小型天然气锅炉节能及污染排放监测技术方案

　　近年来，随着我国天然气资源利用技术的不断发展，“煤改气”工程建设的加快推进，为天然气锅炉的推广提供了能源支持，小型锅炉作为我国燃气锅炉使用的主要方向，已广泛应用于城市洗浴、酒店、中小型企业及事业单位内部。但目前我国小型天然气锅炉的设计尚存在一定问题，如一些部门存在着对锅炉结构、热力参数选取以及计算过程的不规范性，使天然气锅炉在设计或改造上没有做到良好的优化，运行上无法保证锅炉处于大效率，造成了原材料及天然气能源的浪费。此外，为加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设，各地陆续出台了大气污染治理相关政策，消解煤炭消费总量，增加清洁能源，其中燃煤锅炉特别是小企业燃煤锅炉成为重要改造对象，部分省份量化了节能减排指标，加强了燃煤锅炉“煤改气”的力度。因此在小型天然气锅炉设计、改造或运行调控中需采取必要的节能及污染排放监测手段，将锅炉调整到良好运行状态，才可实现锅炉运行效率的大化与污染排放的减量化。

　　一、小型天然气锅炉节能监测项目

　　目前国内并未专门针对小型天然气锅炉节能监测技术制定行业标准，仅北京、山东部分地区根据GB/T15317-2009《燃煤工业锅炉节能监测方法》制定了地方标准，分别为DB11/T1231-2015《燃气工业锅炉节能监测方法》和DB37/T846-2007《燃气工业锅炉节能监测方法》。另外，GB/T10820-2011《生活锅炉热效率及热工实验方法》与GB/T10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》也对实现小型天然气锅炉节能运行方法做了指导参考。三大标准均明确指出小型天然气锅炉节能监测项目包括：锅炉热效率、过量空气系数、排烟处CO含量和排烟温度等。锅炉热效率与过量空气系数、排烟处CO含量、排烟温度有着密切关系。

　　1、过量空气系数

　　不同类型的锅炉，都有一个相对较好的过量空气系数，但实际上几乎所有的炉子都超过设计值。过量空气系数过大或过小都会产生不良后果，过大会导致烟气体积增大，炉膛温度降低，增加排烟热损失，热效率降低；过小会使天然气燃烧不充分，产生大量CO，污染环境，同时也增大了不*燃烧热损失。可以说过量空气系数的大小直接影响天然气锅炉的热工性能，即锅炉热效率。一般过量空气系数控制在1.05~1.20之间。

　　2、排烟处CO含量

　　烟气中CO是由于天然气不*燃烧与过量空气量少产生的，天然气不*燃烧容易产生炭黑，长期积累会影响锅炉的热传递，降低锅炉的热效率，对锅炉本身造成损坏。CO含量越高，则表明天然气燃烧效率越低，锅炉热效率也越低。DB11/T1231-2015《燃气工业锅炉节能监测方法》和DB37/T846-2007《燃气工业锅炉节能监测方法》分别规定了CO含量不得超过0.01%与0.02%。

　　3、排烟温度

　　造成锅炉热效率偏低的另一原因是排烟热损失。排烟热损失是锅炉的主要热损失之一，可达10%~20%，而排烟热损失主要取决于排烟温度和过量空气系数的大小。排烟温度越高，排烟处烟气焓越高，排烟热损失越大。

　　二、小型天然气锅炉节能监测解决方案

　　根据DB11/T1231-2015《燃气工业锅炉节能监测方法》和DB37/T846-2007《燃气工业锅炉节能监测方法》标准可知：烟气成分及排烟温度的监测点设在锅炉烟气余热回收装置或尾部后一级受热面后1m以内的烟道中心处，同步实时进行。

　　1、烟气成分监测

　　根据DB11/T1231-2015《燃气工业锅炉节能监测方法》和DB37/T846-2007《燃气工业锅炉节能监测方法》可知排烟处过量空气系数计算方法为公式（1）：

　　式中：α——排烟处过量空气系数；RO2——排烟处干燃烧产物三原子气体容积含量（%）；O2——排烟处干燃烧产物氧含量（%）；CO——排烟处干燃烧产物一氧化碳含量（%）。

