓶颈期，且距离达到国家二级标准尚有一定距离。SO2、NO2均是细颗粒生成的前驱物，其在环境中的浓度越高则大气环境越脆弱，一旦满足细颗粒物生成的光化学条件，短时间就可以形成细颗粒物浓度迅速积累，从而造成污染过程。图2-1 1998-2013年北京市环境空气质量变化情况2.1.3 化石能源采暖是冬季重污染过程频发的重要原因随着产业结构的调整，2013年北京市第三产业增加
10、值已达到全市的76.9%，第三产业的从业人员数量占全市从业人员76.7%。而第二产业进一步萎缩，规模以上增加值占比从2000年的24.5%下滑至2013年的17.6%，其中计算机、通信和其他电子设备制造业、汽车制造业和电力、热力生产和供应业就占去第二产业工业增加值的50%以上。这在一定程度上说明，北京市的化石能源消费的时间区间更多地集中于冬季采暖，以保障社会基本需求为主，而锅炉正是其主要的消费终端。从全年的污染过程发生频次看，冬季最高，春季次之，与能源消费量呈现出正相关的关系，是冬季重污染过程频发的重要原因。因此，对于化石能源采暖的污染物排放加强控制力度势必将有效缓解北京市冬季重污染过程。2.
11、1.4 NOx排放与PM2.5的关系国内外研究和治理经验表明，控制区域性PM2.5污染是一项难度非常大的系统工程，必须在综合分析基础上，提出有针对性的控制对策，才能有效缓解区域PM2.5污染。PM2.5包括一次排放和二次生成粒子两部分，以北京为例，二次粒子比例较高，特别是重污染时段PM2.5中二次粒子比例较常规时段明显增加。有观测数据表明，重污染发生时PM2.5与NOx的环境质量浓度变化呈现强相关、同步变化的特征（见图2-2）。NOx是PM2.5的重要前体物，在形成过程中有两个作用：一是反应生成的NO3-是二次粒子的重要化学组分；二是通过光解链式反应生成O3，增加大气氧化性，提供将SOx、NO
12、x氧化生成SO42-和NO3-的氧化剂。美国加州利用CAMQ模型模拟削减一次排放的NOx对PM2.5的影响，结果是每减少1吨NOx排放可减少约0.13吨PM2.5。北京最新研究结果表明，二次粒子是目前PM2.5的主要贡献者，且比2000年有明显上升，主要成分为水溶性离子（占53%）、地壳元素（占22%）、有机质（占20%）和元素碳（占3%），其他未知元素约占2% ，且NO3-/SO42-比例关系呈现增加趋势。水溶性离子中以SO42-、 NO3-和NH4+为主，三者之和（SNA）占PM2.5的比例平均近50%，SNA的浓度贡献是造成PM2.5污染的主要原因。因此，减少NOx排放是改善空气环境质量
13、的重要任务之一。图2-2 2013年1月份一次重污染过程监测数据2.2 能源结构调整的需要加快推进首都能源发展方式转变和结构化转型，大力消减煤炭消费总量，大幅提高天然气、电力、新能源和可再生能源的比重，构建形成更加安全稳定、清洁高效、多元互补、城乡协调的现代城市能源体系，是“十二五”北京市能源发展为积极适应“人文北京、科技北京、绿色北京”总体战略和中国特色世界城市发展要求提出的重要发展目标。2.3 落实大气污染防治行动计划、北京市20132017大气污染防治行动计划重点任务分解的通知等文件的需要国务院印发的大气污染防治行动计划中明确提出，“加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设，到2
14、017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨及以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20蒸吨以下的燃煤锅炉；其他地区原则上不再新建每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉。在供热供气管网不能覆盖的地区，改用电、新能源或洁净煤，推广应用高效节能环保型锅炉。”北京市市政府印发的北京市20132017大气污染防治行动计划重点任务分解的通知中明确要求“到2015年，燃煤总量比2012年消减800万吨；优质能源消费比重提高到85%以上。到2017年，燃煤总量比2012年消减1300万吨，控制在1000万吨以内；优质能源消费比重提高到90%以上，煤炭占能源消费比重下降到10%以下，电力、天然气等清洁
