化石燃料燃烧过程中氮氧化物排放量的评估

王明星，廖昌建

（中国石化抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001）

化石燃料燃烧过程中氮氧化物排放量的评估

王明星，廖昌建

（中国石化抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001）

介绍了计算化石燃料燃烧过程中NOx排放量的3种估算方法，分别是《“八五”环境统计手册》、《IPCC国家温室气体排放清单指南》(1996年修订版)和Kato N排放因子计算法。通过举例对3种估算方法进行了比较，并指出了各自的使用条件，各企业可根据具体情况分别选用。

氮氧化物； 评估； 化石燃料； 燃烧

氮氧化物(NOx)是酸雨及光化学烟雾的成因物质，高浓度的二氧化氮还会给人的呼吸器官带来不良影响，世界上有许多国家都对NOx的排放做出了严格的规定，我国也已经开始向企业收取NOx排污费，因而，选择适当的方法评估其NOx排放量已成为企业所必须面临的问题。NOx主要是随着燃料燃烧而产生的，其排放源有工厂的锅炉烟囱等固定源，也有汽车尾气等流动源。根据NOx的生成机理，燃料燃烧过程中产生的NOx由三部分组成[1-2]：燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx。燃料型NOx是指燃料中的氮元素在燃料燃烧过程中被氧化生成的NOx；热力型NOx是指空气中的氮在高温时被氧化而生成的NOx；在火焰面及其附近激发生成的NOx被称为快速型NOx。NOx的产生与燃烧方式、燃烧器结构、炉膛结构以及燃烧工况等密切相关，形成机理非常复杂。钟北京和徐旭常[3]曾对燃烧过程中NOx的形成进行了数学模拟，但该数学模型对某些燃烧计算还存在较大的误差，甚至存在定性上的不一致。田贺忠[4-6]等在评估燃料燃烧排放的NOx时更多的使用了排放因子，只不过各种排放因子的基准不同。另外，煤和重油燃烧过程中排放的NOx可采用《“八五”环境统计手册》[7]中的公式进行估算，该手册还为汽油等车用燃料提供了NOx排放系数。本文通过举例对各种评估方法进行了比较，并指出了各自的使用条件。

1 评估方法介绍

目前，人类所使用的化石燃料主要是煤、石油(包括柴/汽油等二次能源)和天然气等，其中煤主要作为电站锅炉燃料，原油和天然气用作工业锅炉燃料，而汽/柴油则作为车辆或发动机的燃料使用。据此，对现有资料中化石燃料燃烧排放NOx的计算方法整理如下。

1.1 Kato N排放因子法

Kato N在其文献[8]中给出了NOx的排放因子，如表1所示。它们是根据国外上世纪70年代中期未采取 NOx排放控制措施的燃烧设备和汽车的排放状况而确定的。其计算公式分别为：

对于固/液态燃料：

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

1.2 《IPCC国家温室气体排放清单指南》

IPCC，即政府间气候变化专门委员会。IPCC在1996年修订的《IPCC国家温室气体排放清单指南》(以下简称《IPCC指南》)对能够影响气候变化的气体(包括NOx、二氧化硫以及非甲烷挥发性有机化合物等)均提供了比较系统的评估方法，能够为各国政府和国际社会特别是《联合国气候变化框架公约》提供气候变化的最新科学信息。其中，燃料燃烧过程中NOx的排放因子如表2所示。

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

《IPCC指南》中燃料燃烧排放NOx的计算公式：

同时，《IPCC指南》为一些燃料提供了默认的低位热值，分别为无烟煤20.52 TJ/(103t)，柴油43.33 TJ/(103t)，汽油44.8 TJ/(103t)，原油42.62 TJ/(103t)。燃料油和天然气热值取某石化公司，分别为 41.91 TJ/(103t)和38.98 TJ/(103t)。

1.3 《“八五”环境统计手册》

《“八五”环境统计手册》(以下简称《统计手册》)对不同燃料燃烧过程中，NOx的排放情况提供有不同的评估方法。其中煤和重质燃料油燃烧排放出的NOx，手册中提供了计算公式，而原油、柴油、汽油和天然气燃烧过程中NOx的排放量可用《统计手册》中提供的排放因子进行估算。

