小型天然氣鍋爐節(jié)能及污染排放監(jiān)測技術(shù)方案

近年來，隨著我國天然氣資源利用技術(shù)的不斷發(fā)展，“煤改氣”工程建設(shè)的加快推進(jìn)，為天然氣鍋爐的推廣提供了能源支持，小型鍋爐作為我國燃?xì)忮仩t使用的主要方向，已廣泛應(yīng)用于城市洗浴、酒店、中小型企業(yè)及事業(yè)單位內(nèi)部。但目前我國小型天然氣鍋爐的設(shè)計(jì)尚存在一定問題，如一些部門存在著對鍋爐結(jié)構(gòu)、熱力參數(shù)選取以及計(jì)算過程的不規(guī)范性，使天然氣鍋爐在設(shè)計(jì)或改造上沒有做到大優(yōu)化，運(yùn)行上無法保證鍋爐處于大效率，造成了原材料及天然氣能源的浪費(fèi)。此外，為加快推進(jìn)集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設(shè)，各地陸續(xù)出臺(tái)了大氣污染治理相關(guān)政策，消解煤炭消費(fèi)總量，增加清潔能源，其中燃煤鍋爐特別是小企業(yè)燃煤鍋爐成為重要改造對象，部分省份量化了節(jié)能減排指標(biāo)，加強(qiáng)了燃煤鍋爐“煤改氣”的力度。因此在小型天然氣鍋爐設(shè)計(jì)、改造或運(yùn)行調(diào)控中需采取必要的節(jié)能及污染排放監(jiān)測手段，將鍋爐調(diào)整到適宜的運(yùn)行狀態(tài)，才可實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行效率的大化與污染排放的減量化。

一、小型天然氣鍋爐節(jié)能監(jiān)測項(xiàng)目

目前國內(nèi)并未專門針對小型天然氣鍋爐節(jié)能監(jiān)測技術(shù)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，僅北京、山東部分地區(qū)根據(jù)GB/T 15317-2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》制定了地方標(biāo)準(zhǔn)，分別為DB11/T 1231-2015《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》和DB37/T 846-2007《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》。另外，GB/T 10820-2011《生活鍋爐熱效率及熱工實(shí)驗(yàn)方法》與GB/T 10180-2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》也對實(shí)現(xiàn)小型天然氣鍋爐節(jié)能運(yùn)行方法做了指導(dǎo)參考。三大標(biāo)準(zhǔn)均明確指出小型天然氣鍋爐節(jié)能監(jiān)測項(xiàng)目包括：鍋爐熱效率、過量空氣系數(shù)、排煙處CO含量和排煙溫度等。鍋爐熱效率與過量空氣系數(shù)、排煙處CO含量、排煙溫度有著密切關(guān)系。

1、過量空氣系數(shù)
不同類型的鍋爐，都有一個(gè)適宜的過量空氣系數(shù)，但實(shí)際上幾乎所有的爐子都超過設(shè)計(jì)值。過量空氣系數(shù)過大或過小都會(huì)產(chǎn)生不良后果，過大會(huì)導(dǎo)致煙氣體積增大，爐膛溫度降低，增加排煙熱損失，熱效率降低；過小會(huì)使天然氣燃燒不充分，產(chǎn)生大量CO，污染環(huán)境，同時(shí)也增大了不*燃燒熱損失。可以說過量空氣系數(shù)的大小直接影響天然氣鍋爐的熱工性能，即鍋爐熱效率。一般過量空氣系數(shù)控制在1.05~1.20之間。

2、排煙處CO含量
煙氣中CO是由于天然氣不*燃燒與過量空氣量少產(chǎn)生的，天然氣不*燃燒容易產(chǎn)生炭黑，長期積累會(huì)影響鍋爐的熱傳遞，降低鍋爐的熱效率，對鍋爐本身造成損壞。CO含量越高，則表明天然氣燃燒效率越低，鍋爐熱效率也越低。DB11/T 1231-2015《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》和DB37/T 846-2007《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》分別規(guī)定了CO含量不得超過0.01%與0.02%。

3、排煙溫度
造成鍋爐熱效率偏低的另一原因是排煙熱損失。排煙熱損失是鍋爐的主要熱損失之一，可達(dá)10%~20%，而排煙熱損失主要取決于排煙溫度和過量空氣系數(shù)的大小。排煙溫度越高，排煙處煙氣焓越高，排煙熱損失越大。