15、能源的供应力度与能源平衡进一步加强2013年，在东南、西南燃气热电中心投产运行的基础上，基本建成西北燃气热电中心4台机组并投产运行2台机组，东北燃气热电中心主体结构封顶；关停科利源热电厂燃煤机组，大唐高井热电厂4台燃煤机组停机备用；启动华能北京热电厂新增发电机组工程。2014年，西北、东北燃气热电中心建成投入运行；关停高井热电厂，国华、京能热电厂燃煤机组停机备用。2015年，华能北京热电厂新增燃气发电机组建成投产；关停国华、京能热电厂燃煤机组，华能北京热电厂燃煤机组停机备用。2016年，关停华能北京热电厂燃煤机组。共消减燃煤920万吨左右。”以及“实现城六区无燃煤锅炉”120万吨、“市级以上工
16、业开发区燃煤设施清洁能源改造”80万吨、“消减工业企业燃煤”200万吨等压减燃煤措施。2.4 燃气锅炉NOx排放限值相对宽松，排放水平较高根据全国燃气工业锅炉的检测统计分析结果，其中NOx排放质量浓度小于等于200mg/m3的锅炉仅占35%，NOx排放质量浓度小于等于300mg/m3的锅炉占80%，NOx排放质量浓度小于等于400mg/m3的锅炉占94%，即达标率为94%。但对于北京市目前150 mg/m3的限值只有约15%的燃气锅炉可以达标。北京市环境保护科学研究院对北京市内的47台燃气工业锅炉检测结果表明，NOx排放浓度在19262mg/m3，均值133 mg/m3，超过150mg/m3的
17、占43%。中国特种设备检测研究院对在中国销售的37个不同型号燃烧器（含油气两用）的NOx排放检测发现，燃烧器在合理使用状态下的NOx排放浓度为54184mg/m3，均值浓度为116 mg/m3。基于低氮燃烧控制技术发展，美国南加州空气质量管理区2003年修订的燃气工业锅炉（不含石化）大气污染物排放标准，对燃气锅炉NOx给出了明确的排放限值并规定了达标时间表（详见表3-1），自2008年9月5日所有燃气锅炉执行60mg/m3限值（O23.5%）；功率大于22MW锅炉自2013年1月1日执行10mg/m3限值（O23.5%）；功率在6-22MW锅炉自2014年1月1日起执行18mg/m3限值（O2
18、3.5%），自2016年1月1日起执行18mg/m3限值（O23.5%）；功率在1.5-6MW锅炉自2015年1月1日起执行18mg/m3限值（O23.5%）。由此可见，我国燃气锅炉的NOx排放浓度较高，对燃气锅炉NOx排放控制还需进一步加严。此外，燃气采暖热水炉（以下简称壁挂炉）尽管额定热输入小，但NOx排放水平也较高，根据编制小组对西城区等3台壁挂炉检测结果，其NOx排放浓度在134167mg/m3，均值152mg/m3，所有被检测壁挂炉均为普通燃气壁挂炉，应提起一定程度的重视。2.5 北京市燃气锅炉耗气量快速增加，必须严控其NOX排放截至2013年上半年，北京市共有0.7MW及以上规模的
19、锅炉9063台，其中燃气工业锅炉（不含发电用燃气轮机）4974台（数据来源：北京市技术监督局，统计数据中未包含常压锅炉）。燃气工业锅炉总出力27195蒸吨，占全市锅炉总出力的49.6%。北京市燃气工业锅炉容量分布见图2-3，由图2-3可以看出：北京市燃气工业锅炉容量普遍较低，容量范围以24t/h为主，其次为46t/h。壁挂炉从1999年开始引入北京市场，截至2013年北京市壁挂炉使用量约为30万台，占全国壁挂炉使用量的30%。从目前国内燃烧器使用情况来看，进口燃烧器约占中国市场份额的90%且以欧洲品牌为主。2.8MW（含）以下常见的品牌有意大利利雅路、意大利百得；2.8MW以上的常见品牌有意大