　　因天然气热值较高，杂质较少，不*燃烧情况不多，通常认为产生的CO含量少，可将公式（1）简化成公式（2）：

　　式中：CO2——排烟处干燃烧产物二氧化碳含量（%）

　　综上所述，测量烟气中O2、CO、CO2气体体积浓度，可计算出过量空气系数。根据标准，一般采用奥式分析仪或燃烧效率测试仪可测量烟气成分并计算出过量空气系数。基于自主知识产权气体传感器硬件及软件核心技术，锐意自控针对小型天然气锅炉实验验收与运行调控需求，设计出了一款燃烧效率分析仪Gasboard-3400(P)。

　　Gasboard-3400(P)采用非分光红外气体分析技术及长寿命电化学传感器技术，可同时测量CO、CO2与O2等气体的体积浓度，并计算得出过量空气系数。同时还可根据小型天然气锅炉厂家或用户的实验验收或运行调控需求选择在线型或便携型产品。相较于奥式分析仪的低精度检测、慢响应速度及繁琐的操作流程、较高的耗材成本，具有测量精度高、响应速度快、操作简单、性价比高等不可比拟的优势。

　　2、排烟温度测量

　　在锅炉运行中为了减少排烟热损失，应在满足燃烧反应所需空气的前提下尽量保持较低的空气系数，应尽可能避免燃料室及各部分烟道的漏风，以降低排烟热损失。然而排烟温度不是越低越好，因为太低的排烟温度势必要增加锅炉炉尾部受热面，这是不经济的；同时还会增加通风阻力，增加引风机的电耗；此外，过低的排烟温度，若低于烟气露点以下，将会引起受热面的腐蚀，危机锅炉的安全运行。因此，需要合理测量并控制排烟温度。Gasboard-3400(P)除可测量烟气成分并计算得出过量空气系数外，还可同时测量排烟温度，为调节小型锅炉燃烧工况提供合理依据。

　　三、小型天然气锅炉污染排放监测项目

　　目前我国现行的燃气锅炉标准有GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》，该标准规定了小型天然气锅炉的烟气排放指标，其指标要求见表1。

表1.现行小型天然气锅炉的烟气排放指标（国标）

　　此外，部分省份及地区也出台了适用于本地区的《锅炉大气污染物排放标准》，现行国家标准与地方标准对比及发布现状见表2。

表2.现行国家标准与地方标准对比及发布现状

　　由表1-2可以，目前各地区对小型天然气锅炉污染排放监测项目主要包括颗粒物、NOx含量、SO2含量和烟气黑度。其中对烟气颗粒物、SO2含量及NOx含量的限值不尽相同。

　　1、颗粒物含量

　　天然气锅炉运行不正常、燃烧器运行故障、空气与燃气的配比不准确以及监测人员监测经验不足均会造成锅炉颗粒物排放超标。因此为确保天然气锅炉燃气*燃烧，达标排放，企业应加强锅炉操作人员的专业技能培训，监测人员应注重提高自身监测业务水平。

　　2、烟气中NOx含量

　　NOx生成机理比较复杂，大致可以认为是由氮气与氧气在高温下生成NO，NO与O2在高温反应下生成NO2。可见NOx的生成与O2的浓度有关，也与火焰温度有关。减少过剩空气量，则O2浓度变小，火焰温度降低，NOx生成量下降。如果过剩空气量增加，虽然O2浓度增高有利于NOx的生成，但由于燃烧温度降低，总的结果是NOx生成量减少。因此，过剩空气系数为某一值时（与燃气热值、燃烧器等因素有关），NOx的生成量高，增大或减少过剩空气系数，NOx的生成量都会减少。由此可见，只要是适当增大或减少过剩空气量，就可以减少NOx的生成，从而降低烟气中的NOx含量。

　　3、烟气中SO2含量

　　烟气中SO2是由于燃气中的硫化物与空气中的O2反应而生成的，烟气中SO2含量的大小主要取决于燃气成份中硫化物含量的多少，因此为了降低SO2对大气的污染，必须对燃气进行脱硫。也可以采用烟气中SO2净化方法，不过这种方法通常用于燃煤锅炉。由于天然气在输送到客户端时均经过脱硫，成份中硫化物的含量较低，即便有锅炉烟气中SO2超标，也是偶尔的随机现象，无需对锅炉进行特殊改造处理。

　　四、小型天然气锅炉污染排放监测解决方案

　　按照GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》、GB5468-1991《锅炉烟尘测试方法》和GB/T16157-1996《固定污染源排气中颗粒物的测定与气态污染物采样方法》要求，颗粒物、NOx及SO2监测点应设置在烟囱或烟道处，测定位置尽量选择在垂直管段，并不宜靠近管道弯头及断面变化的部位，测定位置应距离弯头、接头、阀门和其他变径的下游方向大于6倍直径处，和距上述部位的上游方向大于3倍直径处，同步实时进行。

