我国中小型锅炉的NOx排放特征与管理对策

姚芝茂，武雪芳，康 宏，李 俊

(1.中国环境科学研究院 环境标准研究所，北京 100012;

2.新疆维吾尔自治区环境监测总站，新疆 乌鲁木齐 830011)

我国中小型锅炉的NOx排放特征与管理对策

姚芝茂1，武雪芳1，康 宏2，李 俊1

(1.中国环境科学研究院 环境标准研究所，北京 100012;

2.新疆维吾尔自治区环境监测总站，新疆 乌鲁木齐 830011)

对我国中小型燃煤、燃油、燃气锅炉的NOx排放监测数据进行了统计分析，探讨了NOx的排放特征与管理控制现状。研究结果表明:燃煤锅炉中NOx排放质量浓度小于等于400.00 mg/m3的锅炉占76%，NOx平均排放质量浓度为324.60 mg/m3;燃油锅炉中NOx排放质量浓度小于等于400.00 mg/m3的锅炉占84%，NOx平均排放质量浓度为318.20 mg/m3;燃气锅炉中NOx排放质量浓度小于等于400.00 mg/m3的锅炉占94%，NOx平均排放质量浓度为243.00 mg/m3。建议采取分阶段逐步控制的方式减少我国中小型锅炉NOx的排放，逐步达到欧美发达国家的控制水平。

中小型锅炉;氮氧化物;排放特征;管理控制

燃料燃烧产生的物质是大气污染物的重要来源之一，对人体健康、空气质量和气候变化产生非常重要的影响［1－5］。NOx是锅炉中燃料燃烧排放的主要污染物之一，也是目前以及未来一段时间我国大气环境管理和污染源排放控制的重点污染物，制订和完善我国控制NOx排放的相关法律、法规、标准、计划和措施等已经提上我国环境管理工作的日程。近年来，我国对燃煤电厂锅炉NOx生成与排放特征、排放现状与管理控制的研究较多［6－8］，而对于我国量多面广的工业锅炉NOx生成与排放特征、排放现状与管理控制的研究报道极少。截至2005年底，我国在用锅炉总数为55.38万台，其中电厂锅炉0.78万台，工业锅炉 31.28 万台，生活锅炉 23.32万台;我国在用工业锅炉中，锅炉热功率小于等于24.50 MW的中小型锅炉约占工业锅炉总量的98.9%［9］。因此，研究中小型锅炉NOx的产生与排放特征，分析其排放规律，对于研究我国中小型锅炉NOx排放的管理控制、排放量核算及其环境影响具有重要的环境与现实意义。

本文对我国中小型燃煤、燃油、燃气工业锅炉(含生活锅炉)的NOx排放监测数据进行统计分析，探讨了NOx的排放特征与管理控制现状，提出了相应的管理控制对策。

1 监测仪器和方法

1.1 监测仪器

Testo350型烟气分析仪:德国德图集团公司;KM900型烟气分析仪:英国凯恩公司。

1.2 监测方法

按GB/T16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》［10］采集NOx样本;按GB/T 10180—2003《工业锅炉热工性能试验规程》［11］测试锅炉运行的热工性能;按 GB13271—2001《锅炉大气污染物排放标准》［12］监测 NOx浓度，以NO2计;燃煤锅炉NOx排放浓度折算至过量空气系数(α)为1.80的标准状态干烟气浓度，燃油和燃气锅炉NOx排放浓度折算至α为1.20的标准状态干烟气浓度。

2 监测数据分析与讨论

本工作实测了86台燃煤锅炉的NOx排放数据，实际热功率为0.03～65.29 MW，单台平均热功率9.44 MW，锅炉运行负荷为80% ～100%，α为1.35 ～4.10，平均为 2.03。还实测了 68 台燃油锅炉的NOx排放数据，燃料为轻油，实际热功率为0.02 ～10.50 MW，单台平均热功率为1.55 MW，锅炉运行负荷接近 100%，α为 1.04～1.42，平均为1.14。还实测了64台小型燃气锅炉的NOx排放数据，实际热功率为0.21～30.27 MW，锅炉运行负荷接近100%，α 为1.03 ～1.43，平均为 1.18。

实测锅炉的地域分布至北京、上海、天津、新疆等23个省、市、自治区，覆盖面广，代表性强。所测锅炉均未采用NOx排放控制措施。

2.1 NOx的生成机理和影响因素

燃料燃烧生成的NOx中NO约占95%(体积分数)以上，其余为NO2，N2O含量极少。按NOx形成机理的不同，可分为 3种［13］:(1)热力型 NOx，即燃烧使空气中的氮在高温下被氧化生成的NOx;(2)快速型NOx，即混合气中碳氢化合物燃料过浓时燃烧产生的NOx;(3)燃料型NOx，即燃料本身的含氮化合物在燃烧过程中氧化而形成的NOx。

