郭艷軍 陳昊宇 劉超

新奧泛能網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司

近年來(lái)霧霾引起全社會(huì)廣泛關(guān)注，氮氧化物是導(dǎo)致霧霾天氣發(fā)生的主要原因之一。能源相關(guān)的氮氧化物是化石燃料與空氣在高溫燃燒時(shí)產(chǎn)生的，NOX是氮氧化物的統(tǒng)稱。我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要將 NOX列入約束性指標(biāo)體系，要求“十三五”期間NOX排放量累計(jì)增速不超過(guò)15%。

1 我國(guó)氮氧化物排放現(xiàn)狀與管理控制

1.1 排放現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)氮氧化物排放總量從1990年的 878萬(wàn) t 上升到 2010 年的 2398 萬(wàn) t，年平均增長(zhǎng)率為5.2%。從行業(yè)來(lái)看，中國(guó)氮氧化物的主要排放源為能源、工業(yè)和交通行業(yè)，三者貢獻(xiàn)90%以上的排放總量。

2006 年，V ander A 等對(duì)中國(guó) NO2的季節(jié)分布差異進(jìn)行比較，指出夏秋季的污染物極值出現(xiàn)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(chǔ)上，2007年，He 等對(duì)1996-2005年中國(guó)東部地區(qū)的NO2分布進(jìn)行了研究，并提出河北、山東等省份是中國(guó)東部地區(qū)NO2分布密集地區(qū)[2]。2012年，Cheng等則對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)1996-2010年的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并指出上海及長(zhǎng)江沿線地區(qū)是NO2分布的密集區(qū)域[3]。

1）火電行業(yè)NOX排放水平

與世界發(fā)達(dá)國(guó)家比較，中國(guó)火電行業(yè)單位發(fā)電量的氮氧化物排放水平高出許多[4]?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示，2009年電力行業(yè)NOX排放量約為829.4萬(wàn)t，約占全國(guó)排放總量的49%，2010年約為950萬(wàn) t，約占總量的42%，2011年約為1081.9萬(wàn)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(diǎn)行業(yè)和重點(diǎn)區(qū)域，建立并推行以防治火電行業(yè)排放為核心的工業(yè)NOX防治體系[6]。

2）燃煤鍋爐NOX排放水平

近年來(lái)，我國(guó)大型燃煤設(shè)施的煙氣污染物排放逐步得到有效控制。然而，我國(guó)尚存在大量中小燃煤設(shè)施仍然缺乏有效的監(jiān)管和控制。截至2012年底，我國(guó)在用燃煤工業(yè)鍋爐達(dá) 46.7 萬(wàn)臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)178 萬(wàn)蒸噸，年消耗原煤約 7億 t，占全國(guó)煤炭消耗總量的18%以上[7]。2014年，陳 磊等實(shí)測(cè)了7臺(tái)在用的 2～10 蒸噸中小燃煤鍋爐 NOX排放因子，測(cè)試結(jié)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(dá) 0.77 g/kg[9]，可見(jiàn)燃煤鍋爐 NOX減排有較大潛力。

3）燃?xì)忮仩tNOX排放水平

天然氣與燃煤、燃油相比，其燃燒過(guò)程產(chǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)上[10]。近年來(lái)，北方地區(qū)大力推進(jìn)“煤改氣”工作，天然氣燃燒產(chǎn)生NOX逐漸受到重視。

2014年，薛亦峰等對(duì)典型燃?xì)夤I(yè)鍋爐實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，北京市燃?xì)夤I(yè)鍋爐相比燃煤工業(yè)鍋爐NOX減排了71.8%[11]。2015年，殷平通過(guò)工程實(shí)例說(shuō)明采用燃?xì)廨啓C(jī)作為原動(dòng)機(jī)的燃?xì)?CCHP 系統(tǒng)的 NOX排放濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，無(wú)需安裝脫硝裝置，燃?xì)釩CHP系統(tǒng)更有利于大氣污染的防治[12]。2016年，王慶豐等對(duì)北京市集中供熱燃?xì)忮仩t的 NOX排放情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)表明：設(shè)有煙氣脫硝裝置的燃?xì)忮仩t 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(fèi)結(jié)構(gòu)的比重在1990年和2010年分別是 2.1%和4.4%，其產(chǎn)生的氮氧化物僅占總排放量的0.4%和0.68%[14]?？梢?jiàn)，天然氣燃燒造成的NOX排放貢獻(xiàn)較低。

從以上分析可以看出，我國(guó)NOX的排放主要來(lái)源于火電、燃煤鍋爐等能源相關(guān)行業(yè)，同時(shí)多研究表明，天然氣燃燒產(chǎn)生的NOX遠(yuǎn)低于煤炭燃燒產(chǎn)生的NOX。

1.2 NOX排放的管理控制

德國(guó)的《空氣質(zhì)量控制技術(shù)指南》中規(guī)定了小于50 MW天然氣鍋爐 NOX的排放限值為200 mg/m3[15]。英國(guó)《過(guò)程指南 PG1/3（95）》規(guī)定[16]包括新源和現(xiàn)有源在內(nèi)的所有 20～50 MW的天然氣鍋爐 NOX的排放限值應(yīng)≤140 mg/m3。日本對(duì)不同的行業(yè)或各類污染源特點(diǎn)，制定非常詳細(xì)的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中燃煤鍋爐NOX排放的限值為200～350 mg/m3，燃?xì)忮仩t為60～150 mg/m3[17]。美國(guó)更加重視 NOX總量控制和排放交易手段的運(yùn)用，先后推行“區(qū)域清潔空氣激勵(lì)市場(chǎng)（RECLAM）[18]項(xiàng)目”、“臭氧傳輸委員會(huì)氮氧化物預(yù)算項(xiàng)目（OTCNBP）[19]”、“氮氧化物預(yù)算的交易項(xiàng)目（NBP）[20]”等，在減排效果和成本節(jié)約方面取得了顯著效果。

