我國中小型鍋爐的NOx排放特征與管理對策

姚芝茂，武雪芳，康 宏，李 俊

(1.中國環(huán)境科學研究院 環(huán)境標準研究所，北京 100012;

2.新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊 830011)

我國中小型鍋爐的NOx排放特征與管理對策

姚芝茂1，武雪芳1，康 宏2，李 俊1

(1.中國環(huán)境科學研究院 環(huán)境標準研究所，北京 100012;

2.新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊 830011)

對我國中小型燃煤、燃油、燃氣鍋爐的NOx排放監(jiān)測數據進行了統(tǒng)計分析，探討了NOx的排放特征與管理控制現狀。研究結果表明:燃煤鍋爐中NOx排放質量濃度小于等于400.00 mg/m3的鍋爐占76%，NOx平均排放質量濃度為324.60 mg/m3;燃油鍋爐中NOx排放質量濃度小于等于400.00 mg/m3的鍋爐占84%，NOx平均排放質量濃度為318.20 mg/m3;燃氣鍋爐中NOx排放質量濃度小于等于400.00 mg/m3的鍋爐占94%，NOx平均排放質量濃度為243.00 mg/m3。建議采取分階段逐步控制的方式減少我國中小型鍋爐NOx的排放，逐步達到歐美發(fā)達國家的控制水平。

中小型鍋爐;氮氧化物;排放特征;管理控制

燃料燃燒產生的物質是大氣污染物的重要來源之一，對人體健康、空氣質量和氣候變化產生非常重要的影響［1－5］。NOx是鍋爐中燃料燃燒排放的主要污染物之一，也是目前以及未來一段時間我國大氣環(huán)境管理和污染源排放控制的重點污染物，制訂和完善我國控制NOx排放的相關法律、法規(guī)、標準、計劃和措施等已經提上我國環(huán)境管理工作的日程。近年來，我國對燃煤電廠鍋爐NOx生成與排放特征、排放現狀與管理控制的研究較多［6－8］，而對于我國量多面廣的工業(yè)鍋爐NOx生成與排放特征、排放現狀與管理控制的研究報道極少。截至2005年底，我國在用鍋爐總數為55.38萬臺，其中電廠鍋爐0.78萬臺，工業(yè)鍋爐 31.28 萬臺，生活鍋爐 23.32萬臺;我國在用工業(yè)鍋爐中，鍋爐熱功率小于等于24.50 MW的中小型鍋爐約占工業(yè)鍋爐總量的98.9%［9］。因此，研究中小型鍋爐NOx的產生與排放特征，分析其排放規(guī)律，對于研究我國中小型鍋爐NOx排放的管理控制、排放量核算及其環(huán)境影響具有重要的環(huán)境與現實意義。

本文對我國中小型燃煤、燃油、燃氣工業(yè)鍋爐(含生活鍋爐)的NOx排放監(jiān)測數據進行統(tǒng)計分析，探討了NOx的排放特征與管理控制現狀，提出了相應的管理控制對策。

1 監(jiān)測儀器和方法

1.1 監(jiān)測儀器

Testo350型煙氣分析儀:德國德圖集團公司;KM900型煙氣分析儀:英國凱恩公司。

1.2 監(jiān)測方法

按GB/T16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》［10］采集NOx樣本;按GB/T 10180—2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》［11］測試鍋爐運行的熱工性能;按 GB13271—2001《鍋爐大氣污染物排放標準》［12］監(jiān)測 NOx濃度，以NO2計;燃煤鍋爐NOx排放濃度折算至過量空氣系數(α)為1.80的標準狀態(tài)干煙氣濃度，燃油和燃氣鍋爐NOx排放濃度折算至α為1.20的標準狀態(tài)干煙氣濃度。

2 監(jiān)測數據分析與討論

本工作實測了86臺燃煤鍋爐的NOx排放數據，實際熱功率為0.03～65.29 MW，單臺平均熱功率9.44 MW，鍋爐運行負荷為80% ～100%，α為1.35 ～4.10，平均為 2.03。還實測了 68 臺燃油鍋爐的NOx排放數據，燃料為輕油，實際熱功率為0.02 ～10.50 MW，單臺平均熱功率為1.55 MW，鍋爐運行負荷接近 100%，α為 1.04～1.42，平均為1.14。還實測了64臺小型燃氣鍋爐的NOx排放數據，實際熱功率為0.21～30.27 MW，鍋爐運行負荷接近100%，α 為1.03 ～1.43，平均為 1.18。