影响热力型NOx的生成速率和生成量的主要因素包括燃烧温度、氧气浓度和停留时间。研究表明:当燃烧温度低于1 500℃时，几乎监测不到NO的生成;当燃烧温度高于1 500℃时，NO的生成速率按指数倍迅速增加;氧气浓度越高，燃烧温度越高，NO的生成量越大;燃烧时间愈长，NO生成量越大。快速型NOx是碳氢化合物燃料在α为0.70～0.80并预混合燃烧时所生成的，此时几乎全部生成快速型 NOx，生成地点在火焰内部［14］。通常情况下，只有在不含氮的碳氢燃料低温燃烧时，才重点考虑快速型NOx。燃料型NOx是燃料中含有的氮在燃烧过程中形成的，燃料中的氮有20% ～60%(质量分数)转化为 NOx［15］，燃料型 NOx占煤燃烧过程生成NOx总量的80%以上［16］。煤和油燃烧过程中生成的NOx主要由燃料型NOx和热力型NOx组成;燃气燃烧过程中生成的NOx主要由热力型NOx和快速型NOx组成。

总之，影响NOx生成速率和生成量的主要因素包括燃烧方式、燃料种类、燃烧条件、锅炉负荷等。

2.2 燃煤锅炉的NOx排放特征

1.3 统计学分析 采用SPSS 22.0统计软件对数据进行统计学处理，计量资料以表示，多组比较采用单因素方差分析，两两比较采用SNK-q检验，P<0.05为差异有统计学意义。

86台燃煤锅炉的NOx排放质量浓度的累积分布(PA，%)见图1。由图1可见:燃煤锅炉NOx排放质量浓度小于等于500 mg/m3的锅炉数占燃煤锅炉总数的97%;NOx排放质量浓度小于等于400 mg/m3的锅炉数占燃煤锅炉总数的76%。

图1 86台燃煤锅炉的NOx排放质量浓度累积分布

86台燃煤锅炉的NOx排放质量浓度的区间分布特征见表1。NOx排放质量浓度的分布区间为164.40 ～711.47 mg/m3，算术平均值 323.0 mg/m3。鉴于本研究的对象是实际运行的锅炉，不同于一般的实验室研究，故采取以全部数据的算术平均值为基准、控制正负偏差为30%的方法对数据进行筛选，即选取 NOx排放质量浓度在226.1～419.9 mg/m3之间的数据计算NOx排放质量浓度的均值。共筛选出62台锅炉，占全部数据的72%，其算术平均值为324.6 mg/m3，即燃煤锅炉NOx平均排放质量浓度为324.6 mg/m3。

表1 86台燃煤锅炉NOx排放质量浓度的区间分布特征

2.3 燃油锅炉的NOx排放特征

68台燃油锅炉的NOx排放质量浓度的累积分布(PB，%)见图 2。

图2 68台燃油锅炉的NOx排放质量浓度累积分布

由图2可见:燃油锅炉NOx排放质量浓度的累积分布曲线类似于S型曲线;其中NOx排放质量浓度小于等于250 mg/m3的锅炉仅占20%;NOx排放质量浓度小于等于300 mg/m3的锅炉占到44%;NOx排放质量浓度小于等于400 mg/m3的锅炉占84%。目前我国现行GB13271—2001《锅炉大气污染物排放标准》规定锅炉热功率小于等于45.5 MW的各种燃油锅炉NOx最高允许排放浓度为400 mg/m3。由本工作获得的锅炉实测数据统计结果可知，目前运行的燃油锅炉仅有84%可以达到国家标准的管理控制要求。

68台燃油锅炉的NOx排放质量浓度的区间分布特征见表2。

表2 68台燃油锅炉NOx排放浓度的区间分布特征

由表2可见，燃油锅炉NOx排放质量浓度的区间分布近似于正态分布，主要集中在250～350 mg/m3，其算术平均值为318.2 mg/m3。由图2可见，68台燃油锅炉的NOx排放质量浓度的算术平均值对应的累积分布为51%。

64台燃气锅炉的NOx排放质量浓度的累积分布(PC，%)见图3。由图3可见:燃气锅炉NOx排放质量浓度的累积分布曲线类似于S型曲线;其中NOx排放质量浓度小于等于200 mg/m3的锅炉仅占35%;NOx排放质量浓度小于等于300 mg/m3的锅炉占80%;NOx排放质量浓度小于等于400 mg/m3的锅炉占94%。可见，目前运行的燃气锅炉有94%可以达到国家氮氧化物排放标准的管理控制要求。

