摘 要
当前我国大气环境形势十分严峻，环境保护关系人民福祉，关乎民族未来。现行《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）要求，单台出力65t/h以上燃气锅炉，重点地区氮氧化物排放限值为100mg/m3。对存在超标排放风险的燃气锅炉采取降氮措施进行改造显得尤为必要。
本文针对某厂UG-75/3.82-Q4型及UG-130/3.82-Q型燃气锅炉在运行中烟气排放方面主要存在的问题，对氮氧化物的生成机理、控制措施进行了研究。对几种降低氮氧化物的工艺技术从脱氮氧化物的效率、技术水平、改造治理工作量、施工难度、运行维护等几个方面进行了对比。根据燃料组分，对造成两台锅炉烟气氮氧化物超标排放的原因进行了分析，确定了热力型氮氧化物是造成氮氧化物排放量高的根本原因。在遵循技术先进可靠、投资合理、降低成本和减少能耗的原则下，对UG-130/3.82-Q型燃气锅炉进行低氮燃烧器局部改进+烟气再循环的工艺路线进行改造，改造内容主要涉及燃烧器配风盘及喷嘴朝向的优化，新增烟气循环风机及相应进出口烟气管线，改造后组织通过了环保设施竣工验收。对UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉进行低氮燃烧器+烟气再循环的工艺路线进行改造，改造内容主要涉及原燃烧器及炉前燃气系统拆除，更换六台进口低氮燃烧器，配套仪表、炉前燃气控制系统改造，新增烟气循环风机及配套烟气管线及控制系统，改造后组织进行了标定。改造后对监控的运行排放数据进行分析，对减少的氮氧化物排放量及相应的排污费进行了测算。
结果表明，改造实施后，在燃气没有改变的情况下，锅炉热效率没有发生较大变化，UG-130/3.82-Q型燃气锅炉氮氧化物从改造前的均值131.16mg/m3下降到了改造后的均值79.47mg/m3，当年减少NOx排放量为191t，节约排污费用22.9万元；UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉氮氧化物从改造前的均值284.22mg/m3下降到了改造后的78.63mg/m3，当年减少NOx排放量为354t，节约排污费用42.48万元。同时，针对氮氧化物异常排放、环保设施故障处理等生产运行中的问题，对改造后锅炉从生产运行过程控制、管理制度等方面进行完善，以实现锅炉长期运行烟气达标稳定排放的目标。
文末通过对实际运行过程中存在的问题进行分析，并提出相关建议为同行业此类问题的解决提供参考，有助于氮氧化物减排方面措施经验的推广。
关键词： 燃气锅炉；烟气；氮氧化物；达标治理。
Abstract
The air environment in China is now very serious and challenging. Environmental protection is thus very important to people’s wellbeing and China’s future. According to the current Emission standard of air pollutants for thermal power plants (GB13223-2011), the emission limit of NOx in some key areas of China is 100 mg/m3 for over 65t/h natural gas boilers. Therefore, it is essential to make some modifications on those natural gas boilers which fail to meet the emission requirement.
This paper focused on some major gas emission problems of two types natural gas boilers, UG-75/3.82-Q4 and UG-130/3.82-Q. It also studied in this paper about mechanisms of NOx production and controls on this pollutant. Comparison has also been made between several different NOx reduction process technologies from some perspectives, including NOx removal efficiency, technology level, the work amount spending on transformations, construction difficulty, operating maintenance, and so on. We analyzed some factors contributing to the unqualified NOx emission from these boilers and found that the thermal NOx was the major contribution. All of transformations of these two boilers were under guidelines of technologies advancement and reliability, investments rationality, low cost andenergy consumption. For UG-130/3.82-Q4 typed boiler, some parts of its low-nitrogen burner and its flue gas recirculation process were modified. Specifically, we optimized the burner nozzle upwards, and added a new flue gas recirculation fan and corresponding inlet and outlet lines. These modifications have passed corresponding environmental inspections. Similar transformations were also made to the UG-75/3.82-Q4 boiler. Its original burner system were replaced by six low-nitrogen burners which were made abroad, corresponding meters, a new flue gas recirculation fan and corresponding gas pipelines, and a control system. We finally analyzed the NOx emission data acquired in the course of this boiler operation after transformation. We also calculated how much amount of NOx emission could be approximately reduced as well as the corresponding cost to treat it.
After these modifications, it was found that, under similar conditions including same gas source and boilers’ heat efficiencies, an average concentration of NOx dropped from131.16 to 79.47 mg/m3 for the UG-130/3.82-Q boiler, and from 284.22 to 78.63 mg/m3 for the UG-75/3.82-Q4 boiler. This would also reduce NOx emission for the year by 191 ton and save the pollution discharge cost about 229000 yuan for the UG-130/3.82-Q boiler, and by 354 ton as well as 424800 yuan for the UG-75/3.82-Q4 boiler. Meanwhile, we optimized some control methods in the course of operation of these two boilers and management system to reach the goal of the safe emission of NOx produced by natural gas boilers.
