工業(yè)燃?xì)馀欧艔U氣NOX超標(biāo)控制措施篩選

摘 要：探討了超低氮燃燒技術(shù)或者采用堿吸收技術(shù)處理燃?xì)馕矚獾奶幚硇ЧY選確定合理有效的工業(yè)燃?xì)馀欧艔U氣NOX削減控制措施。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鈴U氣；NOX；控制措施

中圖分類號：X701 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）06-00-04

0? 引言

?為改善大氣質(zhì)量、控制酸雨的產(chǎn)生，國家及地方政府大力推進(jìn)淘汰燃煤鍋爐工作。除燃煤電廠外，包括工業(yè)供熱用煤和城市生活能源全部改用清潔能源天然氣和電力，而絕大部分企業(yè)加熱烘干工序能源和城市生活能源都使用清潔能源天然氣。鍋爐使用清潔能源天然氣作能源，其燃燒廢氣中NOX等污染物產(chǎn)生濃度較小，一般無需經(jīng)過處理，依據(jù)《GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，可以直接排放。自從大氣污染由SO2為主要污染因子向O3（有機(jī)污染）為主要污染因子轉(zhuǎn)移后，由于大氣中NOX影響O3污染物指標(biāo)，為改善大氣質(zhì)量，江蘇省等地方政府出臺(tái)了地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)監(jiān)測，一般燃?xì)馕矚庵械腘OX濃度在

70～150 mg/m3，如果按照地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，不采取有效的NOX控制或削減措施，就會(huì)存在超標(biāo)現(xiàn)象。根據(jù)江蘇省《DB 32/4385—2022 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求的NOX排放限值50 mg/m3要求，需要繼續(xù)采取有效的措施。

?1 燃?xì)鈴U氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求的變化

?根據(jù)《GB 13271—2014 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定（見詳表1），涉及到燃?xì)獾膹U氣NOX排放有組織最大排放濃度限值為150 mg/m3，因此相關(guān)的涉及燃?xì)忭?xiàng)目環(huán)評影響報(bào)告書的內(nèi)容沒有要求建設(shè)該廢氣處理措施，直接排放就能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至排氣筒按8 m高設(shè)置，即按無組織排放管理控制，也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)控制要求。

?自2021年以來，燃煤引起的大氣污染現(xiàn)象已得到控制，隨之出現(xiàn)為O3超標(biāo)現(xiàn)象。與O3指標(biāo)相關(guān)的污染物有揮發(fā)性有機(jī)物和NOX等，如江蘇省

2021年非常典型的O3超標(biāo)現(xiàn)象。因而制定出臺(tái)了《DB 32/4385—2022鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，于2022年12月26日正式實(shí)施，燃?xì)鈴U氣排放標(biāo)準(zhǔn)NOX控制限值要求為50 mg/m3。因此，在燃?xì)忮仩t型號未變、低N燃燒技術(shù)未變、天然氣有效組成含量未變以及鍋爐在正常運(yùn)營狀態(tài)下，僅因燃?xì)鈴U氣NOX排放標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)變化，而出現(xiàn)燃?xì)鈴U氣NOX超標(biāo)排放現(xiàn)象。

表1 燃?xì)鈴U氣NOX排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求

《GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 在用鍋爐 400 mg/m3 《DB 32/4385—2022鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（表3燃?xì)忮仩t標(biāo)準(zhǔn)） 50 mg/m3

新建燃?xì)忮仩t 200 mg/m3

重點(diǎn)地區(qū) 150 mg/m3

?

2 燃?xì)鈴U氣產(chǎn)生NOX的機(jī)理

?為了有效控制NOX的產(chǎn)生與排放，必須掌握天然氣中氮含量以及燃燒產(chǎn)生機(jī)理。

2.1 天然氣中含氮組分的調(diào)查

天然氣有效組分含量見表2。

?表2 天然氣組分統(tǒng)計(jì)表及燃燒后NOX理論產(chǎn)生量

序號 組成物質(zhì)名稱 含量/% 備注

1 甲烷 92.02 此天然氣以某大城市的用氣為例，另外含添加的硫化氫（分級含量不同），密度0.75～0.8 kg/m3

2 乙烷 4.53

3 丙烷 1.34

4 丁烷類 0.675

5 戊烷 0.188

6 氦氣 0.038

7 二氧化碳 0.053

8 氮?dú)?1.00

9 氫氣 0.006

由理論計(jì)算可知，在不包括空氣中氮元素存在的情況下，僅天然氣燃料中N完全燃燒后廢氣中NOX（以NO2表征）濃度為1862 mg/m3，理論上超標(biāo)。計(jì)算如下：

