化石燃料燃燒過程中氮氧化物排放量的評估

王明星，廖昌建

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

化石燃料燃燒過程中氮氧化物排放量的評估

王明星，廖昌建

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

介紹了計算化石燃料燃燒過程中NOx排放量的3種估算方法，分別是《“八五”環境統計手冊》、《IPCC國家溫室氣體排放清單指南》(1996年修訂版)和Kato N排放因子計算法。通過舉例對3種估算方法進行了比較，并指出了各自的使用條件，各企業可根據具體情況分別選用。

氮氧化物； 評估； 化石燃料； 燃燒

氮氧化物(NOx)是酸雨及光化學煙霧的成因物質，高濃度的二氧化氮還會給人的呼吸器官帶來不良影響，世界上有許多國家都對NOx的排放做出了嚴格的規定，我國也已經開始向企業收取NOx排污費，因而，選擇適當的方法評估其NOx排放量已成為企業所必須面臨的問題。NOx主要是隨著燃料燃燒而產生的，其排放源有工廠的鍋爐煙囪等固定源，也有汽車尾氣等流動源。根據NOx的生成機理，燃料燃燒過程中產生的NOx由三部分組成[1-2]：燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。燃料型NOx是指燃料中的氮元素在燃料燃燒過程中被氧化生成的NOx；熱力型NOx是指空氣中的氮在高溫時被氧化而生成的NOx；在火焰面及其附近激發生成的NOx被稱為快速型NOx。NOx的產生與燃燒方式、燃燒器結構、爐膛結構以及燃燒工況等密切相關，形成機理非常復雜。鐘北京和徐旭常[3]曾對燃燒過程中NOx的形成進行了數學模擬，但該數學模型對某些燃燒計算還存在較大的誤差，甚至存在定性上的不一致。田賀忠[4-6]等在評估燃料燃燒排放的NOx時更多的使用了排放因子，只不過各種排放因子的基準不同。另外，煤和重油燃燒過程中排放的NOx可采用《“八五”環境統計手冊》[7]中的公式進行估算，該手冊還為汽油等車用燃料提供了NOx排放系數。本文通過舉例對各種評估方法進行了比較，并指出了各自的使用條件。

1 評估方法介紹

目前，人類所使用的化石燃料主要是煤、石油(包括柴/汽油等二次能源)和天然氣等，其中煤主要作為電站鍋爐燃料，原油和天然氣用作工業鍋爐燃料，而汽/柴油則作為車輛或發動機的燃料使用。據此，對現有資料中化石燃料燃燒排放NOx的計算方法整理如下。

1.1 Kato N排放因子法

Kato N在其文獻[8]中給出了NOx的排放因子，如表1所示。它們是根據國外上世紀70年代中期未采取 NOx排放控制措施的燃燒設備和汽車的排放狀況而確定的。其計算公式分別為：

對于固/液態燃料：

表1 Kato N提供的各種類型燃料NOx排放因子Table 1 Emission Factors of NOx of Fossil Fuels provided by Kato kg/t

1.2 《IPCC國家溫室氣體排放清單指南》

IPCC，即政府間氣候變化專門委員會。IPCC在1996年修訂的《IPCC國家溫室氣體排放清單指南》(以下簡稱《IPCC指南》)對能夠影響氣候變化的氣體(包括NOx、二氧化硫以及非甲烷揮發性有機化合物等)均提供了比較系統的評估方法，能夠為各國政府和國際社會特別是《聯合國氣候變化框架公約》提供氣候變化的最新科學信息。其中，燃料燃燒過程中NOx的排放因子如表2所示。

表2 《IPCC指南》中各種類型燃料NOx排放因子Table 2 Emission Factors of NOx of Fossil Fuels provided by IPCC kg/TJ

《IPCC指南》中燃料燃燒排放NOx的計算公式：

同時，《IPCC指南》為一些燃料提供了默認的低位熱值，分別為無煙煤20.52 TJ/(103t)，柴油43.33 TJ/(103t)，汽油44.8 TJ/(103t)，原油42.62 TJ/(103t)。燃料油和天然氣熱值取某石化公司，分別為 41.91 TJ/(103t)和38.98 TJ/(103t)。

1.3 《“八五”環境統計手冊》

《“八五”環境統計手冊》(以下簡稱《統計手冊》)對不同燃料燃燒過程中，NOx的排放情況提供有不同的評估方法。其中煤和重質燃料油燃燒排放出的NOx，手冊中提供了計算公式，而原油、柴油、汽油和天然氣燃燒過程中NOx的排放量可用《統計手冊》中提供的排放因子進行估算。