Finally, some existing problems during these two boilers operation have been thoroughly analyzed in this paper and corresponding resolutions to them were also proposedas references for peer industries. This will help popularize these experiences on NOx emission reduction.
Key word: natural gas boiler；fuel gas；NOx；require-standard management。
1、 绪 论
受全球化影响，世界各地的环境更加紧密的联系在一起。而中国城市化和工业化的进程加快，能源消耗快速、产业结构单一、污染治理滞后等原因导致了一系列城市环境空气质量问题[1]。生态文明建设是关系中华民族永续发展的根本大计，党的十九大将坚持人与自然和谐共生作为新时代坚持和发展中国特色社会主义基本方略的重要内容，将污染防治作为决胜全面建成小康社会的三大攻坚战之一，将建设美丽中国作为全面建设社会主义现代化强国的重大目标。国家、地方政府和中国石油围绕生态文明建设和生态环境保护提出一系列新理念、新要求、新目标和新部署。面对工业污染、燃煤污染、扬尘污染、机动车尾气污染、面源污染等大气污染问题，需要坚持源头防治、标本兼治，大力推进“技防”及配套管控措施，从源头扭转环境恶化趋势，持续改善空气质量，努力建设美丽中国。
近些年来，我国在锅炉烟气治理方面对二氧化硫及烟尘的排放治理起步较早，排放总量已呈现不断下降的趋势，但对氮氧化物排放的控制，相对较为迟缓，氮氧化物的排放及污染不容乐观[2]。作为重点地区，2005～2014年10年间，兰州市二氧化氮年均值变化呈“倒U型”，2010～2013年二氧化氮年均值逐年下降，2013年为近10年均值最低点，2014年再次升高加剧，超过国家年二级标准限值0.20倍[3]。为了扭转这一局面，使燃气锅炉氮氧化物得到规范治理，我国对火电厂污染物排放制定了更为严格的指标标准。根DB62/1992-2010《兰州市锅炉大气污染物排放标准》规定，燃气锅炉二氧化硫排放标准≤100mg/m3，燃气锅炉氮氧化物排放标准≤250mg/m3，燃气锅炉烟尘排放标准≤50mg/m3。而现行《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）要求，单台设计负荷65t/h以上燃气发电锅炉，重点地区氮氧化物排放限值为100mg/m3。
燃气锅炉作为提供动力能源的设备，其消耗的燃料主要是天然气及瓦斯干气，在提供动力能源的过程同时排放污染物氮氧化物。氮氧化物以NO、NO2、N2O等多种形态存在，是造成大气污染的主要污染源之一，因此被列为国家重点污染源防治控制项目，及早采取先进工艺技术对燃气锅炉烟气排放中污染物氮氧化物进行大规模有效治理，为企业、员工和社会群众创造更加优良生产生活环境，是所有排污企业必须面对的共同课题。
1.1、 研究背景及意义 。
1.1.1、 研究背景 。
（1）行业背景燃气锅炉作为提供动力能源的设备，其消耗的燃料主要是天然气及瓦斯干气。数据显示：从2006年到2015年，全球煤炭和石油消费比重下降约2.3%，而天然气比重提高约1%。2015年我国的天然气消费量高达1931亿立方米，“十二五”期间年均增长约12.4%，累计消费天然气约8300亿立方米，是“十一五”消费量的2倍[4]。2015年天然气在一次能源消费中的比重从2010年的4.4%提高到5.9%，提高了1.5个百分点。“十三五”规划明确将天然气在我国一次能源消费中的比重提高到10%，也就是2020年天然气的消费比重较2015年接近翻一倍，逐步将天然气发展成为我国的主体能源之一[5]。随之而来产生的污染物排放也使越来越多的企业有了污染情况加剧的危机意识，大部分企业以达标排放为目标采取了相应的管控防治措施，但相关行业快速发展引起的污染排放冲击弱化了这些管控防治措施的作用。