實測鍋爐的地域分布至北京、上海、天津、新疆等23個省、市、自治區(qū)，覆蓋面廣，代表性強。所測鍋爐均未采用NOx排放控制措施。

2.1 NOx的生成機理和影響因素

燃料燃燒生成的NOx中NO約占95%(體積分數)以上，其余為NO2，N2O含量極少。按NOx形成機理的不同，可分為 3種［13］:(1)熱力型 NOx，即燃燒使空氣中的氮在高溫下被氧化生成的NOx;(2)快速型NOx，即混合氣中碳氫化合物燃料過濃時燃燒產生的NOx;(3)燃料型NOx，即燃料本身的含氮化合物在燃燒過程中氧化而形成的NOx。

影響熱力型NOx的生成速率和生成量的主要因素包括燃燒溫度、氧氣濃度和停留時間。研究表明:當燃燒溫度低于1 500℃時，幾乎監(jiān)測不到NO的生成;當燃燒溫度高于1 500℃時，NO的生成速率按指數倍迅速增加;氧氣濃度越高，燃燒溫度越高，NO的生成量越大;燃燒時間愈長，NO生成量越大?？焖傩蚇Ox是碳氫化合物燃料在α為0.70～0.80并預混合燃燒時所生成的，此時幾乎全部生成快速型 NOx，生成地點在火焰內部［14］。通常情況下，只有在不含氮的碳氫燃料低溫燃燒時，才重點考慮快速型NOx。燃料型NOx是燃料中含有的氮在燃燒過程中形成的，燃料中的氮有20% ～60%(質量分數)轉化為 NOx［15］，燃料型 NOx占煤燃燒過程生成NOx總量的80%以上［16］。煤和油燃燒過程中生成的NOx主要由燃料型NOx和熱力型NOx組成;燃氣燃燒過程中生成的NOx主要由熱力型NOx和快速型NOx組成。

總之，影響NOx生成速率和生成量的主要因素包括燃燒方式、燃料種類、燃燒條件、鍋爐負荷等。

2.2 燃煤鍋爐的NOx排放特征

1.3 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對數據進行統(tǒng)計學處理，計量資料以表示，多組比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用SNK-q檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

86臺燃煤鍋爐的NOx排放質量濃度的累積分布(PA，%)見圖1。由圖1可見:燃煤鍋爐NOx排放質量濃度小于等于500 mg/m3的鍋爐數占燃煤鍋爐總數的97%;NOx排放質量濃度小于等于400 mg/m3的鍋爐數占燃煤鍋爐總數的76%。

圖1 86臺燃煤鍋爐的NOx排放質量濃度累積分布

86臺燃煤鍋爐的NOx排放質量濃度的區(qū)間分布特征見表1。NOx排放質量濃度的分布區(qū)間為164.40 ～711.47 mg/m3，算術平均值 323.0 mg/m3。鑒于本研究的對象是實際運行的鍋爐，不同于一般的實驗室研究，故采取以全部數據的算術平均值為基準、控制正負偏差為30%的方法對數據進行篩選，即選取 NOx排放質量濃度在226.1～419.9 mg/m3之間的數據計算NOx排放質量濃度的均值。共篩選出62臺鍋爐，占全部數據的72%，其算術平均值為324.6 mg/m3，即燃煤鍋爐NOx平均排放質量濃度為324.6 mg/m3。

