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隨著北京市大力推行“煤改氣”，大量的煤炭正在被天然氣等清潔燃料替代，天然氣主要成分是CH4，幾乎沒(méi)有灰分、硫含量很低，不存在含汞化合物，從化學(xué)平衡的角度看，的確比煤炭更加清潔，主要污染物顆粒物、SO2、Hg的排放更低。(引圖——單位熱量煤炭與天然氣產(chǎn)生污染物的比較)，但是我們的天然氣使用是否真的清潔?我們以北京市燃?xì)忮仩tNOx排放的平均水平與煤炭進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)天然氣雖然只有煤炭燃燒產(chǎn)生NOx的30%，但兩種燃料的NOx仍處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是怎么回事?實(shí)際上，“煤改氣”在NOx減排上只是減少了燃料氮，我們知道天然氣的燃燒是需要空氣作為助燃劑的，當(dāng)氧氣與CH4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量熱的同時(shí)，高溫使得空氣中的氮?dú)庖脖徊糠盅趸纬蒒Ox，從而排放進(jìn)入大氣。NOx在大氣中會(huì)參與光化學(xué)反應(yīng)，是PM2.5、O3形成的重要前體物。引用北京市PM2.5源解析的結(jié)果(引圖——PM2.5源解析圖譜，北京和其他城市)，2013年北京市PM2.5中的N/S摩爾比已經(jīng)達(dá)到了1.7，這一比例遠(yuǎn)超過(guò)全國(guó)平均水平0.33，也就是說(shuō)NOx在PM2.5中的貢獻(xiàn)已經(jīng)大大超過(guò)了SO2。從北京市近15年的空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)上看(引圖——環(huán)境空氣質(zhì)量濃度變化趨勢(shì))，SO2呈現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，這與近年來(lái)的大規(guī)模“煤改氣”密切相關(guān)，雖然“煤改氣”對(duì)NOx的有協(xié)同減排作用，但由于城市發(fā)展帶來(lái)的能源增量，最終NOx的減排上并不顯著，從圖中可以看出2008年以后環(huán)境空氣中的NO2則基本穩(wěn)定在40-60微克/立方米左右，已經(jīng)進(jìn)入瓶頸期。從北京市的重污染過(guò)程發(fā)生的時(shí)間頻率看(引圖——是否有圖?)，冬、春兩季發(fā)生頻率最高，這與冬季采暖消費(fèi)大量的化石能源有密切的相關(guān)性。根據(jù)北大對(duì)2013年一次重污染過(guò)程的分析(引圖——)，可以看出PM2.5與NOx的濃度呈現(xiàn)了強(qiáng)相關(guān)性，SO2在這次重污染過(guò)程中的幾乎持續(xù)在一個(gè)比較低的水平。因此，以SO2為特征污染物的煤煙型污染已經(jīng)悄然向NOx污染轉(zhuǎn)化。

 

  隨著北京市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)造成的排放量呈現(xiàn)逐年萎縮的態(tài)勢(shì)，與居民生活相關(guān)的污染源比例在升高。北京要實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的改善，必須從生活源實(shí)施深度減排。如前所述，隨著大氣環(huán)境污染形成機(jī)理的逐漸清晰，環(huán)境管理、污染控制將更加精細(xì)化，北京市環(huán)保局正在修訂北京市《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中對(duì)燃?xì)忮仩t的NOx排放控制提出了非常高的要求，到2017年北京市新建鍋爐NOx要達(dá)到30mg/m3，只有現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)限值的1/5，是繼美國(guó)南加州空氣質(zhì)量管理區(qū)之后的最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)。NOx的產(chǎn)生環(huán)節(jié)主要受燃燒系統(tǒng)控制，也就是燃燒器非常關(guān)鍵，同時(shí)鍋爐本體的設(shè)計(jì)、受熱面的布置也要與火焰尺寸匹配。這一標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將對(duì)北京燃燒器市場(chǎng)形成較大的沖擊，目前僅有少數(shù)的國(guó)外燃燒器企業(yè)可以提供這樣的產(chǎn)品。為了配合北京市地方標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，提高我國(guó)燃燒器產(chǎn)業(yè)細(xì)分市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，北京市科委在2014年啟動(dòng)了北京市重大科技計(jì)劃項(xiàng)目《燃?xì)忮仩t低氮燃燒技術(shù)裝備研發(fā)與示范》，擬將國(guó)內(nèi)的技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品制造、市場(chǎng)拓展等優(yōu)勢(shì)資源進(jìn)行整合，促進(jìn)新興環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

  我們?cè)诔浞址治龅偷紵鞴I(yè)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，課題組確定了低氮燃燒器的技術(shù)路線，經(jīng)過(guò)半年的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，已完成了低氮燃燒器的產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)方案采用了火焰分割、燃料分級(jí)以及煙氣再循環(huán)等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低溫燃燒與火焰穩(wěn)定這一對(duì)矛盾因素的統(tǒng)一。同時(shí)燃燒器擬采用軟測(cè)量值目標(biāo)反饋控制技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)可根據(jù)燃燒器的負(fù)荷變化實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒效率、NOx排放的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，或?qū)⒃谌細(xì)忮仩t燃燒控制技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，以期解決中小型燃?xì)忮仩t由于成本過(guò)高而無(wú)NOx控制、大型燃?xì)忮仩t過(guò)程控制成本過(guò)高的問(wèn)題。該項(xiàng)目目前正在加緊進(jìn)行樣機(jī)的制造，清華大學(xué)熱能工程系對(duì)設(shè)計(jì)方案的NOx初步模擬結(jié)果在40mg/m3以下，由于模擬結(jié)果的不確定性可能會(huì)有30%左右的誤差，后續(xù)需要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)初設(shè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化調(diào)整。

 

  本項(xiàng)目的最終產(chǎn)出將實(shí)現(xiàn)我國(guó)低氮燃燒器、低氮燃?xì)忮仩t整體裝備的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，將應(yīng)用于燃?xì)忮仩t的低氮改造和新建燃?xì)忮仩t上，為《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施提供裝備與技術(shù)支持。該標(biāo)準(zhǔn)的落地，將為本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的低氮燃燒器和低氮燃燒技術(shù)打開(kāi)市場(chǎng)，本項(xiàng)目的完成也將為北京市5000臺(tái)存量燃?xì)忮仩t的低氮改造和“煤改氣”項(xiàng)目提供合規(guī)支持。該項(xiàng)目的實(shí)施預(yù)計(jì)將減少北京市NOx排放量約2萬(wàn)噸，減排比例在10%以上，減少采暖季北京市NOx排放量約30%，提高北京市大氣環(huán)境抗重污染的能力，減少采暖季的霧霾發(fā)生頻次。