以1 m3的天然氣燃燒為例計(jì)算，產(chǎn)生的廢氣量按《排污許可證申請與核發(fā)技術(shù)規(guī)范》涉及鍋爐規(guī)定的廢氣產(chǎn)生系數(shù)13.5 m3為依據(jù)。

0.8×1.00%×1000/28×88×1000/13.5=1862 mg/m3

注：0.8—天然氣的密度約為0.75～0.8 kg/m3；1.00%—天然氣中N含量；28—N2分子量；88—NO2分子量的2倍；1000—1 kg=1000 g；13.5—1 m3的天然氣燃燒后產(chǎn)生的廢氣量。

但實(shí)際上現(xiàn)有的燃?xì)忮仩t排放的廢氣中NOX排放濃度在在120～150 mg/m3，新建的燃?xì)忮仩t排放的廢氣中NOX排放濃度在30～80 mg/m3。

?2.2 燃燒過程中產(chǎn)生的NOX的機(jī)理分析

常溫下，空氣中的N2與O2不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，自然界中需要放電或人為情況下需要高溫條件才能發(fā)生反應(yīng)；天然氣中N2與O2反應(yīng)也是如此，雖然沒有自然界中放電過程產(chǎn)生，但因燃?xì)忮仩t爐膛中的溫度高，為產(chǎn)生NOX提高了高溫條件。

?NOX的產(chǎn)生過程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過程，其中涉及多種反應(yīng)和物質(zhì)的相互作用。一般來說，NOX主要由兩種反應(yīng)生成：熱氧化反應(yīng)和燃燒反應(yīng)。

高溫下，氮?dú)夂脱鯕鈺?huì)發(fā)生熱氧化反應(yīng)，生成氧化亞氮（NO）和二氧化氮（NO2），化學(xué)反應(yīng)式如下：

N2 +O2→2NO

N2+2O2→2N02

氮?dú)夂脱鯕馀c燃料中的碳?xì)浠衔锇l(fā)生燃燒反應(yīng)，生成NOX，反應(yīng)式如下：

CnHm +（n + m/4）O2 + （n/2）N2→nCO2 +（m/2）H2O +（n/2）N2 + NOX

?另外，燃燒時(shí)鼓入爐膛的空氣中有氧氣、氮?dú)獾龋诟哂?000℃溫度情況下，也會(huì)直接發(fā)生氧化反應(yīng)生成NOX。

2.3 燃燒過程中NOX產(chǎn)生的制約條件

據(jù)資料介紹，常溫或一定（1000℃）燃燒溫度下，爐膛內(nèi)不會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)生成NOX。有時(shí)使用熱量需求減少，其燃?xì)忮仩t因停止燃燒或者減少燃?xì)饬慷範(fàn)t膛溫度不會(huì)長久處于高溫情況下。同時(shí)，燃燒過程中產(chǎn)生NOX也需要一定量的氧量，采取關(guān)閉爐膛控制空氣過剩系數(shù)在

1.25以下、安裝使用低氮燃燒器等措施，在現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)證明，這些措施能讓燃?xì)鈴U氣中的NOX產(chǎn)生量降低。

3 目前的NOX控制措施

3.1 低氮燃燒技術(shù)