20、利利雅路、芬兰奥林、德国欧科、德国威索以及日本三浦的模块化拼装锅炉。模块化拼装锅炉的单台锅炉容量为2t/h4t/h，对于实际容量使用变化有良好的适用性，可根据实际需要组合使用。由于扩散燃烧有助于火焰稳定，操作更加安全，目前无论欧洲、日本还是国内燃烧器企业主要采用此类技术，但由于其火焰内存在局部高温区，会产生相对较多的热力型NOx。图2-3 北京市1t/h以上燃气工业锅炉容量分布根据2012年环境统计数据，北京市固定燃烧源NOx排放总量为85331吨。2011年北京市天然气用量为73亿立方米，随着能源结构调整，未来天然气能源比重将显著增加。据北京市燃气集团燃气用量规划，预计2015年天然气用量达
21、212亿立方米，2020年将达到350亿立方米，其中以工业锅炉作为消费终端的用量增长幅度最大，与2011年相比增加幅度超过200%（见图2-4）。未来燃气锅炉排放或将超过机动车，成为北京市NOx的首要污染源， 因此必须及早谋划，进一步加严排放标准，以有效控制其NOx排放总量增长。图2-4 北京市天然气使用量现状及规划2.6 燃气锅炉低氮燃烧技术的发展应用为标准修订提供了技术保障燃气低氮燃烧（器）工业应用技术的发展可分为以下四个阶段：第一阶段，早期燃烧技术的特点是在稳定燃烧的前提下提高燃料的燃尽率，对NOx的生成和危害认识程度则不高。第二阶段，随着燃烧控制技术工业化水平的提高以及环保部门对NOx
22、控制要求的提出，工业界开始认识到采用冷却火焰面温度的方法可有效降低NOx的生成。在这一阶段以分级燃烧为代表的低氮燃烧技术开始了大规模的应用，很好地应对了当时的NOx排放标准。由于分级燃烧不仅可以有效降低NOx生成，CO的排放水平也较低，因此该项技术至今在欧洲、中国、日本、南美仍被广泛使用。但是，分级燃烧对NOx生成量的控制水平差异较大，以EN676为例，根据燃烧技术控制水平的不同，NOx排放可分为三级：170mg/m3、120mg/m3和80mg/m3，分别适用于不同的排放标准。我国目前燃气锅炉NOx排放标准为150400mg/m3（GB 13271-2014），分级燃烧技术是目前国内普遍使用
23、的NOx控制技术。第三阶段，迫于环境空气质量改善的压力，美国南加州最先将NOx的排放标准提高至60mg/m3，燃烧器工业界开始采用烟气再循环（FGR）对在用的燃烧器进行改造，这时经典的分级燃烧和烟气再循环组合技术开始得到广泛应用，并在一段时间内解决了NOx标准加严的问题。第四阶段，2003年南加州再次发布了调高燃气NOx排放标准的计划，工业界初期的解决方案普遍采用贫燃预混燃烧控制思路，即通过鼓入大量的过剩空气来降低火焰区温度，以实现NOx超低排放。在一段时间内燃烧器企业纷纷效仿，贫燃预混系列产品开始普及。但随着能源价格的上涨，排烟热损失和风机能耗过大的问题逐渐凸显，致使燃烧器工业界不得不继续开
24、发业主接受度高、兼顾NOx排放和能源效率的新技术。基于这种考虑，分级燃烧、烟气再循环、贫燃预混、催化燃烧、无焰燃烧、高温空气燃烧等基于某种低氮燃烧技术的深度再开发和技术耦合成为目前超低氮燃烧技术发展的大趋势，但截止目前美国工业界尚未对最优耦合技术给出一致的答案。商业低氮燃烧应用技术发展趋势及排放水平对比见图2-5。图2-5 燃气低氮燃烧技术发展趋势及NOx排放水平比较综上，本标准的修订是持续改善北京市环境空气质量的需要，同时有助于北京市在能源结构调整过程中实现更显著的环境效益；另外，施用成熟可靠的技术，有助于促进环保产业的发展。3. 国内外相关标准调研3.1 国外燃气工业锅炉相关标准调研（1）
25、南加州空气质量管理区燃气工业锅炉排放限值南加州空气质量管理区于2003年修订了辖区内燃气工业锅炉的排放限值，表3-1列出了排放限值及达标时间。表3-1 南加州空气质量管理区的燃气锅炉NOx排放限值分类排放限值（mg/m3）执行时间所有燃气锅炉602008年9月5日22MW102013年1月1日6P22182014年1月1日102016年1月1日1.5P6182015年1月1日注：美国对燃气锅炉的规模限定为大于1.5MW，下同。（2）圣华金河谷空气质量管理区燃气工业锅炉排放限值圣华金河谷空气质量管理区2003年修订了辖区内燃气工业锅炉的排放限值，除了NOx还对CO提出了控制要求，见表3-2。表3