（2）氮氧化物污染现状①氮氧化物的污染现状全球排放的氮氧化物早己超过了5000万吨/年。在2000年，我国的氮氧化物年排放量甚至超过了1000万吨，统计显示，2011年兰州地区氮氧化物排放总量10.18万吨，较上年减少0.07万吨，其中，工业排放量为7.97万吨，生活及其它排放量为2.21万吨。同期，本课题涉及的石化生产单位氮氧化物年排放总量为6351.9793t，占比明显，因此及早采取先进工艺技术对燃气锅炉烟气排放中污染物氮氧化物进行大规模有效治理，为企业、员工和社会群众创造更加优良生产生活环境，是所有排污企业必须面对的共同课题，也是大势所趋，势在必行。②氮氧化物的危害氮氧化物以NO、NO2、N2O等多种形态存在，是形成酸雨的主要物质，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质，直接导致阴霾天、臭氧破坏、空气污染等后果，是造成大气污染的主要污染源之一，因此被列为国家重点污染源防治控制项目。氮氧化物可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病，呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者，会较易受二氧化氮影响。对儿童来说，氮氧化物可能会造成肺部发育受损。研究指出长期吸入氮氧化物可能会导致肺部构造改变。人只要在含量为1?10-4～1.5?10-4的NO2环境中停留30min～60min，就会因肺水肿而死亡[6]。
1.1.2、 研究问题 。
按照现行火电厂大气污染物排放标准（GB13223-2011）要求，单台出力65t/h以上燃气发电锅炉，重点地区氮氧化物排放限值为100mg/m3。本课题结合某厂燃气锅炉长期 运 行 实 际 及 烟 气 排 放 指 标 监 测 结 果 ， 研 究 发 现 动 力 厂UG-130/3.82-Q型 及UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉经烟囱排放的烟气中氮氧化物浓度无法达到以上标准要求。
为了解决锅炉装置连续平稳运行和环保合法排放的较大风险，减少氮氧化物的排放，本课题对某厂燃气锅炉氮氧化物超标原因进行了调查分析，在遵循技术先进可靠、投资合理、降低成本和减少能耗等原则下，提出了治理措施及方案，即对UG-130/3.82-Q型燃气锅炉（即A锅炉）进行低氮燃烧器局部改进+烟气再循环的工艺路线进行改造；对UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉（即B锅炉）进行低氮燃烧器+烟气再循环的工艺路线进行改造，并予以实施、调试、验证。本课题实施后，将氮氧化物浓度降低至100mg/m3以下，为企业每年节约排污费用，减少污染物排放，保护生态环境。
总体来讲，本课题所涉及的锅炉装置管理机构完善，建立了一整套健全、合理、行之有效的管理、操作、质量、安全、行政制度和标准。由于本课题所涉及的相关装置建设较早，建设之时环保排放缺乏前瞻性，存在相关问题也是企业长期发展的客观存在。
为摆脱烟气氮氧化物对大气污染的现状，本课题从全局出发，按照“问题思维、缺陷管理、持续改进”的管理理念进行了全面综合达标治理。
1.1.3、 研究意义 。
本课题以某厂两台燃气锅炉烟气达标排放为研究对象，通过对现场生产过程进行跟踪，评价锅炉运行现状，分析燃气锅炉炉内氮氧化物产生过程，对装置日常运行数据进行收集，分析两台燃气锅炉烟囱排放氮氧化物超标原因，提出治理措施，解决了燃气锅炉装置生产运行的环保风险，实现了达标排放，取得了环境质量持续改善的业绩。本课题主要意义如下：
（1）掌握两台燃气锅炉运行的实际情况，认识分析实际存在的因烟气排放导致的环境污染风险，对装置烟气排放工艺进行科学合理的治理，并经数据分析、运行调试、经验总结，规章制度完善，为操作规程的制定及后续正常运行提供参考。
（2）本课题所涉及生产单位是集炼油、化工、工程建设、检维修等业务为一体的大型炼油化工企业，是中国西北地区重要的炼油化工生产基地，能源战略地位异常重要。作为工业废气排放大户，进行氮氧化物达标治理，能确保达到大气污染物排放标准，同时，降低氮氧化物的排放将落实企业社会责任，改善所在地区环境质量，提高居民的生存生活条件。
（3）本课题的实施对HSE体系运行具有积极重要的意义；对于履行“奉献能源，创造和谐”的宗旨和可持续发展同样具有重要意义。
（4）本课题的实施为环保管理和治理提供比较充分可靠的科学依据，为同行业烟气排放达标治理提供参考。
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1.2、氮氧化物控制技术的研究现状和发展趋势
1.2.1、燃料和助燃空气的预处理
1.2.2、燃烧装置的优化
1.2.3、对烟气的处理
1.2.4、理论研究及应用进展
1.3、研究内容和方法
1.3.1、研究内容
1.3.2、研究方法
2、氮氧化物生成及控制技术分析
2.1、氮氧化物的生成机理及途径
2.1.1、氮氧化物的生成机理
2.1.2、氮氧化物生成途径.