二、小型天然氣鍋爐節(jié)能監(jiān)測解決方案

根據(jù)DB11/T 1231-2015《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》和DB37/T 846-2007《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》標(biāo)準(zhǔn)可知：煙氣成分及排煙溫度的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在鍋爐煙氣余熱回收裝置或尾部后一級受熱面后1m以內(nèi)的煙道中心處，同步實(shí)時(shí)進(jìn)行。

1、煙氣成分監(jiān)測
根據(jù)DB11/T 1231-2015《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》和DB37/T 846-2007《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》可知排煙處過量空氣系數(shù)計(jì)算方法為公式）：

式中：α——排煙處過量空氣系數(shù)；RO2——排煙處干燃燒產(chǎn)物三原子氣體容積含量（%）；O2——排煙處干燃燒產(chǎn)物氧含量（%）；CO——排煙處干燃燒產(chǎn)物一氧化碳含量（%）。
因天然氣熱值較高，雜質(zhì)較少，不*燃燒情況不多，通常認(rèn)為產(chǎn)生的CO含量少，可將公式）簡化成公式（2）：

式中：CO2——排煙處干燃燒產(chǎn)物二氧化碳含量（%）

綜上所述，測量煙氣中O2、CO、CO2氣體體積濃度，可計(jì)算出過量空氣系數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一般采用奧式分析儀或燃燒效率測試儀可測量煙氣成分并計(jì)算出過量空氣系數(shù)。基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)氣體傳感器硬件及軟件核心技術(shù)，銳意自控針對小型天然氣鍋爐實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收與運(yùn)行調(diào)控需求，設(shè)計(jì)出了一款燃燒效率分析儀Gasboard-3400(P)。

Gasboard-3400(P)采用非分光紅外氣體分析技術(shù)及長壽命電化學(xué)傳感器技術(shù)，可同時(shí)測量CO、CO2與O2等氣體的體積濃度，并計(jì)算得出過量空氣系數(shù)。同時(shí)還可根據(jù)小型天然氣鍋爐廠家或用戶的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收或運(yùn)行調(diào)控需求選擇在線型或便攜型產(chǎn)品。相較于奧式分析儀的低精度檢測、慢響應(yīng)速度及繁瑣的操作流程、較高的耗材成本，具有測量精度高、響應(yīng)速度快、操作簡單、性價(jià)比高等不可比擬的優(yōu)勢。

2、排煙溫度測量
在鍋爐運(yùn)行中為了減少排煙熱損失，應(yīng)在滿足燃燒反應(yīng)所需空氣的前提下盡量保持較低的空氣系數(shù)，應(yīng)盡可能避免燃料室及各部分煙道的漏風(fēng)，以降低排煙熱損失。然而排煙溫度不是越低越好，因?yàn)樘偷呐艧煖囟葎荼匾黾渝仩t爐尾部受熱面，這是不經(jīng)濟(jì)的；同時(shí)還會(huì)增加通風(fēng)阻力，增加引風(fēng)機(jī)的電耗；此外，過低的排煙溫度，若低于煙氣露點(diǎn)以下，將會(huì)引起受熱面的腐蝕，危機(jī)鍋爐的安全運(yùn)行。因此，需要合理測量并控制排煙溫度。Gasboard-3400(P)除可測量煙氣成分并計(jì)算得出過量空氣系數(shù)外，還可同時(shí)測量排煙溫度，為調(diào)節(jié)小型鍋爐燃燒工況提供合理依據(jù)。

三、小型天然氣鍋爐污染排放監(jiān)測項(xiàng)目

目前我國現(xiàn)行的燃?xì)忮仩t標(biāo)準(zhǔn)有GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了小型天然氣鍋爐的煙氣排放指標(biāo)，其指標(biāo)要求見表1。

表1. 現(xiàn)行小型天然氣鍋爐的煙氣排放指標(biāo)（國標(biāo)）

單位：mg/m³

此外，部分省份及地區(qū)也出臺(tái)了適用于本地區(qū)的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)與地方標(biāo)準(zhǔn)對比及發(fā)布現(xiàn)狀見表2。

