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.中國環境科學研究院 環境標準研究所，北京 100012;

2.新疆維吾爾自治區環境監測總站，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.中國環境科學研究院 環境標準研究所，北京 100012;

2.新疆維吾爾自治區環境監測總站，新疆 烏魯木齊 830011)

對我國中小型燃煤、燃油、燃氣鍋爐的NOx排放監測數據進行了統計分析，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、標準、計劃和措施等已經提上我國環境管理工作的日程。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，工業鍋爐 31.28 萬臺，生活鍋爐 23.32萬臺;我國在用工業鍋爐中，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、排放量核算及其環境影響具有重要的環境與現實意義。

本文對我國中小型燃煤、燃油、燃氣工業鍋爐(含生活鍋爐)的NOx排放監測數據進行統計分析，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 監測儀器和方法

1.1 監測儀器

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 監測方法

按GB/T16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》［10］采集NOx樣本;按GB/T 10180—2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》［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的標準狀態干煙氣濃度。

2 監測數據分析與討論

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，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。快速型NOx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 統計學分析 采用SPSS 22.0統計軟件對數據進行統計學處理，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排放質量濃度的區間分布特征見表1。NOx排放質量濃度的分布區間為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排放質量濃度的區間分布特征見表2。

表2 68臺燃油鍋爐NOx排放濃度的區間分布特征

由表2可見，燃油鍋爐NOx排放質量濃度的區間分布近似于正態分布，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排放質量濃度的區間分布近似于正態分布，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排放質量濃度的區間分布特征

2.5 工業鍋爐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的排放規定了相應的標準限值:如2007年8月北京市發布的DB11/139—2007《鍋爐大氣污染物排放標準》［18］規定工業鍋爐新源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］對于燃煤鍋爐規定，在A類區禁止排放NOx及煙塵、SO2等，在B類區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排放監測數據進行統計分析發現: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，逐步達到歐美發達國家的控制水平。

［1］ Jeffrey S G，Nancy A M.The impacts of combustion emissions on air quality and climate-from coal to biofuels and beyond［J］.Atmos Environ，2009，43(1):23 －36.

［2］ Fenger J.Air pollution in the last 50 years-from local to global［J］.Atmos Environ，2009，43(1):13 －22.

［3］ Marilena K，Elias C.Human health effects of air pollution［J］.Environ Pollut，2008，151(2):362 －367.

［4］ 吉東生，王躍思，孫揚，等.北京與倫敦空氣中氣態污染物的比對研究［J］.環境工程學報，2008，2(9):1199－1206.

［5］ 於俊杰，郝鄭平，朱玲，等.關于我國NOx排放總量控制的探討［J］.環境工程學報，2008，2(9):1281－1288.

［6］ 向軍，邱紀華，熊友輝，等.鍋爐氮氧化物排放特性試驗研究［J］.中國電機工程學報，2000，20(9):80－83.

［7］ 劉志超.燃煤鍋爐NOx排放濃度影響因素的試驗和分析［J］.電站系統工程，2005，21(5):30－34.

［8］ 周俊虎，劉廣義，劉海峰，等.神華煤燃燒再燃中NOx生成與還原試驗研究［J］.浙江大學學報(工學版)，2007，41(3):499－503.

［9］ 趙欽新，王善武.我國工業鍋爐未來發展分析［J］.工業鍋爐，2007，101(1):1－9.

［10］ 中國環境監測總站.GB/T16157—1996固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法［S］.北京:中國標準出版社，1996.

［11］ 中國標準化研究院.GB/T 10180—2003工業鍋爐熱工性能試驗規程［S］.北京:中國標準出版社，2003.

［12］ 國家環境保護部.GB13271—2001鍋爐大氣污染物排放標準［S］.北京:中國標準出版社，2001.

［13］ 丁崇功，寇廣孝.工業鍋爐設備［M］.北京:機械工業出版社，2005:239－262.

［14］ U.S.Environmental Protection Agency.Emissions Factors＆AP 42:Chapter 1 External Combustion Sources［EB/OL］.［2008－12 －05］.http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch01/index.html.

［15］ 蘇亞欣，毛玉如，徐璋.燃煤氮氧化物排放控制技術［M］.北京:化學工業出版社，2005:22－44.

［16］ 龔金科.熱動力設備排放污染及控制［M］.北京:中國電力出版社，2007:18－177.

［17］ 原國家環境保護局.GWPB—1999鍋爐大氣污染物排放標準［S］.北京:中國標準出版社，1999.

［18］ 北京市環境保護局.DB11/139—2007鍋爐大氣污染物排放標準［S］.北京:中國標準出版社，2007.

［19］ 上海市環境保護局.DB31/387—2007鍋爐大氣污染物排放標準［S］.北京:中國標準出版社，2007.

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)