表1 86臺燃煤鍋爐NOx排放質量濃度的區(qū)間分布特征

2.3 燃油鍋爐的NOx排放特征

68臺燃油鍋爐的NOx排放質量濃度的累積分布(PB，%)見圖 2。

圖2 68臺燃油鍋爐的NOx排放質量濃度累積分布

由圖2可見:燃油鍋爐NOx排放質量濃度的累積分布曲線類似于S型曲線;其中NOx排放質量濃度小于等于250 mg/m3的鍋爐僅占20%;NOx排放質量濃度小于等于300 mg/m3的鍋爐占到44%;NOx排放質量濃度小于等于400 mg/m3的鍋爐占84%。目前我國現行GB13271—2001《鍋爐大氣污染物排放標準》規(guī)定鍋爐熱功率小于等于45.5 MW的各種燃油鍋爐NOx最高允許排放濃度為400 mg/m3。由本工作獲得的鍋爐實測數據統(tǒng)計結果可知，目前運行的燃油鍋爐僅有84%可以達到國家標準的管理控制要求。

68臺燃油鍋爐的NOx排放質量濃度的區(qū)間分布特征見表2。

表2 68臺燃油鍋爐NOx排放濃度的區(qū)間分布特征

由表2可見，燃油鍋爐NOx排放質量濃度的區(qū)間分布近似于正態(tài)分布，主要集中在250～350 mg/m3，其算術平均值為318.2 mg/m3。由圖2可見，68臺燃油鍋爐的NOx排放質量濃度的算術平均值對應的累積分布為51%。

64臺燃氣鍋爐的NOx排放質量濃度的累積分布(PC，%)見圖3。由圖3可見:燃氣鍋爐NOx排放質量濃度的累積分布曲線類似于S型曲線;其中NOx排放質量濃度小于等于200 mg/m3的鍋爐僅占35%;NOx排放質量濃度小于等于300 mg/m3的鍋爐占80%;NOx排放質量濃度小于等于400 mg/m3的鍋爐占94%。可見，目前運行的燃氣鍋爐有94%可以達到國家氮氧化物排放標準的管理控制要求。

圖3 64臺燃氣鍋爐的NOx排放質量濃度累積分布

64臺燃氣鍋爐的NOx排放質量濃度的區(qū)間分布特征見表3。由表3可見，燃氣鍋爐NOx排放質量濃度的區(qū)間分布近似于正態(tài)分布，主要集中在150 ～300 mg/m3，其算術平均值為243.0 mg/m3。

表3 64臺燃氣鍋爐NOx排放質量濃度的區(qū)間分布特征

2.5 工業(yè)鍋爐NOx排放的管理控制對策

污染物排放最重要、最基本的管理控制手段就是由國家或地方政府頒布實施污染物排放(控制)標準。

德國、英國中小型燃煤鍋爐NOx排放標準限值見表4。德國、英國、日本及我國中小型燃油鍋爐NOx排放標準限值見表5。

表4 中小型燃煤鍋爐NOx排放標準限值

表5 中小型燃油鍋爐NOx排放標準限值

德國、英國、日本、新加坡、澳大利亞新南威爾士省等國家或地區(qū)的中小型燃氣鍋爐NOx排放標準限值見表6。

我國對鍋爐NOx排放的控制起步相對較晚，自GWPB—1999《鍋爐大氣污染物排放標準》［17］才開始對燃油、燃氣鍋爐的NOx排放進行控制，現行GB13271—2001保持了GWPB—1999對燃油燃氣鍋爐NOx排放的控制水平，為400 mg/m3，但對于燃煤鍋爐未規(guī)定NOx排放標準限值。由表5和表6可見:我國對于燃油鍋爐NOx的排放標準限值處于中等水平;而對燃氣鍋爐NOx的排放標準限值偏低。從實測數據的統(tǒng)計分析可見，有84%的燃油鍋爐NOx排放質量濃度小于等于400 mg/m3，有94%的燃氣鍋爐NOx排放質量濃度小于等于400 mg/m3，表明現行標準基本上反映了我國燃油和燃氣鍋爐NOx的實際排放狀況和鍋爐實際運行與控制技術水平，同時還具有進一步加強燃油和燃氣鍋爐NOx排放管理控制的空間。