26、-2 圣华金河谷空气质量管理区的燃气锅炉NOx排放限值额定功率（MW）NOx排放限值折算（mg/m3）CO排放限值折算（mg/m3）执行时间1.56184862007年6月1日（3）欧盟 气体燃料用自动强制送风燃烧器BS EN676-2008欧盟在气体燃料用自动强制送风燃烧器BS EN676-2008中对NOx的排放水平分了三个等级，该NOx分类等级自2000年版气体燃料用自动强制送风燃烧器一直沿用至今，见表3-3。表3-3 气体燃料用自动强制送风燃烧器中NOx排放水平分类等级排放水平（mg/m3）117121203803.2 国内燃气工业锅炉相关标准调研（1）上海市地方标准锅炉大气污染物排放
27、标准（DB31/387-2014）上海市2014年8月发布的锅炉大气污染物排放标准（DB31/387-2014），标准中将燃气NOx的排放限值进行了修订，见表3-4。表3-4 DB31/387-2014对燃气工业锅炉NOx排放限值的规定分类NOx排放限值（mg/m3）在用200新建150（2）广东省地方标准锅炉大气污染物排放标准（DB44/765-2010）2010年广东省修订了锅炉大气污染物排放标准（DB44/765-2010），标准中将燃气工业锅炉NOx排放限值进行了修订，见表3-5。表3-5 DB44/765-2010中对燃气工业锅炉NOx排放限值的规定分类NOx排放限值（mg/m3）在
28、用200新建2003.3 国内壁挂炉相关标准调研国内目前尚无适用于壁挂炉的大气污染物排放标准。北京市壁挂炉NOx排放参照北京市地方标准锅炉大气污染物排放标准（DB11/139-2007）中工业锅炉150mg/m3的排放限值要求。我国壁挂炉产品执行燃气采暖热水炉（GB25034-2010）标准要求，该标准对采暖热水炉的相关参数、安全要求、性能要求等进行了规定。对于壁挂炉大气污染物排放，该标准给出了在极限热输入以及特殊燃烧工况下的CO排放浓度要求；对NOx排放仅给出了排放等级，详见表3-7，但并不作为排放限值。表3-7 燃气采暖热水炉（GB25034-2010）NOx排放分级NOx排放分级=1（产
29、品标准过量空气系数）=1.2（排放标准过量空气系数）NOx浓度上限（mg/kwh）NOx（ppm)NOx（mg/m3)NOx（mg/m3）1260148 304 253 2200114 234 195 315085 175 146 410057 117 97 57040 82 68 4. 燃气低氮燃烧机理及技术调研4.1 甲烷-空气燃烧过程氮化学基本原理燃烧理论将NOx的生成分为热力型NOx（Thermal NOx）、快速型NOx（Prompt NOx）和燃料型NOx（Fuel NOx）。天然气中含氮量较低，因此，燃料型NOx不是其主要的控制类型。热力型NOx是指燃烧用空气中的N2在高温下氧化
30、生成NOx。关于热力型NOx的生成机理一般采用捷里道维奇机理：当温度低于1500时，热力NOx的生成量很少；高于1500时，温度每升高100，反应速度将增大67倍。在实际燃烧过程中，由于燃烧室内的温度分布是不均匀的，如果有局部高温区，则在这些区域会生成较多的NOx，它可能会对整个燃烧室内的NOx生成起关键性的作用。快速型NOx在碳氢燃料燃烧且富燃料的情况下，反应区会快速生成NOx。在实际的燃烧过程中各种因素是单独变化的，许多参数均处于不断的变化中，即使是最简单的气体燃料的燃烧，也要经历燃料和空气相混合，燃烧产生烟气，直到最后离开炉膛。炉膛的温度、燃料和空气的混合程度、烟气在炉内停留时间等这些对
