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NOx排放的控制可通過抑制熱力型和燃料型NOx來實現。當燃料為天然氣時,由于天然氣N含量較低,熱力型NOx是唯一可以在實際中被控制的組分。燃燒修正技術通過降低火焰的高溫來實現,對降低熱力型NOx是最為有效的。當使用預熱式燃燒氣時,通過向燃燒區噴入水或蒸汽(Water Injection、Steam Injection),將一部分煙氣引回至燃燒區(FGR),可以降低預熱空氣溫度。但由于南加州非常嚴格的NOx排放標準,WI/SI在小型燃氣鍋爐的應用十分有限。雖然這項技術對于降低熱力型NOx非常有效,但是由于對燃燒效率的降低、安全以及燃燒器的控制問題導致其不能被廣泛應用。另一方面,FGR有較大的應用基礎,既可以單獨使用又可以和低氮燃燒器(LNB)聯合使用。在實際操作上,很多燃氣工業鍋爐的LNB設計都是與FGR一起的。很多燃氣工業鍋爐業主認為LNB控制可行。
熱力型NOx還可以通過最小化過剩氧量、延遲燃料和空氣的混合、將鍋爐燃燒容量降至某一程度。第一種技術通常是指氧削減(OT)或低過量空氣(LEA),可以通過優化燃燒器的操作達到最小的過剩空氣量使得不增加過量的熱力型NOx排放。較低的氧濃度對于NOx的影響可能在一定程度上增加熱力型NOx,這是由于較小的煙氣體積造成的較高溫度尖峰。OT和LEA一般對于組裝型水管和火管鍋爐是不適用的,由于火焰長度和CO濃度較高可能導致背墻火焰爆震。第二種技術通過分級供應輸入燃燒區的燃燒空氣量來降低火焰溫度和氧含量。分級燃燒空氣可以通過多種方法實現。對于多燃燒器鍋爐,最為實用的方法是讓某些燃燒器停用(BOOS)或者將燃料流量偏重于選定的燃燒以達到類似于空氣分級的效果。第三種技術通過降低鍋爐的熱功率以降低爐膛內的尖峰溫度,該方法由于涉及降低蒸汽產量而不常使用,僅在某些場合使用。
另一種燃燒修正技術為燃料分級,區別于燃燒空氣分級。將總燃料量的一部分噴入主燃燒區下游,再燃燃料產生的碳氫基團將還原一次燃料產生的NOx。這項再燃技術當使用天然氣為再燃燃料時有較好的效果。
南海岸空氣質量管理區的BACT指南中根據鍋爐的不同功率及用途來設定污染物排放許可,且指南中對于燃料有所限定,要求使用清潔能源。在此背景下,新、改、擴建鍋爐多為燃氣鍋爐,主要是天然氣,還有一些液化石油氣和丙烷氣體,因此BACT指南主要針對NOx排放控制。根據指南中作為主要污染源的22家企業,24臺鍋爐的排放許可情況(見表4-1)來看,對于6MW及以下的鍋爐,一般采用低氮燃料器結合燃燒工藝優化或煙氣循環來控制NOx的產生,排放水平可控制在12ppmvb@3%O2(約為24mg/m3)。對于大于6MW且小于等于15MW的燃氣鍋爐,除上述措施外,可考慮SCR煙氣脫硝,排放水平控制在7~9ppmvb@3%O2(約為14-18mg/m3)。大于15MW的燃氣鍋爐,在上述措施的基礎上需進行SCR脫硝,排放水平控制在5~9ppmvb@3%O2(約為10-18mg/m3)。
表4-1 南海岸空氣質量管理區采用BACT的鍋爐NOx排放水平(主要污染源)
企業名稱 | 鍋爐容量 (MW) | 主要燃料 | NOx (mg/m3) | 控制技術 |
AES Huntington Beach | 225 | 天然氣 | 10 | 低NOx燃燒器, FGR, SCR,催化氧化 |
Darling International, Inc. | 32.21 | 天然氣 | 18 | 低NOx燃燒器/FGR |
Kal Kan Foods Inc. | 23.01 | 天然氣 | 18 | SCR |
University of California Irvine Medical Center | 14.23 | 天然氣 | 18 | 超低NOx燃燒器 |
Los Angeles County Internal Services Dept. | 11.42 | 天然氣 | 18 | 超低NOx燃燒器結合煙氣再循環系統 |
Children's Hospital Los Angeles | 9.93 | 天然氣 | 14 | SCR |
7.09 | 14 | |||
7.09 | 14 | |||
Coca Cola | 9.22 | 天然氣 | 14 | SCR |
Nation Wide Boiler | 8.43 | 天然氣 | 18 | |
Cosmetic Laboratories | 6.28 | 天然氣 | 18 | 超低NOx燃燒器 |
LACorr Packaging | 6.15 | 天然氣 | 14 | SCR |
Hi-Country | 6.12 | 天然氣 | 18 | |
Bumble Bee Seafoods, Inc. | 4.92 | 天然氣 | 24 | |
Santa Monica - UCLA Medical Center | 4.77 | 天然氣 | 30 | |
Liberty Container Co., Key Container | 4.77 | 天然氣 | 24 | |
Fullerton College | 2.93 | 天然氣 | 24 | FIR(內循環) |
Disneyland Resorts | 2.49 | 天然氣 | 24 | 超低NOx燃燒器 |
Maruchan,Inc. | 2.40 | 天然氣 | 10 | 超低NOx燃燒器 |
RRR Real Estate | 2.20 | 天然氣 | 24 | |
L&N Uniform Supply Co Inc. | 1.84 | 天然氣 | 24 | |
San Bernardino County Medical Center | 1.76 | 天然氣 | 24 | |
SCHI Santa Monica Beach Hotel Associates | 1.26 | 天然氣 | 24 | 超低NOx燃燒器 |
Pacific Life Insurance | 0.87 | 天然氣 | 24 | 預混合金屬纖維 |
由表4-1可以看出:加州對燃氣鍋爐NOx排放控制很嚴,采用SCR技術排放水平是7-9ppm(約為14-18mg/m3),采用超低氮燃燒技術排放水平是5-12ppm(約為10-24mg/m3)。燃氣鍋爐低氮燃燒技術已經在美國廣泛應用超過二十年,美國國家環保局和地方環保局早已將此技術列為對燃氣鍋爐氮氧化物排放控制的最佳實用技術,對未安裝此技術的燃氣鍋爐,將不頒發給鍋爐使用者大氣排放許可證。目前全美國廣泛使用的為30ppm(約為60mg/m3)低氮燃燒器,加州則作為全美國的試點于今年開始推廣9ppm(約為18mg/m3)的超低氮燃燒器,該技術不需要加裝煙氣凈化設備,僅通過控制燃燒溫度使氮氧化物生成量明顯降低,對有效削減燃氣鍋爐NOx排放發揮了重要作用。
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