表2. 現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)與地方標(biāo)準(zhǔn)對比及發(fā)布現(xiàn)狀

單位：mg/m³

由表1-2可以，目前各地區(qū)對小型天然氣鍋爐污染排放監(jiān)測項(xiàng)目主要包括顆粒物、NOx含量、SO2含量和煙氣黑度。其中對煙氣顆粒物、SO2含量及NOx含量的限值不盡相同。

1、顆粒物含量
天然氣鍋爐運(yùn)行不正常、燃燒器運(yùn)行故障、空氣與燃?xì)獾呐浔炔粶?zhǔn)確以及監(jiān)測人員監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)不足均會(huì)造成鍋爐顆粒物排放超標(biāo)。因此為確保天然氣鍋爐燃?xì)?燃燒，達(dá)標(biāo)排放，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)鍋爐操作人員的專業(yè)技能培訓(xùn)，監(jiān)測人員應(yīng)注重提高自身監(jiān)測業(yè)務(wù)水平。

2、煙氣中NOx含量
NOx生成機(jī)理比較復(fù)雜，大致可以認(rèn)為是由氮?dú)馀c氧氣在高溫下生成NO，NO與O2在高溫反應(yīng)下生成NO2。可見NOx的生成與O2的濃度有關(guān)，也與火焰溫度有關(guān)。減少過剩空氣量，則O2濃度變小，火焰溫度降低，NOx生成量下降。如果過剩空氣量增加，雖然O2濃度增高有利于NOx的生成，但由于燃燒溫度降低，總的結(jié)果是NOx生成量減少。因此，過剩空氣系數(shù)為某一值時(shí)（與燃?xì)鉄嶂怠⑷紵鞯纫蛩赜嘘P(guān)），NOx的生成量高，增大或減少過剩空氣系數(shù)，NOx的生成量都會(huì)減少。由此可見，只要是適當(dāng)增大或減少過剩空氣量，就可以減少NOx的生成，從而降低煙氣中的NOx含量。

3、煙氣中SO2含量
煙氣中SO2是由于燃?xì)庵械牧蚧锱c空氣中的O2反應(yīng)而生成的，煙氣中SO2含量的大小主要取決于燃?xì)獬煞葜辛蚧锖康亩嗌伲虼藶榱私档蚐O2對大氣的污染，必須對燃?xì)膺M(jìn)行脫硫。也可以采用煙氣中SO2凈化方法，不過這種方法通常用于燃煤鍋爐。由于天然氣在輸送到客戶端時(shí)均經(jīng)過脫硫，成份中硫化物的含量較低，即便有鍋爐煙氣中SO2超標(biāo)，也是偶爾的隨機(jī)現(xiàn)象，無需對鍋爐進(jìn)行特殊改造處理。

四、小型天然氣鍋爐污染排放監(jiān)測解決方案

按照GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 5468-1991《鍋爐煙塵測試方法》和GB/T 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態(tài)污染物采樣方法》要求，顆粒物、NOx及SO2監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在煙囪或煙道處，測定位置盡量選擇在垂直管段，并不宜靠近管道彎頭及斷面變化的部位，測定位置應(yīng)距離彎頭、接頭、閥門和其他變徑的下游方向大于6倍直徑處，和距上述部位的上游方向大于3倍直徑處，同步實(shí)時(shí)進(jìn)行。

1、顆粒物、NOx及SO2含量同時(shí)測量

針對小型天然氣鍋爐污染排放物中顆粒物、NOx含量與SO2含量同時(shí)測量需求，銳意自控基于自主研發(fā)氣體分析技術(shù)及軟件核心技術(shù)設(shè)計(jì)出了在線氣體分析系統(tǒng)Gasboard-9050，可對煙道中顆粒物、NO、SO2等污染排放物進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測，同時(shí)可測量煙氣中氧含量及流速、壓力、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，自動(dòng)記錄污染排放總量和排放時(shí)間，并通過PSTN、GPRS、CDMA等通訊手段將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到管理部門，實(shí)現(xiàn)對小型天然氣鍋爐污染排放物的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在線氣體分析系統(tǒng)Gasboard-9050由該在線氣體分析系統(tǒng)由預(yù)處理單元、系統(tǒng)控制單元、氣體分析單元三部分組成：