31、NOx排放有较大影响的参数均处于不断的变化之中。燃料和空气混合物进入炉膛后，由于受到周围高温烟气的对流和辐射加热，混合物气流温度很快上升。当达到着火温度时，燃料开始燃烧，这时温度急剧上升到近于绝热温度水平。同时，由于烟气与周围介质间的对流和辐射换热，温度逐渐降低，直到与周围介质温度相同，也即烟气边冷却边流过整个炉膛。由此可见，炉内的火焰温度分布实际上是不均匀的。通常，离燃烧器出口一定距离处的温度最高，在其前后的温度都较低，即存在局部高温区。由于该区的温度要比炉内平均温度水平高得多，因此它对NOx生成量有很大的影响：温度越高，NOx生成量越多。因此，在炉膛中，为了抑制NOx的生成，除了降低炉内平
32、均温度外，还必须设法使炉内温度分布均匀，避免局部高温。4.2 国内外燃气工业锅炉NOx控制技术现状现有低NOx燃烧技术主要围绕如何降低燃烧温度，减少热力型NOx生成开展的，主要技术包括分级燃烧、预混燃烧、烟气再循环、多孔介质催化燃烧和无焰燃烧。（1）燃料分级燃烧或空气分级燃烧热力型NOx生成很大程度上取决于燃烧温度。燃烧温度在当量比为1的情况下达到最高，在贫燃或者富燃的情况下进行燃烧，燃烧温度会下降很多。运用该原理开发出了分级燃烧技术。空气分级燃烧（见图4-1）第一级是富燃料燃烧，在第二级加入过量空气，为贫燃燃烧，两级之间加入空气冷却以保证燃烧温度不至于太高。燃料分级燃烧与空气分级燃烧正好相反
33、，第一级为燃料稀相燃烧，而在第二级加入燃料使得当量比达到要求的数值。这两种方法最终将会使整个系统的过量空气系数保持一个定值，为目前普遍采用的低氮燃烧控制技术。图4-1 空气分级a）和燃料分级b）燃烧原理图14（2）贫燃预混燃烧技术预混燃烧是指在混合物点燃之前燃料与氧化剂在分子层面上完全混合，其工艺流程见图4-2。对于控制NOx的生成，这项技术的优点是可以通过当量比的完全控制实现对燃烧温度的控制，从而降低热力型NOx生成速率，在有些情况下，预混燃烧和部分预混可比非预混燃烧减少85%90%的NOx生成。另外，完全预混还可以减少因过量空气系数不均匀性所导致的对NOx生成控制的降低。但是，预混燃烧技术
34、在安全性控制上仍存在未解决的技术难点：一是预混气体由于其高度可燃性可能会导致回火；二是过高的过量空气系数会导致排烟损失的增加，降低了锅炉热效率。图4-2 预混燃烧系统的工艺流程图（3）外部烟气再循环和内部烟气再循环技术燃烧温度的降低可以通过在火焰区域加入烟气来实现，加入的烟气吸热从而降低了燃烧温度。通过将烟气的燃烧产物加入到燃烧区域内，不仅降低了燃烧温度，减少了NOx生成；同时加入的烟气降低了氧气的分压，这将减弱氧气与氮气生成热力型NOx的过程，从而减少NOx的生成。根据应用原理的不同，烟气再循环有两种应用方式，分别为外部烟气再循环与内部烟气再循环。对于外部烟气再循环技术来说，烟气从锅炉的出口
35、通过一个外部管道，重新加入到炉膛内。根据Rkke等的研究，外部烟气再循环可以减少70%的NOx生成。图4-3为外循环烟气的结构示意图。外循环比例对NOx控制效果也有较大影响，随着外循环比例的增加NOx降低幅度也更加明显，但循环风机电耗也将增加。图4-3 外部烟气循环系统15对于内部烟气再循环，烟气回流到燃烧区域主要通过燃烧器的气体动力学来实现。内部烟气再循环主要通过高速喷射火焰的卷吸作用或者旋流燃烧器使得气流产生旋转达到循环效果。图4-4a在燃烧器头部加了一个循环杯，中间通过高速气流，由于压力差使得烟气重新加入到燃烧区域中。图4-4b通过高速气流喷嘴达到循环效果。图4-4 烟气内循环：a）再循
36、环罩，b）射流卷吸通过运用一个旋流器或者切向气流进口来生成一个有切向速度的气流，旋转过程即产生了涡流。涡流的强度可以用一个无量纲数旋流度S表示。当旋流度超过0.6，气流中将会产生足够的径向和轴向压力梯度，这会导致气流反转，在火焰中心产生一个环形的再循环区域。中心再循环区域的高温气体将回到燃烧器喉部，这确保了对冷的未燃烧气体的点火，同时通过降低火焰温度和降低氧气分压减少NOx生成。（4）多孔介质催化燃烧降低火焰温度的另一个办法就是尽可能快和多的加强火焰对外的传热。Zepter在燃烧器内增加了多孔介质（PIM），使得燃烧反应发生在多孔介质内，这样从燃烧器到周围环境的辐射和对流换热就被加强了。实验表