3.1.1 低氮燃燒器的組成配件

含外殼、風(fēng)扇電機(jī)、風(fēng)扇葉輪、噴槍和消防管道、閥門控制器、阻尼擋板、凸輪調(diào)度裝置、分散器、在線數(shù)字控制器等。

3.1.2 低氮燃燒控氮的原理

通過控制燃燒氣體中氧濃度達(dá)到最低，從而避免氣體中氧濃度過高，這樣就能避免氣體中過多的氧反應(yīng)而產(chǎn)生的NOX，從而減少NOX的排放。

目前低氮燃燒器分類不同，具體運(yùn)行控制方式不同，按其原理可分為6種，分別是：①階段燃燒器。階段燃燒器可使燃料與空氣分段混合燃燒，由于燃燒偏離理論當(dāng)量比，故可降低氮的生成。②自身再循環(huán)燃燒器。利用助燃空氣的壓頭，把部分燃燒煙氣吸回，進(jìn)入燃燒器，與空氣混合燃燒。由于煙氣再循環(huán)，燃燒煙氣的熱容量大，燃燒溫度降低，NOX減少。③濃淡型燃燒器。使用燃料燃燒方式分為過濃、淡燃燒，但整體上空氣量保持不變。由于兩部分燃燒都在偏離化學(xué)當(dāng)量比下燃燒，因而產(chǎn)生NOX都很低。④分割火焰型燃燒器。把一個(gè)火焰分成數(shù)個(gè)小火焰，由于其散熱面積大，火焰溫度較低，使熱反應(yīng)中NO有所下降。此外，火焰小縮短了氧、氮等氣體在火焰中的停留時(shí)間，對熱反應(yīng)NO和燃料NO都有明顯的抑制作用。⑤混合促進(jìn)型燃燒器。燃?xì)庠诟邷貐^(qū)停留時(shí)間是影響NOX生成量的主要因素之一，改善燃燒與空氣的混合，能夠使火焰面的厚度減薄，在燃燒負(fù)荷不變的情況下，煙氣在高溫區(qū)火焰面內(nèi)停留時(shí)間縮短，因而使NOX的生成量降低。⑥低氮預(yù)燃室燃燒器。預(yù)燃室一般由一次風(fēng)（或二次風(fēng)）和燃料噴射系統(tǒng)等組成，燃料和一次風(fēng)快速混合，在預(yù)燃室內(nèi)一次燃燒區(qū)形成富燃料混合物，由于缺氧，只是部分燃料進(jìn)行燃燒，燃料在貧氧和火焰溫度較低的一次火焰區(qū)內(nèi)析出揮發(fā)分，因此減少了NOX的生成。

3.1.3 使用低氮燃燒器控制NOX效果

安裝使用低氮燃燒器，分三種，傳統(tǒng)的天然氣鍋爐燃燒器通常NOX排放在120～150 mg/m3。

而低氮燃燒器通常NOX排放在30～80 mg/m3。

NOX排放在30 mg/m3以下的通常稱為超低氮燃燒器。超低氮燃燒器，需投資8萬元，從目前資料的介紹中，其效果可以達(dá)到NOX排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。只是一臺(tái)0.5 t燃?xì)忮仩t需投入6萬元，其配套的低氮燃燒器成本高于鍋爐本體投入。從目前看，其使用壽命也沒有確定信息。

3.2 控制燃燒溫度

以1000℃為限，在1000℃以上燃燒環(huán)境，可以大量產(chǎn)生NOX，對于需要供熱量大，產(chǎn)熱效率快，難以控制燃?xì)庵蠳OX的產(chǎn)生。對于供熱需求不大的小企業(yè)，可以控制燃燒溫度，從而控制氮的氧化反應(yīng)。

3.3 廢氣處理控制

3.3.1 NOX堿吸收處理的原理

NOX是酸性氧化物，當(dāng)酸性氧化物遇到堿性物質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生中和反應(yīng)，即二氧化氮與氫氧化鈉反應(yīng)，生成硝酸鈉、亞硝酸鈉和水，將NOX吸收反應(yīng)去除，從而有效控制NOX的排放。即利用酸堿中和原理，以堿性物質(zhì)作吸收劑，將NOX吸收到堿液中反應(yīng)生成鹽類物質(zhì)，達(dá)到去除NOX的目的。其方程式：2NO2+2NaOH=NaNO2+ NaNO3+H2O。

以中小企業(yè)現(xiàn)有燃?xì)忮仩t及其安裝使用低氮燃燒器為例，燃燒1 m3天然氣產(chǎn)生13.5 m3廢氣，NOX產(chǎn)生濃度70 mg/m3計(jì)（以省某監(jiān)測中心監(jiān)測結(jié)果計(jì)），則產(chǎn)生0.945 g NO2，需用0.859 g NaOH吸收處理。

3.3.2 利用堿吸收實(shí)際應(yīng)用效果

其處理效果可見某企業(yè)利用堿吸收處理燃?xì)鈴U氣的實(shí)際效果，見表3。

實(shí)際監(jiān)測結(jié)果顯示表明，其廢氣中NOX實(shí)測排放濃度很低，其折算濃度32～37 mg/m3，穩(wěn)定達(dá)到50 mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)要求。如加大堿水濃度，管理運(yùn)行好鍋爐設(shè)施和處理設(shè)施，則可以得到更好的處理效果。

