小型天然氣鍋爐節能及污染排放監測技術方案

近年來，隨著我國天然氣資源利用技術的不斷發展，“煤改氣”工程建設的加快推進，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氣鍋爐使用的主要方向，已廣泛應用于城市洗浴、酒店、中小型企業及事業單位內部。但目前我國小型天然氣鍋爐的設計尚存在一定問題，如一些部門存在著對鍋爐結構、熱力參數選取以及計算過程的不規范性，使天然氣鍋爐在設計或改造上沒有做到大優化，運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。此外，為加快推進集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設，各地陸續出臺了大氣污染治理相關政策，消解煤炭消費總量，增加清潔能源，其中燃煤鍋爐特別是小企業燃煤鍋爐成為重要改造對象，部分省份量化了節能減排指標，加強了燃煤鍋爐“煤改氣”的力度。因此在小型天然氣鍋爐設計、改造或運行調控中需采取必要的節能及污染排放監測手段，將鍋爐調整到適宜的運行狀態，才可實現鍋爐運行效率的大化與污染排放的減量化。

一、小型天然氣鍋爐節能監測項目

目前國內并未專門針對小型天然氣鍋爐節能監測技術制定行業標準，僅北京、山東部分地區根據GB/T 15317-2009《燃煤工業鍋爐節能監測方法》制定了地方標準，分別為DB11/T 1231-2015《燃氣工業鍋爐節能監測方法》和DB37/T 846-2007《燃氣工業鍋爐節能監測方法》。另外，GB/T 10820-2011《生活鍋爐熱效率及熱工實驗方法》與GB/T 10180-2017《工業鍋爐熱工性能試驗規程》也對實現小型天然氣鍋爐節能運行方法做了指導參考。三大標準均明確指出小型天然氣鍋爐節能監測項目包括：鍋爐熱效率、過量空氣系數、排煙處CO含量和排煙溫度等。鍋爐熱效率與過量空氣系數、排煙處CO含量、排煙溫度有著密切關系。

1、過量空氣系數
不同類型的鍋爐，都有一個適宜的過量空氣系數，但實際上幾乎所有的爐子都超過設計值。過量空氣系數過大或過小都會產生不良后果，過大會導致煙氣體積增大，爐膛溫度降低，增加排煙熱損失，熱效率降低；過小會使天然氣燃燒不充分，產生大量CO，污染環境，同時也增大了不*燃燒熱損失。可以說過量空氣系數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生的，天然氣不*燃燒容易產生炭黑，長期積累會影響鍋爐的熱傳遞，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《燃氣工業鍋爐節能監測方法》和DB37/T 846-2007《燃氣工業鍋爐節能監測方法》分別規定了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10%~20%，而排煙熱損失主要取決于排煙溫度和過量空氣系數的大小。排煙溫度越高，排煙處煙氣焓越高，排煙熱損失越大。

二、小型天然氣鍋爐節能監測解決方案

根據DB11/T 1231-2015《燃氣工業鍋爐節能監測方法》和DB37/T 846-2007《燃氣工業鍋爐節能監測方法》標準可知：煙氣成分及排煙溫度的監測點設在鍋爐煙氣余熱回收裝置或尾部后一級受熱面后1m以內的煙道中心處，同步實時進行。

1、煙氣成分監測
根據DB11/T 1231-2015《燃氣工業鍋爐節能監測方法》和DB37/T 846-2007《燃氣工業鍋爐節能監測方法》可知排煙處過量空氣系數計算方法為公式）：

式中：α——排煙處過量空氣系數；RO2——排煙處干燃燒產物三原子氣體容積含量（%）；O2——排煙處干燃燒產物氧含量（%）；CO——排煙處干燃燒產物一氧化碳含量（%）。
因天然氣熱值較高，雜質較少，不*燃燒情況不多，通常認為產生的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，可計算出過量空氣系數。根據標準，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算出過量空氣系數。基于自主知識產權氣體傳感器硬件及軟件核心技術，銳意自控針對小型天然氣鍋爐實驗驗收與運行調控需求，設計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及長壽命電化學傳感器技術，可同時測量CO、CO2與O2等氣體的體積濃度，并計算得出過量空氣系數。同時還可根據小型天然氣鍋爐廠家或用戶的實驗驗收或運行調控需求選擇在線型或便攜型產品。相較于奧式分析儀的低精度檢測、慢響應速度及繁瑣的操作流程、較高的耗材成本，具有測量精度高、響應速度快、操作簡單、性價比高等不可比擬的優勢。

2、排煙溫度測量
在鍋爐運行中為了減少排煙熱損失，應在滿足燃燒反應所需空氣的前提下盡量保持較低的空氣系數，應盡可能避免燃料室及各部分煙道的漏風，以降低排煙熱損失。然而排煙溫度不是越低越好，因為太低的排煙溫度勢必要增加鍋爐爐尾部受熱面，這是不經濟的；同時還會增加通風阻力，增加引風機的電耗；此外，過低的排煙溫度，若低于煙氣露點以下，將會引起受熱面的腐蝕，危機鍋爐的安全運行。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算得出過量空氣系數外，還可同時測量排煙溫度，為調節小型鍋爐燃燒工況提供合理依據。

三、小型天然氣鍋爐污染排放監測項目

目前我國現行的燃氣鍋爐標準有GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》，該標準規定了小型天然氣鍋爐的煙氣排放指標，其指標要求見表1。