37、明，使用PIM燃烧器的燃烧温度低于1600K，NOx生成量在5-20ppm左右。PIM燃烧器还可以在燃烧器入口处添加催化剂，这样燃料分子和氧化剂分子就会以一个比较低的活化能在催化剂表面进行反应。这样反应温度相比于同类的燃烧要更低。由于反应过程只在催化剂表面进行，不会产生NOx，这样催化燃烧的NOx生成可以降至1ppm。催化燃烧的缺点就是必须保证活性表面在一个比较低的温度下不被氧化或蒸发，且催化剂造价相对较高，难以得到工业化应用。（5）无焰燃烧传统的火焰燃烧分为预混燃烧和扩散燃烧，其主要特点包括：燃料与氧化剂在高温下反应，温度越高越有助于火焰的稳定；火焰面可视（甲烷燃烧的火焰一般为蓝色，有碳烟产
38、生时为黄色）；大多数燃料在很薄的火焰层内完成燃烧，但是燃烧反应会在下游的不可见的区域内完成。为了建立一个火焰，燃料与氧化剂之比必须在可燃极限之内，同时需要点火装置。一般情况下，火焰在点燃以后一般自己充当点火器，对来流进行点火。这就需要足够高的火焰温度来达到最小点火能量，但是高的火焰温度会使得NOx生成增加。Wuenning J.G等在实验室内观察到了一种无焰的燃烧，如图4-5所示。在炉内温度为1000，空气预热到650的情况下，燃料在无焰的情况下燃烧，一氧化碳低于1ppm，NOx接近于零排放。图4-5 火焰燃烧和无焰燃烧为了稳定火焰，可视的燃烧过程需要在燃烧后产生很强的烟气回流；对于无焰燃烧，
39、烟气回流发生在燃烧之前，甚至可能在燃烧器当中，这样再循环的烟气加热了预混的燃料，降低了炉膛温度，扩大了反应区域。无焰燃烧火焰分布均匀，燃烧温度低，同时羟基生成少，这使得NOx产生更少。无焰燃烧需要以下条件：分别射入高动量的空气和燃料流；大量内部的或者外部的高温燃烧产物循环；热量的快速移除，以保证炉膛内各处均未达到绝热火焰温度。无焰燃烧不需要传统的稳燃装置或条件（比如强涡）。4.3 美国燃气工业锅炉NOx最佳可行控制技术NOx排放的控制可通过抑制热力型和燃料型NOx来实现。当燃料为天然气时，由于天然气N含量较低，热力型NOx是唯一可以在实际中被控制的组分。燃烧修正技术通过降低火焰的高温来实现，对
40、降低热力型NOx是最为有效的。当使用预热式燃烧气时，通过向燃烧区喷入水或蒸汽（Water Injection、Steam Injection），将一部分烟气引回至燃烧区（FGR），可以降低预热空气温度。但由于南加州非常严格的NOx排放标准，WI/SI在小型燃气锅炉的应用十分有限。虽然这项技术对于降低热力型NOx非常有效，但是由于对燃烧效率的降低、安全以及燃烧器的控制问题导致其不能被广泛应用。另一方面，FGR有较大的应用基础，既可以单独使用又可以和低氮燃烧器（LNB）联合使用。在实际操作上，很多燃气工业锅炉的LNB设计都是与FGR一起的。很多燃气工业锅炉业主认为LNB控制可行。热力型NOx还可以
41、通过最小化过剩氧量、延迟燃料和空气的混合、将锅炉燃烧容量降至某一程度。第一种技术通常是指氧削减（OT）或低过量空气（LEA），可以通过优化燃烧器的操作达到最小的过剩空气量使得不增加过量的热力型NOx排放。较低的氧浓度对于NOx的影响可能在一定程度上增加热力型NOx，这是由于较小的烟气体积造成的较高温度尖峰。OT和LEA一般对于组装型水管和火管锅炉是不适用的，由于火焰长度和CO浓度较高可能导致背墙火焰爆震。第二种技术通过分级供应输入燃烧区的燃烧空气量来降低火焰温度和氧含量。分级燃烧空气可以通过多种方法实现。对于多燃烧器锅炉，最为实用的方法是让某些燃烧器停用（BOOS）或者将燃料流量偏重于选定的燃
