1、燃煤业氮氧化物污染防控技术姚立英 张东国 王伟 白文娟 王红宇天津市环境保护科学研究院 河北工业大学 天津市联合环保工程设计有限公司氮氧化物(NOX)包括 NO、NO2、N2O5、N2O3、NO3、N2O4 等，以 NO、NO2 为主1，NOx 是主要的一次污染物，也是生成臭氧的重要前体物和形成区域细粒子污染、灰霾的重要原因2。环境中的氮氧化物人为排放主要来自机动车、固定源燃烧和硝酸生产、钢铁、建材等各种生产过程。氮氧化物污染防治的紧迫体现在我国“十一五”期间削减 10二氧化硫的努力将因氮氧化物排放的显著上升而全部抵消3，主要表现在京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区灰霾天数增加，能见度下降，
2、我国酸雨类型由硫酸型向硝酸硫酸符合型转变。因此，“十二五”期间我国将氮氧化物纳入总量控制，也是联防联控规划控制的重点污染物之一。工业锅炉是重要的热能动力设备，在各行各业都有广泛分布，目前全国在用的工业锅炉约58 万台，燃煤 6.4 亿 t，NOx 排放量超过 250 万 t，是重要的氮氧化物排放源，工业锅炉氮氧化物治理改善大气环境质量、保障人体健康、提高人民群众生活质量的必然选择。1 我国氮氧化物排放和防治政策1.1 氮氧化物排放情况 2007 年全国氮氧化物排放量 1797.7 万 t，2008 年超过 2000 万 t，若无控制措施，NOx 排放总量在 2020 年将达到 3000 万 t
3、4，到 2030 年是 3500 万 t5，增长趋势明显。2007 年，电力行业氮氧化物排放总量为 733.38 万 t，移动源排放氮氧化物 549.65 万 t，电力行业和移动源占 2007年氮氧化物排放总量的 71.4%6；锅炉排放量 250 万 t，约占我国氮氧化物排放总量的 14%。1.2 氮氧化物防治政策“十二五”期间，我国氮氧化物总量控制突出重点行业和重点区域，实行以削减火电行业排放为核心的工业氮氧化物防治体系和以控制机动车排放为核心的城市氮氧化物防治体系7。电力行业要持续优化能源结构，严格控制新增量，把新源和老源分开管理，控制新建电厂的氮氧化物排放的增量，对老污染源实行总量控制，
4、并强调重点地区控制，全面开展电力行业氮氧化物减排。采取综合措施加强机动车氮氧化物排放控制，移动排放源主要是二氧化氮、臭氧、PM2.5 的协同治理，提高新车的进入门槛，完善老旧车的淘汰制度，在全国实行国四标准，改善配套油品质量。非电行业以工业锅炉为主，进一步从严排放标准，促进低氮燃烧技术的推广。2 燃煤工业锅炉氮氧化物排放2.1 我国燃煤工业锅炉的特点工业锅炉一般是指单台锅炉压力小于 2.45Mpa 出力在 45.5MW（65t/h）及以下的用于工业生产、居民采暖和热水供应的锅炉。工业锅炉在我国分布的行业广泛，集中在供热、冶金、造纸、建材等行业，布局相当分散，主要分布在大中城市及城镇建成区、工业
5、区及周边地区。目前全国在用的工业锅炉约 58 万台，总功率约 200 万蒸 t。其中，燃煤锅炉 48 万台，占总数的 83%，年耗煤 6亿 t 左右8；容量小于 35 蒸 t/h 的锅炉约占工业锅炉总量的 98.9%，其中大于等于 20 蒸 t/h 的占不到20%，2-10 蒸 t/h 的占 75%，小于 1 蒸 t/h 的占 5%9，平均容量约 3.4 蒸吨/h。燃煤工业锅炉与电站锅炉相比，炉型构造和燃烧方式有很大不同，燃煤电站煤粒径较细，燃烧主要在炉膛空间进行，燃烧状况好。燃煤工业锅炉多为低参数、小容量锅炉、火床燃烧锅炉10,11，以链条炉为主，炉膛相对较小，燃烧方式为层燃，煤粒径大，燃烧
6、集中在炉膛下部，燃烧条件相对较差12,热效率较低，能耗大，设计效率为72-80%，实际运行效率 60-65%，远低于设计水平和国际平均水平13。2.2 我国燃煤工业锅炉的发展趋势我国工业锅炉生产多年来维持在 8-10 万蒸 t 的水平，每年拆改和替代的锅炉达到 3-4 万蒸吨，每年新增总容量 7.5-8.5 蒸 t，到 2015 年我国工业锅炉总台数将达到 52 万台，总容量为 340 万蒸 t，单台锅炉容量为 6.5 蒸 t，能源消耗量约 7.7 亿 t 标准煤。从 2015 年到 2020 年，我国经济发展方式将发生根本转变，能源利用效率提高，工业锅炉单台容量提高到 7.6 蒸 t，总装机
7、容量达到 370 万蒸 t，由于集中供热的发展和城市大气污染物治理措施的实施，小锅炉比重降低，工业锅炉总台数降至 49 万台，能源消耗约 8.8 亿 t 标准煤。国内对中小锅炉的技术研发主要集中在文革后期和“六五”、“七五”期间，针对劣质燃煤展开锅炉设计的研究；2000 年以前，主要是针对具体问题展开研究14，由于技术、经济、操作、政策等多方面原因，达不到全面提高技术水平的效果15，尤其是工业锅炉的节能减排没有按人-料-炉-机-控复合系统来控制，而是片面的追其技术效果，“十一五”的努力只在某些地区有所突破16，整体水平并未得到提升。2.3 燃煤工业锅炉氮氧化物产生特点燃烧过程中生成的氮氧化物中
