工業(yè)鍋爐氮氧化物在線監(jiān)測參數(shù)及安全性的研究

張艷偉 林欣 李夢娜

摘 要：本文主要以工業(yè)鍋爐煙氣中氮氧化物在線監(jiān)測為討論對象，分析了工業(yè)鍋爐中氮氧化物的生成機(jī)理和影響氮氧化物排放量的參數(shù)，根據(jù)各參數(shù)的監(jiān)測方法確定了氮氧化物在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測煙氣中的氧量、排煙溫度；本文還對監(jiān)測系統(tǒng)的安全性的影響因素進(jìn)行了分析，提出了安全監(jiān)測的建議和措施。

關(guān)鍵詞：氮氧化物；在線監(jiān)測參數(shù)；安全性

氮氧化物（NOx）是形成酸雨、破壞大氣環(huán)境的主要污染物，對人體健康和動(dòng)植物生長有直接的危害[1]；另外空氣中的NOx 經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致PM2.5與O3含量的增加，使空氣的質(zhì)量下降，因此NOx減排是改善PM2.5與O3污染的重要途徑。工業(yè)鍋爐是我國重要熱能動(dòng)力設(shè)備[2]，它既是耗能大戶，也是污染排放大戶，工業(yè)鍋爐氮氧化物排放9%[3]。

新建鍋爐安裝調(diào)試時(shí)，環(huán)保排放達(dá)標(biāo)，但隨著鍋爐運(yùn)行時(shí)間的增長，機(jī)械的老化等各種因素都會(huì)使燃燒狀態(tài)發(fā)生變化，排放值就會(huì)變化。以上海為例，根據(jù)《2016 年上海市工業(yè)鍋爐大氣污染物排放清單》可知，氮氧化物是燃油、燃?xì)忮仩t超標(biāo)的主要因素，因此要將控制氮氧化物的排放作為重點(diǎn)。而現(xiàn)有的燃燒器及鍋爐控制系統(tǒng)都不具有NOx的檢測點(diǎn)，更不參與鍋爐控制調(diào)節(jié)。政府部門、鍋爐用戶對真實(shí)的NOx排放數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)的監(jiān)控，所以實(shí)現(xiàn)氮氧化物的在線監(jiān)測是非常有必要的。在NOx的監(jiān)測過程中，不同的鍋爐燃燒工況，所檢測到NOx的濃度不相同，煙氣中的氧量、排煙溫度等因素對NOx的濃度有重要的影響。本文以工業(yè)鍋爐氮氧化物在線監(jiān)測參數(shù)及安全性為討論對象，研究影響氮氧化物在線監(jiān)測參數(shù)以及如何提高監(jiān)測的安全性。

1.氮氧化物（NOx）生成機(jī)理

燃料燃燒過程中N元素與空氣中的O2生成的氮氧化物主要是NO和N02，兩者統(tǒng)稱為NOx[4]。燃料燃燒過程中，根據(jù)N的來源和生成路徑不同，NOx可分為以下三種： 熱力型NOx，快速型NOx，燃料型NOx，對于燃煤的工業(yè)鍋爐三種類型的NOx都存在且燃料型NOx占大部分；對于燃?xì)狻⑷加偷墓I(yè)鍋爐，由于燃料中N元素含量較少，所以熱力型NOx占大部分。

熱力型NOx主要由空氣中N2與O2高溫環(huán)境發(fā)生氧化反應(yīng)下生成的，研究表明，在溫度高于1800K時(shí)，熱力型NOx才大量生成 [5]?？焖傩蚇Ox[6]主要在富燃料缺氧條件下生成，當(dāng)鍋爐中過量空氣系數(shù)a

燃燒過程中產(chǎn)生的三種NOx中，熱力型NOx約占NOx生成總量的15～20%，快速型NOx約占0～5%，燃料型NOx約占75～80%[9]。因此，應(yīng)將影響熱力型NOx和燃料型NOx生成的因素作為研究重點(diǎn)。

研究表明，燃燒溫度T、氧量O2、煤中氮元素的含量、燃料比FC/V、過量空氣系數(shù)a和停留時(shí)間，是影響NOx生成的6個(gè)相關(guān)的參數(shù)；對于燃油燃?xì)獾墓I(yè)鍋爐來說，燃燒溫度T、氧量O2、過量空氣系數(shù)a和燃料停留時(shí)間是影響NOx生成主要的參數(shù) [10]。