煤和重质燃料油燃烧排放NOx的计算公式：

式中：GNOx－燃料燃烧生成的氮氧化物（以NO2计）量,kg；

B－煤或重质燃料油消耗量,kg；

β－燃料氮向燃料型NO的转变率,%，与燃料的含氮量n有关；

n－燃料中氮的含量,%；

CNOx－1 kg燃料生成的热力型NO的浓度, mg/m3；

Vy－单位重量的燃料燃烧生成的烟气量，m3/kg。

本文在计算时，β、n、CNOx、Vy等系数均取默认值，如表3所示。《统计手册》中提供的原油、柴油、汽油和天然气等燃料的NOx排放因子如表4所示，NOx的排放量计算如下：

表3 《统计手册》提供的NO x计算公式中的系数Table 3 Factors of NOx calculation formula Provided by Statistics Manual

表4 《统计手册》中各种类型燃料燃烧NOx排放因子Table 4 Emission factors of NOx from fossil fuels burning provided by Statistics Manual kg/m3

2 分析与讨论

某公司燃料消耗状况如表5所示。为了便于比较，将3种方法的计算结果列于表6中。

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

表6 燃料燃烧排放NOx不同方法评估结果比较Table 6 Comparison of Evaluation Results of NOx Using Different Evaluation Methods t

由表6可以看出，《统计手册》对6种燃料燃烧 过程中，NOx排放量的计算结果是1 607.26 t，比Kato N排放因子的计算结果多出5.48%，结果接近。《IPCC指南》的计算结果为1 220.67 t，比其它两种方法计算结果都低。《IPCC指南》着重从宏观角度反映NOx的排放状况，为世界各国政府所广泛采用。《IPCC指南》为一些化石燃料提供了默认的热值，而世界各国化石燃料在燃烧性质上差别很大，因而这些数据并不具有广泛适用性。另外，热力型NOx取决于实际的燃烧温度，虽然现有的NOx排放因子或计算公式都是根据大量试验或经验总结出来的，但不可能以偏概全。这些可能是造成三者在计算结果上产生差别的主要原因。

3 结 论

燃料的燃烧方式、燃烧器结构、炉膛结构以及燃烧工况等都会影响到NOx的形成，现有资料很难准确地对其进行量化，因此，对烟道气进行实测是目前计算化石燃料燃烧过程中 NOx排放量最准确的方法，而具体锅炉排放NOx的状况通常是由锅炉的生产厂家提供的。本文所介绍的NOx计算方法目前都有应用，可用来粗略的估算燃料燃烧过程中NOx的排放状况。Kato N所开发的排放因子是以单位质量燃料燃烧产生的NOx的量为基准的，使用比较方便；《IPCC指南》中NOx的排放因子是以热值为基准的，该热值可由燃料商提供；在使用公式法计算NOx排放状况时，为使计算结果接近实际，通常需要测定燃料中的含氮量和烟气中 NOx浓度等值。因此，相对而言，使用前两种排放因子更方便。具体企业可视所能得到的资料而定。

[1] 李智森.燃烧中氮氧化物的形成与防治[J].环境保护，1994，11：6-7.

[2] 吴碧君.燃烧过程中氮氧化物的生成机理[J].电力环境保护，2003，19(4)：9-12.

[3] 钟北京，徐旭常.燃烧过程中NOx形成的数学模拟[J].燃烧科学与技术，1995，1(2)：120-128.

[4] 田贺忠，郝吉明，陆永琪，等.中国生物质燃烧排放SO2、NOx量的估算[J].环境科学学报，2002，22(2)：204-208.

[5] 孙庆贺，陆永琪，傅立新，等.我国氮氧化物排放因子的修正和排放量计算：2000年[J].环境污染治理技术与设备，2004，5(2)：90-94.

[6] 田贺忠，郝吉明，陆永琪.中国商品能源消耗导致的氮氧化物排放量[J].环境科学,2001,22(6)：24-28.

[7] 国家环境保护总局.“八五”环境统计手册[M].成都:四川科学技术出版社，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，河北沧州人，工程师，硕士，2004年毕业于辽宁石油化工大学，研究方向：从事废水和废气治理技术研究。E-mail：wangmingxing.fshy@sinopec.com，电话：0413-6389774。