燃氣鍋爐低氮燃燒技術裝備研發與示范
隨著北京市大力推行“煤改氣”，大量的煤炭正在被天然氣等清潔燃料替代，天然氣主要成分是CH4，幾乎沒有灰分、硫含量很低，不存在含汞化合物，從化學平衡的角度看，的確比煤炭更加清潔，主要污染物顆粒物、SO2、Hg的排放更低。(引圖——單位熱量煤炭與天然氣產生污染物的比較)，但是我們的天然氣使用是否真的清潔?我們以北京市燃氣鍋爐NOx排放的平均水平與煤炭進行比較，發現天然氣雖然只有煤炭燃燒產生NOx的30%，但兩種燃料的NOx仍處于同一個數量級。這是怎么回事?實際上，“煤改氣”在NOx減排上只是減少了燃料氮，我們知道天然氣的燃燒是需要空氣作為助燃劑的，當氧氣與CH4發生化學反應產生大量熱的同時，高溫使得空氣中的氮氣也被部分氧化形成NOx，從而排放進入大氣。NOx在大氣中會參與光化學反應，是PM2.5、O3形成的重要前體物。引用北京市PM2.5源解析的結果(引圖——PM2.5源解析圖譜，北京和其他城市)，2013年北京市PM2.5中的N/S摩爾比已經達到了1.7，這一比例遠超過全國平均水平0.33，也就是說NOx在PM2.5中的貢獻已經大大超過了SO2。從北京市近15年的空氣質量變化趨勢上看(引圖——環境空氣質量濃度變化趨勢)，SO2呈現了明顯的下降趨勢，這與近年來的大規模“煤改氣”密切相關，雖然“煤改氣”對NOx的有協同減排作用，但由于城市發展帶來的能源增量，最終NOx的減排上并不顯著，從圖中可以看出2008年以后環境空氣中的NO2則基本穩定在40-60微克/立方米左右，已經進入瓶頸期。從北京市的重污染過程發生的時間頻率看(引圖——是否有圖?)，冬、春兩季發生頻率最高，這與冬季采暖消費大量的化石能源有密切的相關性。根據北大對2013年一次重污染過程的分析(引圖——)，可以看出PM2.5與NOx的濃度呈現了強相關性，SO2在這次重污染過程中的幾乎持續在一個比較低的水平。因此，以SO2為特征污染物的煤煙型污染已經悄然向NOx污染轉化。
隨著北京市產業結構的調整，工業生產活動造成的排放量呈現逐年萎縮的態勢，與居民生活相關的污染源比例在升高。北京要實現空氣質量的改善，必須從生活源實施深度減排。如前所述，隨著大氣環境污染形成機理的逐漸清晰，環境管理、污染控制將更加精細化，北京市環保局正在修訂北京市《鍋爐大氣污染物排放標準》，其中對燃氣鍋爐的NOx排放控制提出了非常高的要求，到2017年北京市新建鍋爐NOx要達到30mg/m3，只有現行標準限值的1/5，是繼美國南加州空氣質量管理區之后的最嚴標準。NOx的產生環節主要受燃燒系統控制，也就是燃燒器非常關鍵，同時鍋爐本體的設計、受熱面的布置也要與火焰尺寸匹配。這一標準的實施將對北京燃燒器市場形成較大的沖擊，目前僅有少數的國外燃燒器企業可以提供這樣的產品。為了配合北京市地方標準的實施，提高我國燃燒器產業細分市場的競爭力，北京市科委在2014年啟動了北京市重大科技計劃項目《燃氣鍋爐低氮燃燒技術裝備研發與示范》，擬將國內的技術開發、產品制造、市場拓展等優勢資源進行整合，促進新興環保產業的發展。
我們在充分分析低氮燃燒器工業應用技術發展趨勢的基礎上，課題組確定了低氮燃燒器的技術路線，經過半年的結構設計和數值模擬，已完成了低氮燃燒器的產品初步設計，初步設計方案采用了火焰分割、燃料分級以及煙氣再循環等多種技術，實現了低溫燃燒與火焰穩定這一對矛盾因素的統一。同時燃燒器擬采用軟測量值目標反饋控制技術，該項技術可根據燃燒器的負荷變化實現對燃燒效率、NOx排放的動態優化，或將在燃氣鍋爐燃燒控制技術上實現突破，以期解決中小型燃氣鍋爐由于成本過高而無NOx控制、大型燃氣鍋爐過程控制成本過高的問題。該項目目前正在加緊進行樣機的制造，清華大學熱能工程系對設計方案的NOx初步模擬結果在40mg/m3以下，由于模擬結果的不確定性可能會有30%左右的誤差，后續需要進行臺架試驗對初設設計方案進行試驗驗證和優化調整。
本項目的最終產出將實現我國低氮燃燒器、低氮燃氣鍋爐整體裝備的自主知識產權，將應用于燃氣鍋爐的低氮改造和新建燃氣鍋爐上，為《鍋爐大氣污染物排放標準》的實施提供裝備與技術支持。該標準的落地，將為本項目開發的低氮燃燒器和低氮燃燒技術打開市場，本項目的完成也將為北京市5000臺存量燃氣鍋爐的低氮改造和“煤改氣”項目提供合規支持。該項目的實施預計將減少北京市NOx排放量約2萬噸，減排比例在10%以上，減少采暖季北京市NOx排放量約30%，提高北京市大氣環境抗重污染的能力，減少采暖季的霧霾發生頻次。