鍋爐中PM2.5主要由兩種污染物組成：一是煙氣中漂浮的微小顆粒物；二是煙氣中漂浮的細(xì)微的膠體，這種膠體是由NOx溶于煙氣中的水霧經(jīng)光線的照射生成。燃煤鍋爐每立方米煙氣含水汽約4%，燃?xì)忮仩t每立方米煙氣含水汽約17%，因此，燃?xì)忮仩t煙氣中NOx溶于水霧中的幾率遠(yuǎn)大于燃煤鍋爐。特別是燃天然氣冷凝式鍋爐，由于排煙溫度較低，煙氣中部分水汽已經(jīng)冷凝成水霧隨煙氣一起排入大氣中，這更大大增加了NOx溶于水霧中的幾率，也增加了PM2.5的生成量[11]，所以排煙溫度也是對NOx監(jiān)測的一個(gè)重要的參數(shù)。

燃燒溫度和停留時(shí)間通過鍋爐的控制系統(tǒng)可以監(jiān)測，所以在工業(yè)鍋爐尾部煙氣的NOx的監(jiān)測系統(tǒng)中，只需監(jiān)測煙氣氧量、排煙溫度和NOx的濃度即可。

2.各種參數(shù)對氮氧化物排放的影響

2.1 煙氣氧量的影響

實(shí)際空氣供給量與燃料燃燒所需的理論空氣需求量的比值稱為過量空氣系數(shù)。燃料的燃燒過程實(shí)際上是燃料中的可燃成分（C、H等）與氧氣發(fā)生反應(yīng)的過程。在燃料燃燒的過程中必須使進(jìn)入鍋爐的空氣量與燃料量保持一個(gè)最佳比例若過量空氣系數(shù)大，產(chǎn)生的煙氣量較多，大量的煙氣帶走較多的熱量，使?fàn)t膛的溫度降低，不但會(huì)影響燃燒，還會(huì)增加排煙熱損失和煙塵量：若過量空氣系數(shù)太小，由于氧氣的量不足，則燃料不能充分燃燒，則化學(xué)未完全燃燒損失就大。因此檢測煙氣中氧氣的含量對工業(yè)鍋爐控制燃燒、實(shí)現(xiàn)安全、高效、低污染排放等方面是很重要的。為了使鍋爐保持最佳燃燒工況，必須使進(jìn)入鍋爐的空氣量與燃料量的比例合適。

由于空氣中含有多種成分，對于過量空氣系數(shù)測量方法過于復(fù)雜，所以目前只能通過間接測量法來計(jì)算過量空氣系數(shù)：經(jīng)研究發(fā)量空氣系數(shù)的計(jì)算公式為ɑ≈21/（21-O2），由公式可見過量空氣系數(shù)與煙氣中氧氣含量有確定（單值）的變化關(guān)系，且與受燃料性質(zhì)幾乎沒有關(guān)系，所以通常采用的監(jiān)測過?？諝庀禂?shù)的方法是連續(xù)測量干煙氣中氧氣含量，由此來判斷燃料及爐膛的燃燒狀況，控制進(jìn)入爐膛的空氣量，維持最佳燃料與風(fēng)量的比例，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃燒，既能節(jié)約能源又能減少環(huán)境污染。另一方面，隨著國家對環(huán)境保護(hù)力度的不斷加大及環(huán)保法規(guī)的要求越來越嚴(yán)格，污染物排放量的控制也日益嚴(yán)格和科學(xué)化，這就對在線監(jiān)測系統(tǒng)測量鍋爐排放煙氣中的污染物含量的準(zhǔn)確性要求越來越高。

在環(huán)境保護(hù)監(jiān)測方面，不同的燃燒工況下測得的污染物的濃度是不同的，當(dāng)過量空氣系數(shù)較大時(shí)測得的污染物的濃度較低，但是這種工況下煙氣的排放量增加，鍋爐的效率下降，不能達(dá)到節(jié)能的效果，所以需要規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)氧含量，由于各工業(yè)燃燒工藝對氧量的需求不同，所以規(guī)定的氧基準(zhǔn)通常就是以剛好充分燃燒時(shí)的排放濃度為準(zhǔn)，實(shí)測的排放物的濃度必須這算為基準(zhǔn)氧含量濃度，經(jīng)過折算后，能夠標(biāo)準(zhǔn)化污染物的排放值，使數(shù)值具有可比性。測得排放污染氣體中氧含量，檢測排放的氣體污染物濃度是否超過規(guī)定的排放濃度，然后計(jì)算折算濃度，比較折算后的濃度是否高于國家環(huán)保規(guī)定中的排放濃度。

由以上可見，鍋爐煙氣中的含氧量對NOx的濃度的折算具有關(guān)鍵的作用，因此在監(jiān)測鍋爐煙氣的NOx的濃度的同時(shí)必需對煙氣中的含氧量進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 排煙溫度的影響