表1. 現行小型天然氣鍋爐的煙氣排放指標（國標）

單位：mg/m³

此外，部分省份及地區也出臺了適用于本地區的《鍋爐大氣污染物排放標準》，現行國家標準與地方標準對比及發布現狀見表2。

表2. 現行國家標準與地方標準對比及發布現狀

單位：mg/m³

由表1-2可以，目前各地區對小型天然氣鍋爐污染排放監測項目主要包括顆粒物、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
天然氣鍋爐運行不正常、燃燒器運行故障、空氣與燃氣的配比不準確以及監測人員監測經驗不足均會造成鍋爐顆粒物排放超標。因此為確保天然氣鍋爐燃氣*燃燒，達標排放，企業應加強鍋爐操作人員的專業技能培訓，監測人員應注重提高自身監測業務水平。

2、煙氣中NOx含量
NOx生成機理比較復雜，大致可以認為是由氮氣與氧氣在高溫下生成NO，NO與O2在高溫反應下生成NO2。可見NOx的生成與O2的濃度有關，也與火焰溫度有關。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，總的結果是NOx生成量減少。因此，過剩空氣系數為某一值時（與燃氣熱值、燃燒器等因素有關），NOx的生成量高，增大或減少過剩空氣系數，NOx的生成量都會減少。由此可見，只要是適當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是由于燃氣中的硫化物與空氣中的O2反應而生成的，煙氣中SO2含量的大小主要取決于燃氣成份中硫化物含量的多少，因此為了降低SO2對大氣的污染，必須對燃氣進行脫硫。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均經過脫硫，成份中硫化物的含量較低，即便有鍋爐煙氣中SO2超標，也是偶爾的隨機現象，無需對鍋爐進行特殊改造處理。

四、小型天然氣鍋爐污染排放監測解決方案

按照GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》、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污染物采樣方法》要求，顆粒物、NOx及SO2監測點應設置在煙囪或煙道處，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，同步實時進行。

1、顆粒物、NOx及SO2含量同時測量

針對小型天然氣鍋爐污染排放物中顆粒物、NOx含量與SO2含量同時測量需求，銳意自控基于自主研發氣體分析技術及軟件核心技術設計出了在線氣體分析系統Gasboard-9050，可對煙道中顆粒物、NO、SO2等污染排放物進行動態連續監測，同時可測量煙氣中氧含量及流速、壓力、溫度、濕度等數據，自動記錄污染排放總量和排放時間，并通過PSTN、GPRS、CDMA等通訊手段將監測數據傳送到管理部門，實現對小型天然氣鍋爐污染排放物的遠程實時監測。

在線氣體分析系統Gasboard-9050由該在線氣體分析系統由預處理單元、系統控制單元、氣體分析單元三部分組成：

① 預處理單元：采用加熱抽取法連續監測氣態污染物，采樣探頭過濾面積大，濾芯更換方便。預處理系統主設備采用進口器件，有效防水、防塵、防腐、防堵，適應惡劣煙道環境。

② 系統控制單元：采用SIEMENS PLC作為核心控制元件，OMRON中間繼電器作為輸出元件，控制系統自動運行。系統功能豐富，可實現自動取樣、吹掃、校準、故障自診斷、報警等功能。

③ 氣體分析單元：采用我司擁有自主知識產權的在線煙氣分析儀Gasboard-3000(Plus/UV)系列，可根據地方NOx限值需求，選配微流紅外氣體分析技術，微流紅外結合隔半氣室氣體分析技術，或紫外光譜氣體分析技術對小型天然氣鍋爐污染排放氣體進行在線監測，準確測量NO、SO2氣體含量。表3為Gasboard-3000系列產品主要技術參數。

表3. Gasboard-3000系列產品主要技術參數

2、小型天然氣鍋爐NOx超低排放測量

由于目前部分地區現行的NOx含量限值均低于國家標準，甚至更低，并出臺了相應的小型低氮天然氣鍋爐改造的補貼標準，為低氮燃氣鍋爐設計與改造市場提供了重大的發展契機，也使得NOx超低排放監測技術成為未來小型天然氣鍋爐排放監測市場的開發熱點。針對小型低氮天然氣鍋爐的設計、改造與應用，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測的需求。

Gasboard-3000UV結合紫外差分吸收光譜技術及電化學傳感技術采用*算法，長光程多次回返氣體室，抗干擾能力強，測量精度高，測量范圍小于100mg/m³。作為氣體分析單元Gasboard-3000UV結合Gasboard-9050預處理單元及系統控制單元，即可實現小型低氮天然氣鍋爐污染排放物的動態連續監測。圖1為Gasboard-3000UV內部結構示意圖。

圖1. Gasboard-3000UV內部結構示意圖

Gasboard-3800Plus基于紫外差分吸收光譜(UV-DOAS)技術、非分光紅外(NDIR)技術及電化學(ECD)傳感技術，可同時測量煙氣中SO2、NO、CO、CO2、O2等氣體的體積濃度，以及煙氣溫度、流速等參數，并統計出排放率、排放總量。對于SO2、NO含量監測，用戶可根據需求，選配便攜紫外煙氣分析儀——采用紫外差分吸收光譜技術，利用深紫外波段和不同的光程，實現超低排放煙氣成分監測；便攜紅外煙氣分析儀——微流紅外技術結合隔半氣室氣路設計，性能穩定，受外界干擾（溫度、電壓波動等）影響小，同樣適用于低濃度煙氣成分的監測。是專門針對環境監測、節能監測、能效檢測以及環境科學研究而推出的高性能便攜式產品。圖2為配置預處理裝置的Gasboard-3800Plus。

圖2. 配置預處理裝置的Gasboard-3800Plus

Gasboard-3800Plus分析主機配備一體化采樣及伴熱裝置，*鋁合金材質便攜式預處理裝置，可確保樣氣滿足儀表檢測要求；此外，Gasboard-3800Plus還可自動計算過量空氣系數和燃燒效率，應用于小型天然氣鍋爐節能監測中。