煤和重質燃料油燃燒排放NOx的計算公式：

式中：GNOx－燃料燃燒生成的氮氧化物（以NO2計）量,kg；

B－煤或重質燃料油消耗量,kg；

β－燃料氮向燃料型NO的轉變率,%，與燃料的含氮量n有關；

n－燃料中氮的含量,%；

CNOx－1 kg燃料生成的熱力型NO的濃度, mg/m3；

Vy－單位重量的燃料燃燒生成的煙氣量，m3/kg。

本文在計算時，β、n、CNOx、Vy等系數均取默認值，如表3所示。《統計手冊》中提供的原油、柴油、汽油和天然氣等燃料的NOx排放因子如表4所示，NOx的排放量計算如下：

表3 《統計手冊》提供的NO x計算公式中的系數Table 3 Factors of NOx calculation formula Provided by Statistics Manual

表4 《統計手冊》中各種類型燃料燃燒NOx排放因子Table 4 Emission factors of NOx from fossil fuels burning provided by Statistics Manual kg/m3

2 分析與討論

某公司燃料消耗狀況如表5所示。為了便于比較，將3種方法的計算結果列于表6中。

表5 某公司化石燃料消耗狀況Table 5 Fossil fuel Consumption in Some Company

表6 燃料燃燒排放NOx不同方法評估結果比較Table 6 Comparison of Evaluation Results of NOx Using Different Evaluation Methods t

由表6可以看出，《統計手冊》對6種燃料燃燒 過程中，NOx排放量的計算結果是1 607.26 t，比Kato N排放因子的計算結果多出5.48%，結果接近。《IPCC指南》的計算結果為1 220.67 t，比其它兩種方法計算結果都低。《IPCC指南》著重從宏觀角度反映NOx的排放狀況，為世界各國政府所廣泛采用。《IPCC指南》為一些化石燃料提供了默認的熱值，而世界各國化石燃料在燃燒性質上差別很大，因而這些數據并不具有廣泛適用性。另外，熱力型NOx取決于實際的燃燒溫度，雖然現有的NOx排放因子或計算公式都是根據大量試驗或經驗總結出來的，但不可能以偏概全。這些可能是造成三者在計算結果上產生差別的主要原因。

3 結 論

燃料的燃燒方式、燃燒器結構、爐膛結構以及燃燒工況等都會影響到NOx的形成，現有資料很難準確地對其進行量化，因此，對煙道氣進行實測是目前計算化石燃料燃燒過程中 NOx排放量最準確的方法，而具體鍋爐排放NOx的狀況通常是由鍋爐的生產廠家提供的。本文所介紹的NOx計算方法目前都有應用，可用來粗略的估算燃料燃燒過程中NOx的排放狀況。Kato N所開發的排放因子是以單位質量燃料燃燒產生的NOx的量為基準的，使用比較方便；《IPCC指南》中NOx的排放因子是以熱值為基準的，該熱值可由燃料商提供；在使用公式法計算NOx排放狀況時，為使計算結果接近實際，通常需要測定燃料中的含氮量和煙氣中 NOx濃度等值。因此，相對而言，使用前兩種排放因子更方便。具體企業可視所能得到的資料而定。

[1] 李智森.燃燒中氮氧化物的形成與防治[J].環境保護，1994，11：6-7.

[2] 吳碧君.燃燒過程中氮氧化物的生成機理[J].電力環境保護，2003，19(4)：9-12.

[3] 鐘北京，徐旭常.燃燒過程中NOx形成的數學模擬[J].燃燒科學與技術，1995，1(2)：120-128.

[4] 田賀忠，郝吉明，陸永琪，等.中國生物質燃燒排放SO2、NOx量的估算[J].環境科學學報，2002，22(2)：204-208.

[5] 孫慶賀，陸永琪，傅立新，等.我國氮氧化物排放因子的修正和排放量計算：2000年[J].環境污染治理技術與設備，2004，5(2)：90-94.

[6] 田賀忠，郝吉明，陸永琪.中國商品能源消耗導致的氮氧化物排放量[J].環境科學,2001,22(6)：24-28.

[7] 國家環境保護總局.“八五”環境統計手冊[M].成都:四川科學技術出版社，1992.

[8] Kato N, Akimoto H.Anthropogenic emissions of SO2and NOxin Asia:emission inventories[J].Atmospheric Enviroment, 1992,26A(16): 2997-3017.

Evaluation of Nitrogen Oxides Emission From Fossil Fuel Burning

WANG Ming-xing，LIAO Chang-jian
(Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，Liaoning Fushun 113001，China）

Three estimation methods of nitrogen oxides emission from fossil fuel burning were introduced, including“Eighth five” Environmental Statistics Manual,IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventoriesand the evaluation method using emission factors obtained by Kato N. At the same time, three methods were compared through an example, and their application conditions were provided. Different enterprises should choose different evaluation methods according to specific conditions.

Nitrogen oxides; Evaluation; Fossil fuel; Combustion

TQ 126.2+4

A

1671-0460（2011）03-0304-03

2011-01-07

王明星（1978-），男，河北滄州人，工程師，碩士，2004年畢業于遼寧石油化工大學，研究方向：從事廢水和廢氣治理技術研究。E-mail：wangmingxing.fshy@sinopec.com，電話：0413-6389774。