2.2、氮氧化物控制技术
2.2.1、燃烧前控制氮氧化物排放
2.2.2、燃烧中控制氮氧化物排放
2.2.3、燃烧后控制氮氧化物排放
2.2.4、氮氧化物控制工艺技术.
2.2.5、燃烧后氮氧化物脱除工艺技术比较.
2.2.6、烟气再循环燃烧
2.2.7、低氨技术的对比分析
2.3、本课题研究内容
3、燃气锅炉运行现状分析.
3.1、燃气锅炉概况
3.1.1、装置简介
3.1.2、技术特点
3.1.3、工艺流程说明
3.2、燃气锅炉烟气排放现状分析
3.2.1、燃气锅炉生产运行情.况.
3.2.2、烟气排放指标要求.
3.2.3、锅炉烟气排放现状
3.2.4、烟气排放存在问题分析.
3.2.5、治理前的烟气排放运行控制
4、锅炉烟气氮氧化物控制技术应用研.
4.1、对本研究选取降氮措施的分析
4.2、A锅炉氮氧化物排放达标治理
4.2.1、A锅炉运行现状.
4.2.2、治理方案的制定
4.2.3、治理方案的实施
4.2.4、改造效果分析
4.2.5、经济与社会效益及推广.
4.3、B锅炉氮氧化物排放达标治理
4.3.1、B锅炉运行现状
4.3.2、治理方案的论证
4.3.3、治理方案的实施
4.3.4、效果验证
4.3.5、经济与社会效益及推广
4.4、对两台锅炉达标治理的比较
4.5、采取改造措施合理性分析
4.6、运行中烟气氮氧化物排放影响因素分析
5、降低氮氧化物的运行控制及制度完善.
5.1、运行调节及故障处理
5.1.1、烟气再循环调节的注意事项
5.1.2、运行中控制氮氧化物调节方法的.选择.
5.1.3、异常情况的判断及处理方法
5.2、氮氧化物异常排放管理
5.2.1、锅炉烟气外排氮氧化物浓度超标事件的管理.
5.2.2、开停炉期间氮氧化物的管理.
5.2.3、污染源在线监测数据超标判定和豁免规则
5.3、环保设施的日常检查维护
5.4、管理制度完善.
5.4.1、环保点源源长制.
5.4.2、环保排放指标的升级管理.
6 、 结 论
本课题以某厂UG-130/3.82-Q型及UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉为研究对象，概述了污染物排放现状并进行了原因分析，制定了治理方案，并对方案进行了实施。主要结果和结论如下：
经过对原有燃烧器进行结构优化，新增烟气外循环，本文研究的UG-130/3.82-Q型燃气锅炉烟气中氮氧化物排放日均值从2017年治理前的131.16mg/m3下降到治理后2018年11月12月正常运行期间监测的79.47mg/m3，达到了改造目标和GB13223-2011的要求，满足地方排放要求。
经过更换低氮燃烧器、新增烟气外循环，本文研究的UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉烟气中氮氧化物排放日均值从2017年治理前的284.22mg/m3下降到治理后2018年11月12月正常运行期间监测的78.63mg/m3，达到了改造目标和GB13223-2011的要求，满足地方排放要求。
改造后，氮氧化物排放得到了极大降低。根据本课题监控数据，对改造前后年排放量进行对比测算，UG-130/3.82-Q型燃气锅炉改造后年排放量减少了191t，相应减少排污费22.9万元；UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉改造后年排放量减少了354t，相应减少排污费42.48万元。本课题的改造取得了一定的经济效益。
本文研究及实践表明，UG-130/3.82-Q型及UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉在原有主要框架不变、受热面结构不变、燃烧器双层布置方式不变、原设计负荷不变、运行期间主要工艺参数不变、不涉及特种设备重大变更的基础上，可以实现烟气达标治理。对于已建成锅炉，单一的某一种低氮技术改造已经无法满足当前严格的排放标准，根据运行状况科学地选择多种低氮技术的叠加应用，能取得较好的降氮效果，使得排放指标具有一定前瞻性，在已建成锅炉烟气达标排放治理改造中具有重要实际意义。在UG-130/3.82-Q型及UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉完成环保排放达标治理的同时，本次改造也取得了较好的社会效益，具有实际应用价值和推广意义。
本文同时对改造后的运行过程中烟气再循环调节的注意事项、运行中控制氮氧化物调节方法、异常情况的判断及故障处理进行了经验总结。对开停炉期间氮氧化物排放的管理、氮氧化物浓度超标后的应急程序进行了完善，并在环保指标的升级管理上对“环保点源源长制”、“环保工艺卡片指标升级”等方式进行了实践。改造后的调试和生产运行经验的总结，以及制订完善的应急程序及环保管理制度，为两台锅炉今后“安稳长满优”运行打好了基础。
参考文献