表6 中小型燃氣鍋爐NOx排放標準限值

在未采用任何控制措施的情況下，有80%的燃氣鍋爐NOx排放質量濃度小于等于300 mg/m3，有35%的燃氣鍋爐NOx排放質量濃度小于等于200 mg/m3;只有44%的燃油鍋爐NOx排放質量濃度小于等于300 mg/m3，表明目前我國燃油和燃氣鍋爐NOx的排放控制還有很大潛力，同時也具有相當大的難度。雖然我國尚未規(guī)定燃煤鍋爐的NOx排放標準限值，但在一些已經頒布實施的地方污染物排放控制標準中，對燃煤鍋爐NOx的排放規(guī)定了相應的標準限值:如2007年8月北京市發(fā)布的DB11/139—2007《鍋爐大氣污染物排放標準》［18］規(guī)定工業(yè)鍋爐新源NOx排放標準限值為150 mg/m3，現有源自2008年7月1日執(zhí)行200 mg/m3的NOx排放標準限值;2007年9月1日開始實施的上海市地方標準DB31/387—2007《鍋爐大氣污染物排放標準》［19］對于燃煤鍋爐規(guī)定，在A類區(qū)禁止排放NOx及煙塵、SO2等，在B類區(qū)NOx的最高允許排放質量濃度為400 mg/m3。

建議采取分階段逐步控制的方式來減少我國中小型鍋爐NOx的排放:第一階段以單一式改進燃燒控制技術為基礎，如采用低氮燃燒技術，將NOx排放標準限值提高至小于等于300 mg/m3;第二階段以組合式改進燃燒控制技術為基礎，將NOx排放標準限值提高至小于等于200 mg/m3;第三階段以改進燃燒控制技術和煙氣凈化控制技術為基礎，將NOx排放標準限值提高至小于等于100 mg/m3，逐步達到歐美發(fā)達國家的控制水平。

3 結論

我國現行的GB13271—2001《鍋爐大氣污染物排放標準》規(guī)定的NOx最高允許排放質量濃度為400 mg/m3。對我國中小型燃煤、燃油、燃氣鍋爐的NOx排放監(jiān)測數據進行統(tǒng)計分析發(fā)現:NOx排放質量濃度小于等于400 mg/m3的鍋爐數占燃煤鍋爐總數的76%，燃煤鍋爐NOx平均排放質量濃度為324.6 mg/m3;燃油鍋爐NOx排放質量濃度小于等于400 mg/m3的鍋爐占84%，燃油鍋爐NOx平均排放質量濃度為318.2 mg/m3;燃氣鍋爐NOx排放質量濃度小于等于400 mg/m3的鍋爐占94%，燃氣鍋爐NOx平均排放質量濃度為243.0 mg/m3。建議采取分階段逐步控制的方式來減少我國中小型鍋爐NOx的排放，逐步達到歐美發(fā)達國家的控制水平。

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Emission Characteristics of NOxfrom Medium and Small Boilers and Management Strategies in China

Yao Zhimao1，Wu Xuefang1，Kang Hong2，Li Jun1

(1.Environmental Standards Institute，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China;
2.Xinjiang Environmental Monitoring Centre，Xinjiang Urumqi 830011，China)

The statistical analysis on monitoring data of NOxemission from medium and small coal-，oil-and natural gas-fired boilers in China were carried out，and the NOxemission characteristics and the management control status were investigated.The research results indicate that:For 76%of the coal-fired boilers，the NOxemission mass concentration is less than or equal to 400 mg/m3，and the average is 324.60 mg/m3;For 84%of the oil-fired boilers，the NOxemission mass concentration is less than or equal to 400 mg/m3，and the average is 318.20 mg/m3;For 94%of the natural gas-fired boilers，the NOxemission mass concentration is less than or equal to 400 mg/m3，and the average is 243.00 mg/m3.It is suggested that the mode of controlling stage-by-stage should be adopted to reduce the NOxemission from medium and small boilers in China and gradually achieve the control levels of occident developed countries.

medium and small boiler;nitrogen oxide;emission characteristic;management control

X505

A

1006－1878(2011)03－0230－05

2010－09－07;

2010－12－07。

姚芝茂(1964—)，男，河北省廊坊市人，博士，研究員，主要從事環(huán)境標準及污染物排放控制研究。電話010 －84933852，電郵 yaozm@craes.org.cn。

(編輯 祖國紅)