图3 64台燃气锅炉的NOx排放质量浓度累积分布

64台燃气锅炉的NOx排放质量浓度的区间分布特征见表3。由表3可见，燃气锅炉NOx排放质量浓度的区间分布近似于正态分布，主要集中在150 ～300 mg/m3，其算术平均值为243.0 mg/m3。

表3 64台燃气锅炉NOx排放质量浓度的区间分布特征

2.5 工业锅炉NOx排放的管理控制对策

污染物排放最重要、最基本的管理控制手段就是由国家或地方政府颁布实施污染物排放(控制)标准。

德国、英国中小型燃煤锅炉NOx排放标准限值见表4。德国、英国、日本及我国中小型燃油锅炉NOx排放标准限值见表5。

表4 中小型燃煤锅炉NOx排放标准限值

表5 中小型燃油锅炉NOx排放标准限值

德国、英国、日本、新加坡、澳大利亚新南威尔士省等国家或地区的中小型燃气锅炉NOx排放标准限值见表6。

我国对锅炉NOx排放的控制起步相对较晚，自GWPB—1999《锅炉大气污染物排放标准》［17］才开始对燃油、燃气锅炉的NOx排放进行控制，现行GB13271—2001保持了GWPB—1999对燃油燃气锅炉NOx排放的控制水平，为400 mg/m3，但对于燃煤锅炉未规定NOx排放标准限值。由表5和表6可见:我国对于燃油锅炉NOx的排放标准限值处于中等水平;而对燃气锅炉NOx的排放标准限值偏低。从实测数据的统计分析可见，有84%的燃油锅炉NOx排放质量浓度小于等于400 mg/m3，有94%的燃气锅炉NOx排放质量浓度小于等于400 mg/m3，表明现行标准基本上反映了我国燃油和燃气锅炉NOx的实际排放状况和锅炉实际运行与控制技术水平，同时还具有进一步加强燃油和燃气锅炉NOx排放管理控制的空间。

表6 中小型燃气锅炉NOx排放标准限值

在未采用任何控制措施的情况下，有80%的燃气锅炉NOx排放质量浓度小于等于300 mg/m3，有35%的燃气锅炉NOx排放质量浓度小于等于200 mg/m3;只有44%的燃油锅炉NOx排放质量浓度小于等于300 mg/m3，表明目前我国燃油和燃气锅炉NOx的排放控制还有很大潜力，同时也具有相当大的难度。虽然我国尚未规定燃煤锅炉的NOx排放标准限值，但在一些已经颁布实施的地方污染物排放控制标准中，对燃煤锅炉NOx的排放规定了相应的标准限值:如2007年8月北京市发布的DB11/139—2007《锅炉大气污染物排放标准》［18］规定工业锅炉新源NOx排放标准限值为150 mg/m3，现有源自2008年7月1日执行200 mg/m3的NOx排放标准限值;2007年9月1日开始实施的上海市地方标准DB31/387—2007《锅炉大气污染物排放标准》［19］对于燃煤锅炉规定，在A类区禁止排放NOx及烟尘、SO2等，在B类区NOx的最高允许排放质量浓度为400 mg/m3。

建议采取分阶段逐步控制的方式来减少我国中小型锅炉NOx的排放:第一阶段以单一式改进燃烧控制技术为基础，如采用低氮燃烧技术，将NOx排放标准限值提高至小于等于300 mg/m3;第二阶段以组合式改进燃烧控制技术为基础，将NOx排放标准限值提高至小于等于200 mg/m3;第三阶段以改进燃烧控制技术和烟气净化控制技术为基础，将NOx排放标准限值提高至小于等于100 mg/m3，逐步达到欧美发达国家的控制水平。

3 结论

我国现行的GB13271—2001《锅炉大气污染物排放标准》规定的NOx最高允许排放质量浓度为400 mg/m3。对我国中小型燃煤、燃油、燃气锅炉的NOx排放监测数据进行统计分析发现:NOx排放质量浓度小于等于400 mg/m3的锅炉数占燃煤锅炉总数的76%，燃煤锅炉NOx平均排放质量浓度为324.6 mg/m3;燃油锅炉NOx排放质量浓度小于等于400 mg/m3的锅炉占84%，燃油锅炉NOx平均排放质量浓度为318.2 mg/m3;燃气锅炉NOx排放质量浓度小于等于400 mg/m3的锅炉占94%，燃气锅炉NOx平均排放质量浓度为243.0 mg/m3。建议采取分阶段逐步控制的方式来减少我国中小型锅炉NOx的排放，逐步达到欧美发达国家的控制水平。

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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，研究员，主要从事环境标准及污染物排放控制研究。电话010 －84933852，电邮 yaozm@craes.org.cn。

(编辑 祖国红)