能源相關的氮氧化物排放現狀與控制研究

郭艷軍 陳昊宇 劉超

新奧泛能網絡科技股份有限公司

近年來霧霾引起全社會廣泛關注，氮氧化物是導致霧霾天氣發生的主要原因之一。能源相關的氮氧化物是化石燃料與空氣在高溫燃燒時產生的，NOX是氮氧化物的統稱。我國國民經濟和社會發展“十三五”規劃綱要將 NOX列入約束性指標體系，要求“十三五”期間NOX排放量累計增速不超過15%。

1 我國氮氧化物排放現狀與管理控制

1.1 排放現狀

據統計，我國氮氧化物排放總量從1990年的 878萬 t 上升到 2010 年的 2398 萬 t，年平均增長率為5.2%。從行業來看，中國氮氧化物的主要排放源為能源、工業和交通行業，三者貢獻90%以上的排放總量。

2006 年，V ander A 等對中國 NO2的季節分布差異進行比較，指出夏秋季的污染物極值出現在東部和南部，春冬季在西部和北部[1]。在大范圍研究的基礎上，2007年，He 等對1996-2005年中國東部地區的NO2分布進行了研究，并提出河北、山東等省份是中國東部地區NO2分布密集地區[2]。2012年，Cheng等則對長三角地區1996-2010年的數據進行處理，并指出上海及長江沿線地區是NO2分布的密集區域[3]。

1）火電行業NOX排放水平

與世界發達國家比較，中國火電行業單位發電量的氮氧化物排放水平高出許多[4]。現有數據顯示，2009年電力行業NOX排放量約為829.4萬t，約占全國排放總量的49%，2010年約為950萬 t，約占總量的42%，2011年約為1081.9萬t，約占總量的 45%[5]。2014年，單云霞指出，NOX的排放控制要突出重點行業和重點區域，建立并推行以防治火電行業排放為核心的工業NOX防治體系[6]。

2）燃煤鍋爐NOX排放水平

近年來，我國大型燃煤設施的煙氣污染物排放逐步得到有效控制。然而，我國尚存在大量中小燃煤設施仍然缺乏有效的監管和控制。截至2012年底，我國在用燃煤工業鍋爐達 46.7 萬臺，總容量達178 萬蒸噸，年消耗原煤約 7億 t，占全國煤炭消耗總量的18%以上[7]。2014年，陳 磊等實測了7臺在用的 2～10 蒸噸中小燃煤鍋爐 NOX排放因子，測試結果為NOX排放因子在1.81～2.73 g/kg之間[8]，而目前火電廠NOX排放因子最低可達 0.77 g/kg[9]，可見燃煤鍋爐 NOX減排有較大潛力。

3）燃氣鍋爐NOX排放水平

天然氣與燃煤、燃油相比，其燃燒過程產生的顆粒物、二氧化硫等污染物顯著降低，唯有NOX的排放是在同一個數量級上[10]。近年來，北方地區大力推進“煤改氣”工作，天然氣燃燒產生NOX逐漸受到重視。

2014年，薛亦峰等對典型燃氣工業鍋爐實際監測結果顯示，北京市燃氣工業鍋爐相比燃煤工業鍋爐NOX減排了71.8%[11]。2015年，殷平通過工程實例說明采用燃氣輪機作為原動機的燃氣 CCHP 系統的 NOX排放濃度遠低于國家標準限值，無需安裝脫硝裝置，燃氣CCHP系統更有利于大氣污染的防治[12]。2016年，王慶豐等對北京市集中供熱燃氣鍋爐的 NOX排放情況進行了實測，測試數據表明：設有煙氣脫硝裝置的燃氣鍋爐 NOX平均排放濃度為125 mg/m3，低于200 mg/m3的排放限值[13]。

天然氣占能源消費結構的比重在1990年和2010年分別是 2.1%和4.4%，其產生的氮氧化物僅占總排放量的0.4%和0.68%[14]。可見，天然氣燃燒造成的NOX排放貢獻較低。

從以上分析可以看出，我國NOX的排放主要來源于火電、燃煤鍋爐等能源相關行業，同時多研究表明，天然氣燃燒產生的NOX遠低于煤炭燃燒產生的NOX。

1.2 NOX排放的管理控制

德國的《空氣質量控制技術指南》中規定了小于50 MW天然氣鍋爐 NOX的排放限值為200 mg/m3[15]。英國《過程指南 PG1/3（95）》規定[16]包括新源和現有源在內的所有 20～50 MW的天然氣鍋爐 NOX的排放限值應≤140 mg/m3。日本對不同的行業或各類污染源特點，制定非常詳細的排放標準，其中燃煤鍋爐NOX排放的限值為200～350 mg/m3，燃氣鍋爐為60～150 mg/m3[17]。美國更加重視 NOX總量控制和排放交易手段的運用，先后推行“區域清潔空氣激勵市場（RECLAM）[18]項目”、“臭氧傳輸委員會氮氧化物預算項目（OTCNBP）[19]”、“氮氧化物預算的交易項目（NBP）[20]”等，在減排效果和成本節約方面取得了顯著效果。