42、烧以达到类似于空气分级的效果。第三种技术通过降低锅炉的热功率以降低炉膛内的尖峰温度，该方法由于涉及降低蒸汽产量而不常使用，仅在某些场合使用。另一种燃烧改造技术为燃料分级，区别于燃烧空气分级。将总燃料量的一部分喷入主燃烧区下游，再燃燃料产生的碳氢基团将还原一次燃料产生的NOx。这项再燃技术当使用天然气为再燃燃料时有较好的效果。南海岸空气质量管理区的BACT指南中根据锅炉的不同功率及用途来设定污染物排放许可，且指南中对于燃料有所限定，要求使用清洁能源。在此背景下，新、改、扩建锅炉多为燃气锅炉，主要是天然气，还有一些液化石油气和丙烷气体，因此BACT指南主要针对NOx排放控制。从指南中抽取22家企业
43、的24台锅炉的排放许可情况（见表4-1）进行分析，对于6MW及以下的锅炉，一般采用低氮燃料器结合燃烧优化或烟气循环来控制NOx的产生，排放水平可控制在12ppmvb3%O2（约为24mg/m3）。对于大于6MW且小于等于15MW的燃气锅炉，除上述措施外，对于导热油炉、加热炉可考虑SCR烟气脱硝，排放水平控制在79ppmvb3%O2（约为14-18mg/m3）。大于15MW的燃气锅炉，在上述措施的基础上需进行SCR脱硝，排放水平控制在59ppmvb3%O2（约为10-18mg/m3）。表4-1 南海岸空气质量管理区采用BACT的锅炉NOx排放水平（主要污染源）企业名称锅炉容量（MW）主要燃料NO
44、x（mg/m3）控制技术AES Huntington Beach225天然气10低NOx燃烧器, FGR, SCR,催化氧化Darling International, Inc.32.21天然气18低NOx燃烧器/FGRKal Kan Foods Inc.23.01天然气18SCRUniversity of California Irvine Medical Center14.23天然气18超低NOx燃烧器Los Angeles County Internal Services Dept.11.42天然气18超低NOx燃烧器结合烟气再循环系统Childrens Hospital Los Ang
45、eles9.93天然气14SCR7.09147.0914Coca Cola9.22天然气14SCRNation Wide Boiler8.43天然气18Cosmetic Laboratories6.28天然气18超低NOx燃烧器LACorr Packaging6.15天然气14SCRHi-Country6.12天然气18Bumble Bee Seafoods, Inc.4.92天然气24Santa Monica - UCLA Medical Center4.77天然气30Liberty Container Co., Key Container4.77天然气24Fullerton College
46、2.93天然气24FIR（内循环）Disneyland Resorts2.49天然气24超低NOx燃烧器Maruchan,Inc.2.40天然气10超低NOx燃烧器RRR Real Estate2.20天然气24L&N Uniform Supply Co Inc.1.84天然气24San Bernardino County Medical Center1.76天然气24SCHI Santa Monica Beach Hotel Associates1.26天然气24超低NOx燃烧器Pacific Life Insurance0.87天然气24预混合金属纤维由表4-1可以看出：加州对燃气锅炉NOx排放控制很严，采用SCR技术排放水平是7-9ppm（约为14-18mg/m3），采用超低氮燃烧技术排放水平是5-12ppm（约为10-24mg/m3）。燃气锅炉低氮燃烧技术已经在美国广泛应用超过二十年，美国国家环保局和地方环保局早已将此技术列为对燃气锅炉氮氧化物排放控制的最佳实用技术，对未安装此技术的燃气锅炉，将不颁发给锅炉使用者大气排放许可证。目前全美国广泛使用的为30ppm（约为60mg/m3）低氮燃烧器，加州则作为全美国的试点于今年开始推广9ppm（约为18mg/m