排煙溫度是排煙熱損失的主要決定因素，排煙溫度越高，排煙熱損失越大，排煙熱損失是鍋爐的主要熱損失之一。因此，排煙溫度的高低，對鍋爐熱效率有直接影響，一般排煙溫度如降低12～15℃，可減少排煙熱損失1%。因?yàn)榻档团艧煖囟饶軌驕p少排煙熱損失，提高鍋爐熱效率，所以在鍋爐運(yùn)行中，用戶希望排煙溫度越低越好，但是當(dāng)排煙溫度降低到一定程度時(shí)，煙氣中的水汽會(huì)冷凝成水霧，煙氣中的NOx會(huì)溶于煙氣中的水霧經(jīng)太陽的照射生成細(xì)微的膠體，這種膠體隨煙氣一起排入大氣中，就增加了PM2.5的生成量，而且還會(huì)對尾部煙道造成低溫腐蝕。排煙溫度對NOx的排放濃度有比較重要的影響，同時(shí)排煙溫度也反映鍋爐的運(yùn)行狀況，因此在監(jiān)測鍋爐煙氣的NOx的濃度的同時(shí)必需對排煙溫度進(jìn)行監(jiān)測。

3.各參數(shù)的監(jiān)測方法

3.1 氮氧化物測量方法

現(xiàn)在市場上監(jiān)測NOx設(shè)備主要是根據(jù)傳統(tǒng)的NOx的方法化學(xué)發(fā)光法、色譜法等制造出來的，雖然這類方法靈敏度高、檢出限低，但是檢測裝置復(fù)雜，體積龐大、價(jià)格昂貴，不能實(shí)現(xiàn)NOx的現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測[12]。根據(jù)現(xiàn)場對NOx檢測的要求，經(jīng)過篩選發(fā)現(xiàn)NOx化學(xué)傳感器檢測方法具有靈敏度高、簡便、快捷、攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足對NOx現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測的要求。根據(jù)測量原理和傳感器的結(jié)構(gòu)的不同，NOx化學(xué)傳感器主要有聲波表面NOx化學(xué)傳感器、NOx光纖化學(xué)傳感器、半導(dǎo)體NOx化學(xué)傳感器、NOx電化學(xué)傳感器。NOx電化學(xué)傳感器是利用NOx氣體分子在傳感器的敏感電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而導(dǎo)致敏感材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變而產(chǎn)生電信號(hào)來工作的?，F(xiàn)在工業(yè)鍋爐的監(jiān)測系統(tǒng)中常用的NOx傳感器為電化學(xué)傳感器，因?yàn)殡娀瘜W(xué)傳感器具有不易受其他物質(zhì)干擾、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、攜帶方便、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 煙氣中的氧量測量方法

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，根據(jù)測量的原理和制備方法不同氧含量的檢測傳感器大致可分為兩大類。一類是根據(jù)電化學(xué)法制成的電化學(xué)傳感器，如利用原電池法、固體電解質(zhì)法和極譜法等方法制備成的傳感器，另一類是利用物理法制成，如熱磁式、磁力機(jī)械式等類型的傳感器。氧氣電化學(xué)傳感器主要有熱磁氧式氧量傳感器和氧化鋯氧量傳感器[13]，鍋爐控制系統(tǒng)要求氧傳感器對煙氣中氧含量的監(jiān)測和控制都具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，并滿足氧傳感器的使用壽命長的要求。熱磁氧式氧量傳感器雖然具有結(jié)構(gòu)原理簡單、制造成本低和易于操作等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其響應(yīng)時(shí)間長、測量可重復(fù)性差、測量環(huán)室對煙氣凈化程度要求高和熱敏原件腐蝕等缺點(diǎn)，氧化鋯煙氣傳感器具有結(jié)構(gòu)和采樣預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單、檢出限低和分辨率高、測量范圍寬、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)在工業(yè)鍋爐煙氣氧量的測量一般采用氧化鋯氧量傳感器。

3.3 排煙溫度的測量方法

熱電偶溫度計(jì)不僅結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，而且測溫范圍廣（-200-2000℃），靈敏度準(zhǔn)確度高（可達(dá)0.001℃），熱容量小，響應(yīng)速度快，可用于微區(qū)測量，并廣泛應(yīng)用與實(shí)時(shí)測溫和監(jiān)控系統(tǒng)。由于鍋爐尾部煙氣的溫度不是特別高，所以利用熱電偶溫度計(jì)可測排煙溫度。