① 預(yù)處理單元：采用加熱抽取法連續(xù)監(jiān)測氣態(tài)污染物，采樣探頭過濾面積大，濾芯更換方便。預(yù)處理系統(tǒng)主設(shè)備采用進(jìn)口器件，有效防水、防塵、防腐、防堵，適應(yīng)惡劣煙道環(huán)境。

② 系統(tǒng)控制單元：采用SIEMENS PLC作為核心控制元件，OMRON中間繼電器作為輸出元件，控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)功能豐富，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取樣、吹掃、校準(zhǔn)、故障自診斷、報(bào)警等功能。

③ 氣體分析單元：采用我司擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的在線煙氣分析儀Gasboard-3000(Plus/UV)系列，可根據(jù)地方NOx限值需求，選配微流紅外氣體分析技術(shù)，微流紅外結(jié)合隔半氣室氣體分析技術(shù)，或紫外光譜氣體分析技術(shù)對小型天然氣鍋爐污染排放氣體進(jìn)行在線監(jiān)測，準(zhǔn)確測量NO、SO2氣體含量。表3為Gasboard-3000系列產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)。

表3. Gasboard-3000系列產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)

2、小型天然氣鍋爐NOx超低排放測量

由于目前部分地區(qū)現(xiàn)行的NOx含量限值均低于國家標(biāo)準(zhǔn)，甚至更低，并出臺(tái)了相應(yīng)的小型低氮天然氣鍋爐改造的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，為低氮燃?xì)忮仩t設(shè)計(jì)與改造市場提供了重大的發(fā)展契機(jī)，也使得NOx超低排放監(jiān)測技術(shù)成為未來小型天然氣鍋爐排放監(jiān)測市場的開發(fā)熱點(diǎn)。針對小型低氮天然氣鍋爐的設(shè)計(jì)、改造與應(yīng)用，銳意自控推出的超低量程在線紫外煙氣分析儀Gasboard-3000UV及便攜紫外煙氣分析儀Gasboard-3800Plus，可滿足小型天然氣鍋爐超低氮排放監(jiān)測的需求。

Gasboard-3000UV結(jié)合紫外差分吸收光譜技術(shù)及電化學(xué)傳感技術(shù)采用*算法，長光程多次回返氣體室，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高，測量范圍小于100mg/m³。作為氣體分析單元Gasboard-3000UV結(jié)合Gasboard-9050預(yù)處理單元及系統(tǒng)控制單元，即可實(shí)現(xiàn)小型低氮天然氣鍋爐污染排放物的動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測。圖1為Gasboard-3000UV內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1. Gasboard-3000UV內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

Gasboard-3800Plus基于紫外差分吸收光譜(UV-DOAS)技術(shù)、非分光紅外(NDIR)技術(shù)及電化學(xué)(ECD)傳感技術(shù)，可同時(shí)測量煙氣中SO2、NO、CO、CO2、O2等氣體的體積濃度，以及煙氣溫度、流速等參數(shù)，并統(tǒng)計(jì)出排放率、排放總量。對于SO2、NO含量監(jiān)測，用戶可根據(jù)需求，選配便攜紫外煙氣分析儀——采用紫外差分吸收光譜技術(shù)，利用深紫外波段和不同的光程，實(shí)現(xiàn)超低排放煙氣成分監(jiān)測；便攜紅外煙氣分析儀——微流紅外技術(shù)結(jié)合隔半氣室氣路設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定，受外界干擾（溫度、電壓波動(dòng)等）影響小，同樣適用于低濃度煙氣成分的監(jiān)測。是專門針對環(huán)境監(jiān)測、節(jié)能監(jiān)測、能效檢測以及環(huán)境科學(xué)研究而推出的高性能便攜式產(chǎn)品。圖2為配置預(yù)處理裝置的Gasboard-3800Plus。

圖2. 配置預(yù)處理裝置的Gasboard-3800Plus

Gasboard-3800Plus分析主機(jī)配備一體化采樣及伴熱裝置，*鋁合金材質(zhì)便攜式預(yù)處理裝置，可確保樣氣滿足儀表檢測要求；此外，Gasboard-3800Plus還可自動(dòng)計(jì)算過量空氣系數(shù)和燃燒效率，應(yīng)用于小型天然氣鍋爐節(jié)能監(jiān)測中。