我國(guó)對(duì)燃燒過(guò)程中NOX排放的控制起步相對(duì)較晚，從《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GWPB3-1999）才開(kāi)始對(duì)鍋爐的NOX排放進(jìn)行控制，燃煤、燃?xì)獾儒仩t均為400 mg/m3；最新的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13271-2014），規(guī)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(guó)家的排放限值相比，我國(guó)關(guān)于燃?xì)忮仩tNOX的排放限制要求偏低。中國(guó)不僅需要對(duì)NOX排放實(shí)行總量控制，還應(yīng)該借鑒歐美經(jīng)驗(yàn)，早日推行NOX排放交易[21]。

2 氮氧化物排放控制技術(shù)

2.1 燃燒過(guò)程控制技術(shù)

基于NOX的形成機(jī)理，低NOX燃燒技術(shù)主要從降低最高燃燒溫度及縮小高溫區(qū)，減小燃燒反應(yīng)區(qū)的氧含量和縮短反應(yīng)產(chǎn)物的停留時(shí)間等幾個(gè)方面考慮，燃燒過(guò)程控制技術(shù)主要有燃料分級(jí)燃燒技術(shù)、低NOX燃燒器技術(shù)等。

1）燃料分級(jí)（再燃）燃燒技術(shù)

“再燃（Reburning）”這一概念最早是 Wendt等人在1973年提出[22]，再 燃過(guò)程脫硝效果與再燃燃料性質(zhì)密切相關(guān)。2008年Ballester等人以橡木屑作為再燃燃料在一臺(tái)半工業(yè)化沉降爐上對(duì)生物質(zhì)再燃過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指 出生物質(zhì)焦和灰顆粒對(duì)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(yuǎn)高于煤粉，秸稈再燃脫硝率高于稻殼，再 燃燃料的高揮發(fā)分含量及低氮含量是其主要原因[24]。

2）低NOX燃燒器技術(shù)（LNB）

2009年，田 耀鵬等介紹了國(guó)內(nèi)外燃燒過(guò)程中NOX控制和煙氣脫硝技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出脫硝和無(wú)氮燃燒技術(shù)是今后發(fā)展的方向[25]。2015年姬海民等設(shè)計(jì)一種新型低氮燃燒器，并驗(yàn)證新型低NOX燃?xì)馊紵骺梢越档腿紵a(chǎn)生的局部高溫和 NOX排放質(zhì)量濃度[26]。通過(guò)低氮燃燒器可顯著降低 NOX的生產(chǎn)，且對(duì)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(shù)

煙氣脫硝技術(shù)是控制NOX排放的主要途徑之一。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)下發(fā)《 國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于擴(kuò)大脫硝電價(jià)政策試點(diǎn)范圍有關(guān)問(wèn)題的通知》規(guī)定全國(guó)所有安裝脫硝設(shè)施并驗(yàn)收合格的燃煤發(fā)電機(jī)組均執(zhí)行脫硝電價(jià)0.8分/kW·h 的標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)火電企業(yè)積極開(kāi)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(duì)比如表2。

表2 SCR、SNCR及SNCR-SCR脫硝工藝特性對(duì)比

SCR 脫硝效率最高，達(dá)到70%～90%，目前技術(shù)比較成熟、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)，適用于對(duì)NOX脫除效率要求較高的場(chǎng)合。目前在歐洲、美國(guó)及日本等均主要采用SCR技術(shù)[27]。SCR脫硝技術(shù)具有脫硝效率高、工藝設(shè)備緊湊、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，但SCR 脫硝技術(shù)的投資大，運(yùn)行維護(hù)成本高， 用 SCR 脫硝技術(shù)進(jìn)行煙氣脫硝將增加企業(yè)的運(yùn)行成本[28-29]。2011年項(xiàng)昆的研究表明對(duì)NOX脫除效率要求較高時(shí)，采用SCR工藝最經(jīng)濟(jì)，新建機(jī)組采用 SCR 工藝脫硝比較合適[30]。2013年杜振等指出隨著機(jī)組容量增加 SCR 脫硝成本呈下降趨勢(shì)[31]。

雖然 SCR 法應(yīng)用較多，但其運(yùn)維成本較高。SNCR脫硝效率較低，一般需配合其它脫硝技術(shù)共同使用，其占地面積較小，無(wú)需增加催化劑反應(yīng)器，成本較低。SNCR-SCR混合脫硝工藝結(jié)合了SCR和SNCR兩種工藝的有利特點(diǎn)，其工藝比較靈活，因此在降低成本和節(jié)省占地空間方面，SNCR-SCR 有積極的意義，是脫硝技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

3 結(jié)論

1）隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源需求的不斷增長(zhǎng)，我國(guó)NOX排放形勢(shì)將十分嚴(yán)峻，因此必須進(jìn)一步加強(qiáng)NOX排放與污染狀況分析、法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的制定及控制技術(shù)評(píng)估方面的研究。

2）就我國(guó)實(shí)際情況而言，應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)天然氣等清潔能源的應(yīng)用，從源頭上降低NOX排放。此外，隨著環(huán)保要求提高，出臺(tái)更加規(guī)范嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。

3）低氮燃燒器是應(yīng)用比較成熟的氮氧化物控制方法，但僅靠這些措施無(wú)法滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，需采用煙氣凈化技術(shù)。我國(guó)應(yīng)借鑒煙氣脫硫技術(shù)發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，立足于引進(jìn)消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與自主開(kāi)發(fā)相結(jié)合的原則，逐步實(shí)現(xiàn)脫硝技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。