我國對燃燒過程中NOX排放的控制起步相對較晚，從《鍋爐大氣污染物排放標準》（GWPB3-1999）才開始對鍋爐的NOX排放進行控制，燃煤、燃氣等鍋爐均為400 mg/m3；最新的《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271-2014），規定了鍋爐大氣污染物濃度排放限值，如表1所示。

表1 鍋爐大氣污染物排放濃度限值

與歐美國家的排放限值相比，我國關于燃氣鍋爐NOX的排放限制要求偏低。中國不僅需要對NOX排放實行總量控制，還應該借鑒歐美經驗，早日推行NOX排放交易[21]。

2 氮氧化物排放控制技術

2.1 燃燒過程控制技術

基于NOX的形成機理，低NOX燃燒技術主要從降低最高燃燒溫度及縮小高溫區，減小燃燒反應區的氧含量和縮短反應產物的停留時間等幾個方面考慮，燃燒過程控制技術主要有燃料分級燃燒技術、低NOX燃燒器技術等。

1）燃料分級（再燃）燃燒技術

“再燃（Reburning）”這一概念最早是 Wendt等人在1973年提出[22]，再 燃過程脫硝效果與再燃燃料性質密切相關。2008年Ballester等人以橡木屑作為再燃燃料在一臺半工業化沉降爐上對生物質再燃過程進行了實驗研究，指 出生物質焦和灰顆粒對NOX的還原也起到了一定作用[23]。2009年Luan等人的研究表明：秸稈、稻殼再燃還原NO的能力遠高于煤粉，秸稈再燃脫硝率高于稻殼，再 燃燃料的高揮發分含量及低氮含量是其主要原因[24]。

2）低NOX燃燒器技術（LNB）

2009年，田 耀鵬等介紹了國內外燃燒過程中NOX控制和煙氣脫硝技術的研究和應用現狀，并指出脫硝和無氮燃燒技術是今后發展的方向[25]。2015年姬海民等設計一種新型低氮燃燒器，并驗證新型低NOX燃氣燃燒器可以降低燃燒產生的局部高溫和 NOX排放質量濃度[26]。通過低氮燃燒器可顯著降低 NOX的生產，且對鍋爐的熱效率影響不大，具有明顯的減排效益。

2.2 煙氣脫硝技術

煙氣脫硝技術是控制NOX排放的主要途徑之一。國家發展和改革委員會下發《 國家發展改革委關于擴大脫硝電價政策試點范圍有關問題的通知》規定全國所有安裝脫硝設施并驗收合格的燃煤發電機組均執行脫硝電價0.8分/kW·h 的標準，鼓勵火電企業積極開展NOX治理工作。目前煙氣脫硝工藝主要有選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）和SNCR-SCR混合法，對比如表2。

表2 SCR、SNCR及SNCR-SCR脫硝工藝特性對比

SCR 脫硝效率最高，達到70%～90%，目前技術比較成熟、運行可靠、便于維護，適用于對NOX脫除效率要求較高的場合。目前在歐洲、美國及日本等均主要采用SCR技術[27]。SCR脫硝技術具有脫硝效率高、工藝設備緊湊、運行可靠等優點，但SCR 脫硝技術的投資大，運行維護成本高， 用 SCR 脫硝技術進行煙氣脫硝將增加企業的運行成本[28-29]。2011年項昆的研究表明對NOX脫除效率要求較高時，采用SCR工藝最經濟，新建機組采用 SCR 工藝脫硝比較合適[30]。2013年杜振等指出隨著機組容量增加 SCR 脫硝成本呈下降趨勢[31]。

雖然 SCR 法應用較多，但其運維成本較高。SNCR脫硝效率較低，一般需配合其它脫硝技術共同使用，其占地面積較小，無需增加催化劑反應器，成本較低。SNCR-SCR混合脫硝工藝結合了SCR和SNCR兩種工藝的有利特點，其工藝比較靈活，因此在降低成本和節省占地空間方面，SNCR-SCR 有積極的意義，是脫硝技術發展的一個重要方向。

3 結論

1）隨著我國經濟的發展和能源需求的不斷增長，我國NOX排放形勢將十分嚴峻，因此必須進一步加強NOX排放與污染狀況分析、法規與標準的制定及控制技術評估方面的研究。

2）就我國實際情況而言，應繼續推進天然氣等清潔能源的應用，從源頭上降低NOX排放。此外，隨著環保要求提高，出臺更加規范嚴格的排放標準勢在必行。

3）低氮燃燒器是應用比較成熟的氮氧化物控制方法，但僅靠這些措施無法滿足國家標準的要求，需采用煙氣凈化技術。我國應借鑒煙氣脫硫技術發展的成功經驗，立足于引進消化國外先進技術與自主開發相結合的原則，逐步實現脫硝技術的國產化、產業化。