4 兩種控制措施的成本核算比較

以0.5 t燃?xì)忮仩t年使用35000 m3的天然氣為例，燒堿價(jià)格3000元/t、燃?xì)忮仩t價(jià)格6萬元/臺(tái)，與配套的堿吸收設(shè)備價(jià)格2.8萬元/套、可能危險(xiǎn)處理費(fèi)（4000元/t左右）以及帶來的應(yīng)急預(yù)案編制費(fèi)3萬元等因素分析。

經(jīng)低氮燃燒器與原有的燃燒器使用效果比較，僅使用燃?xì)忮仩t配套的燃燒器，肯定不能保障燃燒廢氣中的NOX能夠穩(wěn)定達(dá)到50 mg/m3的排放限值要求，而只有使用超低氮燃燒器或配套使用NOX堿吸收廢氣處理設(shè)施才能達(dá)到廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 安裝使用超低氮燃燒器

一般企業(yè)，即不涉及危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生與管理的企業(yè)，安裝使用超低氮燃燒器，可以保障廢氣中NOX的排放濃度達(dá)到30 mg/m3，達(dá)到50 mg/m3排放限值要求。只是超低氮燃燒器需一次性投入8萬元，超出了燃?xì)忮仩t的價(jià)格，一次性投入較大，還有就是使用壽命未知的問題，使該設(shè)備折舊成本存在變數(shù)。如果與一般鍋爐的使用壽命一致6～10年，按最大年份計(jì)，則一年的NOX最低削減成本8000元。

如果涉及風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)企業(yè)，安裝使用超低氮燃燒器，費(fèi)用同上。

4.2 安裝使用NOX廢氣堿吸收處理裝置

堿吸收劑為氫氧化鈉，其價(jià)格按3000元/t計(jì)算，以燃燒天然氣處理氮氧貨物的成本，見表4。

堿吸收處理NOX效果能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需要說明的是中小企業(yè)在不涉及危險(xiǎn)化學(xué)品和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)時(shí)，新建NOX堿吸收裝置，產(chǎn)生廢棄的吸收液，應(yīng)是危險(xiǎn)廢物，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，需要編制突發(fā)性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，三年做一次，每一次編制評審費(fèi)用達(dá)到3萬元。這樣其NOX處置成本費(fèi)用就會(huì)超過安裝使用超低氮燃燒器成本費(fèi)用。

5 結(jié)論

（1）不涉及風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的現(xiàn)有中小企業(yè)，建議安裝使用超低氮燃燒器，在保障氮氮化物產(chǎn)生量控制在相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的限值要求基礎(chǔ)上，降低氧NOX的削減控制成本。同時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備的使用壽命和成本折舊費(fèi)用。

（2）中小企業(yè)已經(jīng)涉及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)和危險(xiǎn)化學(xué)品，己經(jīng)編制突發(fā)性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案或需要編制此預(yù)案，選擇使用配套的NOX廢氣堿吸收處理器，維護(hù)好堿吸收處理正常運(yùn)行情況下，成本低，控制NOX排放的效果穩(wěn)定可控。

（3）對于經(jīng)濟(jì)條件好的企業(yè)，可安裝使用超低氮燃燒器與采用燃?xì)馕矚鈮A吸收處理措施相結(jié)合，確保穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 13271—2014[S].

[2] 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：DB 32/4385—2022[S].

Screening of NOx Control Measures for Industrial Gas Emission

ZHANG Gui-feng

（Taixing Ecological Environmental Monitoring Station， Taixing Jiangsu 225400， China）

Abstract： The treatment effect of ultra-low nitrogen combustion technology or alkali absorption technology for gas exhaust was discussed. The reasonable and effective measures to reduce NOx from industrial gas emissions was screened and determined.

Key words： combustion gas exhaust gas; NOx; control measures

收稿日期：2024-01-05

作者簡介：張桂鳳（1982-），女，大學(xué)學(xué)歷，分析室副主任，環(huán)境監(jiān)測工程師，從亊環(huán)境監(jiān)測工作18年，發(fā)表論文4篇。