浦东机场锅炉低氮改造选型与实施

文_张凯越 上海国际机场股份有限公司

随着国家和上海市对大气污染防治工作的不断推进，对锅炉排放中的氮氧化物、SO2、PM2.5等污染物提出了新的要求，根据上海市环保局修订的《上海市锅炉大气污染物排放标准》的规定，自2020年9月30日起在用的锅炉烟气中氮氧化物浓度必须低于50mg/m3。

现浦东机场1#能源中心与2#能源中心的锅炉燃烧产生的烟气中氮氧化物排放浓度较高，不符合相关规定，须进行燃烧器的低氮改造。而目前存在多种低氮燃烧技术，其适用范围、投资规模、稳定性各不相同。为保证以合理的投资达到充分的改造效果，根据各低氮燃烧技术的特点，结合浦东机场的现场情况进行了技术选型，并制定了低氮改造的技术方案。根据拟定的方案，对该项目进行了招标与实施，成功完成了低氮改造，改造后浦东机场能源中心锅炉的氮氧化物排放量每年降低约5091kg。

1 浦东机场现有设备简介

本次需要进行低氮改造的锅炉位于浦东机场的1#能源中心与2#能源中心。1#能源中心现有1台20t/h、3台30 t/h的燃油/气两用卧式双炉膛三回程湿背式火管蒸汽锅炉，每台锅炉使用2台燃烧器，已使用年限为20a；2#能源中心现有3台20t/h的燃油/气两用卧式双炉膛三回程湿背式火管蒸汽锅炉，每台锅炉使用2台燃烧器，已使用年限为10a。

2 低氮燃烧技术评估

氮氧化物大多在各种燃料的燃烧过程中产生的，其中NO约占氮氧化物总量的 90%～95%，在大气中会迅速氧化成NO2。“热力型氮氧化物”为燃气锅炉的主要控制对象，要减少“热力型氮氧化物”的生成，可采取以下措施：①减少燃烧最高温度区域范围。②降低锅炉燃烧的峰值温度。③降低燃烧的过量空气系数和局部氧浓度。

结合各低氮燃烧技术的特点以及浦东机场的现场情况，对各技术的适用性进行了评价。

2.1 燃烧器低氮燃烧技术

燃烧器低氮燃烧技术包括火焰长度方向分级、火焰直径方向分级、燃烧器内部半预混技术、烟气内循环降氮技术等。综合看来燃烧器低氮燃烧技术泛用性高、兼容性强，同时使用成本较为合理，适用于浦东机场现有锅炉的低氮改造。

2.2 烟气外循环降氮技术（FGR 技术）

烟气外循环技术是目前市场上主流的低氮燃烧手段，该方法成本较低且容易实现，对锅炉外形不需要进行大幅改造，对已经完成布局的在用锅炉改造较为适用。烟气外循环技术同时也宜与燃烧器低氮燃烧技术配合使用，结合其本身特点，适用与浦东机场现有锅炉的低氮改造。

2.3 表面燃烧技术

表面燃烧技术的气体燃料与助燃气体预混，难以控制混合率，为防止回火和降低调整混合率难度，燃烧器需附加其他技措设计，从而对燃烧器使用寿命有所影响。由于机场属于服务型行业，锅炉用途主要为航站楼供暖使用，主要注重于技术的成熟性，安全性及稳定性，因此判断该方式不适用与浦东机场现有锅炉的低氮改造。

2.4 水冷预混技术

水冷预混技术布风均匀性随规模增加变差，适用于6t/h以下锅炉，水冷循环系统与锅炉本体绑定，无法单独使用，仅适用于新建锅炉，不适用于浦东机场现有锅炉的低氮改造。

3 改造目标与技术选型

虽然《上海市锅炉大气污染物排放标准》的氮氧化物排放要求为50mg/m3，但是考虑到后续法规对氮氧化物排放的进一步强化，此次改造的氮氧化物排放目标选定为30mg/m3。

由于本项目为改造项目，需要考虑到系统运行的安全性、稳定性及项目实施的经济性。对于燃气锅炉的低氮改造,目前低氮燃烧器+烟气外循环降氮技术（FGR技术）的方案运用最为广泛，且改造工程量小，后期运行维护费用低。因此，本设计选择低氮燃烧器+烟气外循环降氮技术（FGR技术）方案。