4監(jiān)測安全性

4.1 監(jiān)測安全的必要性

工業(yè)鍋爐是利用燃料燃燒釋放的熱能或其他來源的熱能，將水或其他工質(zhì)（如有機(jī)熱載體等）加熱以生產(chǎn)規(guī)定參數(shù)（溫度，壓力）和品質(zhì)的蒸汽、熱水或其他工質(zhì)的設(shè)備，用于工業(yè)生產(chǎn)和/或民用工業(yè)鍋爐是工業(yè)作業(yè)以及群眾日常生活中不可缺少的熱力供應(yīng)工具，在燃料燃燒的過程中，燃料和燃燒空氣中含有對人體和環(huán)境有害的物質(zhì)，所以工業(yè)鍋爐使用過程中也會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，這些污染物對生態(tài)環(huán)境的破壞也日益嚴(yán)重。工業(yè)鍋爐是具有爆炸危險(xiǎn)的特殊設(shè)備，工業(yè)鍋爐在高溫環(huán)境下運(yùn)行，同時(shí)由受到煙氣和工質(zhì)中的有害物質(zhì)的侵蝕和飛灰的磨損，如果安全管理不嚴(yán)，使用不當(dāng)，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則發(fā)生爆炸，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，所以工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)要對鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、供水溫度、回水溫度、高低水位、火焰顯示、給水硬度、運(yùn)行信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，以確保工業(yè)鍋爐運(yùn)行的安全性。

氮氧化物是工業(yè)鍋爐排放的一種含氮污染物，在對氮氧化物的監(jiān)管中，監(jiān)測系統(tǒng)的安全性也極為重要，本文所討論的氮氧化物在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅監(jiān)測氮氧化物的排放量，而且還對煙氣中的氧量及排煙溫度進(jìn)行監(jiān)測，上述參數(shù)不僅可以用于指導(dǎo)燃燒控制可以通過這些參數(shù)的異常變化，預(yù)警鍋爐燃燒的異常，再通過現(xiàn)場鍋爐燃燒情況了解，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋爐燃燒中存在問題和隱患，如排煙溫度逐漸升高，判斷煙管結(jié)焦等等，所以監(jiān)測系統(tǒng)的安全運(yùn)行是很有必要的。

4.2 安全監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

氮氧化物監(jiān)測系統(tǒng)安全監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)主要決定因素是：信息傳遞是否失真，是否準(zhǔn)確、各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否能夠測量準(zhǔn)確、安全傳遞和儲(chǔ)存。監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是安全監(jiān)測的關(guān)鍵因素。如何做到做到準(zhǔn)確監(jiān)測，一般實(shí)際應(yīng)用中主要注意幾個(gè)方面：1）煙氣的前處理，煙氣的中含有灰塵、溫度較高需要對煙氣進(jìn)行凈化冷凝處理，使煙氣的溫度不查過測量儀器的最高溫度，定期對測量儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，并檢查響應(yīng)時(shí)間 （2）對煙氣的流量進(jìn)行測量，反復(fù)測試使煙氣的流量符合測量儀器的量程，定期對測量儀器進(jìn)行線性誤差測試，必須符合規(guī)定要求；（3）定期利用校準(zhǔn)儀器進(jìn)行對比測量，保證測量儀器測得的數(shù)值誤差符合規(guī)定范圍； （4）必須使用有效期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。第二，要保證所采集分析樣氣是排放的工業(yè)鍋爐煙氣，那就必須做到以下幾點(diǎn)：（1）不超過3個(gè)月更換一次傳感器慮芯；（2）每天放空空氣壓縮機(jī)內(nèi)冷凝水；（3）保證樣氣氣路不漏氣，即不能混進(jìn)空氣或別的氣體；（4）保證采樣泵采集到的氣體是樣氣。

5 結(jié)論

本文對根據(jù)工業(yè)鍋爐燃燒過程中氮氧化物產(chǎn)生的機(jī)理對影響氮氧化物生成的參數(shù)進(jìn)行了研究，據(jù)本文分析發(fā)現(xiàn)燃燒溫度、氧量、過量空氣系數(shù)、排煙溫度是影響NOx排放濃度的重要參數(shù)，因此在工業(yè)鍋爐氮氧化物在線監(jiān)測的系統(tǒng)中，需要同時(shí)監(jiān)測煙氣中的氧量和排煙溫度。信息傳遞是否失真，是否準(zhǔn)確、各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠測量準(zhǔn)確、安全傳遞和儲(chǔ)存是監(jiān)測系統(tǒng)能否安全運(yùn)行的重要影響因素。

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作者簡介：

張艷偉，出生年月：1984.09，性別：女，民族：漢，籍貫（精確到市）：山東省菏澤市，當(dāng)前職務(wù)：設(shè)計(jì)師，當(dāng)前職稱：中級(jí)工程師，學(xué)歷：研究生，研究方向：鍋爐燃燒及監(jiān)控系統(tǒng).