　　1、颗粒物、NOx及SO2含量同时测量

　　针对小型天然气锅炉污染排放物中颗粒物、NOx含量与SO2含量同时测量需求，锐意自控基于自主研发气体分析技术及软件核心技术设计出了在线气体分析系统Gasboard-9050，可对烟道中颗粒物、NO、SO2等污染排放物进行动态连续监测，同时可测量烟气中氧含量及流速、压力、温度、湿度等数据，自动记录污染排放总量和排放时间，并通过PSTN、GPRS、CDMA等通讯手段将监测数据传送到管理部门，实现对小型天然气锅炉污染排放物的远程实时监测。

　　在线气体分析系统Gasboard-9050由该在线气体分析系统由预处理单元、系统控制单元、气体分析单元三部分组成：

　　①预处理单元：采用加热抽取法连续监测气态污染物，采样探头过滤面积大，滤芯更换方便。预处理系统主设备采用进口器件，有效防水、防尘、防腐、防堵，适应恶劣烟道环境。

　　②系统控制单元：采用SIEMENSPLC作为核心控制元件，OMRON中间继电器作为输出元件，控制系统自动运行。系统功能丰富，可实现自动取样、吹扫、校准、故障自诊断、报警等功能。

　　③气体分析单元：采用我司拥有自主知识产权的在线烟气分析仪Gasboard-3000(Plus/UV)系列，可根据地方NOx限值需求，选配微流红外气体分析技术，微流红外结合隔半气室气体分析技术，或紫外光谱气体分析技术对小型天然气锅炉污染排放气体进行在线监测，准确测量NO、SO2气体含量。表3为Gasboard-3000系列产品主要技术参数。

表3.Gasboard-3000系列产品主要技术参数

　　2、小型天然气锅炉NOx超低排放测量

　　由于目前部分地区现行的NOx含量限值均低于国家标准，甚至更低，并出台了相应的小型低氮天然气锅炉改造的补贴标准，为低氮燃气锅炉设计与改造市场提供了重大的发展契机，也使得NOx超低排放监测技术成为未来小型天然气锅炉排放监测市场的开发热点。针对小型低氮天然气锅炉的设计、改造与应用，锐意自控推出的超低量程在线紫外烟气分析仪Gasboard-3000UV及便携紫外烟气分析仪Gasboard-3800UV，可满足小型天然气锅炉超低氮排放监测的需求。

　　Gasboard-3000UV结合紫外差分吸收光谱技术及电化学传感技术，可同时测量SO2、NO、O2等气体的体积浓度。对于低浓度NO含量监测，Gasboard-3000UV基于紫外差分吸收光谱技术，采用*算法，长光程多次回返气体室，避免烟气中气态水与烟气采样流量对NO测量结果的影响，抗干扰能力强，测量精度高，测量范围小于100mg/m³，可实现小型低氮燃气锅炉低NOx浓度的监测。作为气体分析单元Gasboard-3000UV结合Gasboard-9050预处理单元及系统控制单元，即可实现小型低氮天然气锅炉污染排放物的动态连续监测。图1为Gasboard-3000UV内部结构示意图。

图1.Gasboard-3000UV内部结构示意图

　　Gasboard-3800UV基于紫外差分吸收光谱技术、非分光红外(NDIR)技术及长寿命电化学(ECD)传感技术，可同时测量烟气中SO2、NO、CO、CO2、O2等气体的体积浓度，以及烟气温度、流速等参数，并统计出排放率、排放总量。对于低浓度NO含量监测，Gasboard-3800UV基于DOAS算法，依靠深紫外波段和不同光程作用，无水分吸收，不受水分、粉尘干扰，被测气体间无交叉干扰，检测下限低，分辨率达0.1mg/m³，满足超低排放监测需求。同时，还可满足中小型燃气锅炉改造验收及燃气锅炉污染气体排放第三方监测需求。图2为配置预处理装置的Gasboard-3800UV。

　2.配置预处理装置的Gasboard-3800UV

　　Gasboard-3800UV分析主机配备一体化采样及伴热装置，*便携式预处理装置，可确保样气满足仪表检测要求；此外，Gasboard-3800UV还可自动计算过量空气系数和燃烧效率，应用于小型天然气锅炉节能监测中。

（来源：工业过程气体监测技术）