4 低氮改造项目实施

4.1 低氮燃烧器技术构造

根据锅炉系统现场实际情况，通过炉膛尺寸、FGR风道走向、运行符合等参数的匹配，对此次低氮改造采用的燃烧器进行了定制。最终选用的燃烧器为T型分体式结构，采用了低过量空气燃烧技术、火焰分割技术、空气燃料分级分段燃烧技术、烟气内循环技术、烟气外循环系统等多种低氮燃烧技术，最终满足了30mg/m3的氮氧化物排放要求。

4.2 改造实施

4.2.1 总体改造方案

根据现场的空间构造，拟定了燃烧器的布局及锅炉系统的总体改造方案，主要工程内容为：①制作新的燃烧器接口，修正炉膛耐火混凝土接口尺寸、更换燃烧器。②增加FGR烟气再循环设备（包括再循环烟道、烟道保温、控制阀门、测量元件等相关设备）。③更换鼓风机、制作变频器控制柜支架。④更换燃烧器改造需要更换的控制阀门和现场仪表等系统组件、并对燃气管道位置修正。⑤配套新燃烧器对控制系统进行改造。

4.2.2 现场安装

（1）燃烧器配套锅炉炉口尺寸改造

由于燃烧器需要更换，新旧燃烧器火焰筒存在差异，需将前墙进行扩孔，并按新燃烧器安装法兰做安装板，做好后将前墙做好耐火砖或用耐火浇注料进行制作。

（2）燃气阀组对接改造

根据新燃烧器控制需要将现场的燃气阀组也全部更换为新阀，同时造成了燃气入口位置变化，因而对现场燃气管道进行了重新排布。

（3）新增FGR烟气外循环系统

FGR循环烟气系统采用从锅炉尾部取循环烟气，本项目中选择锅炉节能器后作为烟气抽取点，此处烟气温度约为180℃，可有效避免冷凝水生成。

（4）风机安装

本次改造以燃烧器为安装基点，燃烧器安装完成后，助燃风机与燃烧器对接并支撑风机底座，安装混风箱、接风门和FGR调节风门，在风机入口安装混风箱，并将风门和FGR调节风门分别安装在混风箱上，并将FGR循环烟气管道接入混风箱。

5 低氮改造效果验证

本次低氮改造实施完成后，由第三方环保检测单位对有所锅炉进行了环保检测（结果见表1），所有锅炉的氮氧化物排放浓度均低于30mg/m3，改造前的氮氧化物排放浓度均值为115mg/m3。根据上述排放量，对能源中心改造前后的氮氧化物排放量进行如下计算：

表1 改造后烟气环保检测结果

污染物排放量=废气量×污染物浓度；

天然气燃烧时的废气量=天然气用量（m3）×天然气完全燃烧产生的废气量（10.89m3/m3）；

本次改造对象的锅炉每年天然气用量约为550万m3。

因此当氧化物排放量计算结果如下：

改造前排放量=5500000m3/a×10.89m3/m3×115mg/m3×10-6=6887.925kg/a；

改造后排放 量=5500000m3/a×10.89m3/m3×30mg/m3×10-6=1796.85kg/a。

根据结果可知，通过本次低氮改造，浦东机场能源中心每年可减少约5091kg的氮氧化物排放量。

6 结论与建议

根据浦东机场现有设备与场地的使用情况，以及各种低氮燃烧技术的特点，结合浦东机场的行业性质以及蒸汽使用目的，决定选用低氮燃烧器+烟气外循环降氮技术（FGR 技术）方案进行技术改造。考虑到后续法规的进一步严格化，氮氧化物改造目标设定为30mg/m3。

该项目改造完成后，氮氧化物排放量控制在 30mg/m3，年氮氧化物排放量降低约5091kg，远低于国家标准，符合上海市大气污染防治工作方案的要求，减少由于供暖对城市环境造成的影响。

控制氮氧化物排放，将有效降低化学烟雾和酸雨的产生，减少因氮氧化物二次转化形成的 PM2.5。改善环境空气质量，为建设绿色机场添砖加瓦。

改造完成后，根据《关于加快推进本市中小锅炉提标改造工作的实施意见》要求，浦东机场编制了锅炉低氮改造补贴申请资料，申请低氮改造市级，区级支持资金共计539万元。