8、一氧化氮占 95%以上，可在大气中氧化生成二氧化氮，二氧化氮比较稳定。燃烧过程中生成的氮氧化物由三部分构成：燃料型、热力型和快速型。一般而言，燃煤锅炉炉膛温度在 1000-1500之间，生成的氮氧化物以燃料型为主，由燃料中的氮及其化合物在炉内与氧合成的产物，氧的浓度越高，烟气在高温区滞留的时间越长，燃料型氮氧化物生成量越大；当炉膛温度高于 1500时，以热力型氮氧化物为主，温度越高，氧的含量越大，生成的浓度越大；快速型氮氧化物在燃煤工业锅炉中可以忽略不计17。我国燃煤工业锅炉燃煤品质差且差异大，污染物排放强度高，氮氧化物约为 500-1000mg/m3；排放高度较低，污染扩散条件差，污染物最大
9、落地浓度距排放源的距离大约相当于 10 倍的烟囱高度，因此，工业锅炉对城市环境空气的影响很重要，尤其是在北方的采暖季节。2.4 燃煤工业锅炉氮氧化物治理技术美国、欧盟、日本等发达国家或地区氮氧化物控制工作起步较早，各种氮氧化物控制政策也较为成熟。国外在锅炉中主要采用烟气再循环、两级燃烧、与低 NOx 燃烧器组合等方式，一般可使 NOx 减少 3070%。国外各种措施技术经济分析结果表明，采用改进燃烧器技术来降低NOx 的方法最经济，其中以低 NOx 燃烧和浓淡偏差燃烧技术最为经济，影响热效率最小。常用的尾端治理技术主要有选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR）、选择性非催
10、化还原与选择性催化还原联合技术（SNCR-SCR）及其他烟气脱硝技术。SCR 技术脱硝效率可达 80-90%，但一次投资费用和运行成本高，而且催化剂的技术壁垒没有完全打破。SNCR 技术不需要催化剂，还原剂为 NH3，脱硝反应的窗口温度在 800-1100，由于炉内的温度分布受负荷、煤种等多种因素影响，窗口温度随着负荷和煤种变动，因此喷氨位置也要随窗口温度分布变化而变化，增加了操作的技术难度18。目前国内电力行业所采用的工艺技术主要是选择性催化还原法（SCR）（约占 96）和非选择性还原催化法（SNCR）（只占4）19。3 燃煤工业锅炉氮氧化物控制难点3.1 氮氧化物控制技术储备不足我国对氮氧
11、化物的控制尚处于试点和起步阶段，控制技术目前还不成熟，主要采用低氮燃烧方式降低氮氧化物排放，氮氧化物控制效率约为 30%50%。目前也有采用尾端治理的方式，但运行效果和经济效益都不是很理想。目前，部分研究机构正在开展燃煤工业锅炉氮氧化物等多种污染物协同控制技术研究。3.2 氮氧化物控制成本大目前，锅炉 NOx 的控制存在一些困难。比如，工业锅炉炉膛较小，低氮燃烧改造困难，减排 NOx 的成本过高。有关专家称，现行的脱硫成本在 800 元/t 左右，而脱硝需要近 2000 元/t。实际上，火电厂污染治理增加的达标成本通过电价优惠政策给予一定的补偿，在“十一五”期间，发电企业的脱硫补偿电价是 1.
12、5 分；目前正在研究制定脱除氮氧化物的优惠政策。工业锅炉自身特点，火电厂烟气脱硝技术和设备尚不能直接应用于工业燃煤锅炉，目前没有可用于工业锅炉脱硝的成熟技术；工业锅炉低氮燃烧改造和加装脱硝装置，势必将增加环保成本，部分企业在经济上难以承受。我国工业锅炉的特点是量大面广低参数低容量，在用的中小型燃煤锅炉低氮燃烧改造技术难度大，部分锅炉设备老化，再用锅炉房没有预留改造空间。尤其是生活用工业锅炉，氮氧化物治理的历程将较长。4 燃煤工业锅炉氮氧化物控制技术路线4.1 加强锅炉行业的设计及制造水平近期内甚至更长一段时间内中小型燃煤工业锅炉仍将是我国主要的热能设备，提高锅炉的燃烧效率降低污染的根本出路是发
13、展高效燃煤锅炉和清洁燃料锅炉。其中以发展高效燃煤锅炉更为重要。我国每年新安装的中小型锅炉约 3 万多台，洁、高效中小型燃煤锅炉在中国大城市周边地区、中等城市及环保要求较严格的地区具有极强的竞争力，市场潜力巨大。4.2 提高锅炉房的运行水平针对现有锅炉房主、辅机不匹配，自动化程度不高和系统运行效率低等问题，锅炉运行单位应有重点、有计划等对现有锅炉房系统进行改造，以提高锅炉房整体运行效率。假设运行效率提高十分百分点，我国燃煤锅炉氮氧化物排放总量将减少 25 万吨。4.3 开发适合国情的氮氧化物削减技术我国火电厂烟气脱硝的一些关键技术仍受制于国外，工业锅炉/窑炉的低氮燃烧技术及烟气脱硝研究与应用也处
14、于小规模试验阶段，因此我国应对氮氧化物控制技术研究及产业化给予更多支持及优惠政策，鼓励自主知识产权技术产学研联合研发，尽快推动国内氮氧化物控制技术规模示范应用及产业化，为我国氮氧化物的排放控制提供技术支持及管理依据。4.4 发展城市集中供热和工业园区集中供气我国燃煤工业锅炉 10 蒸 t/h 以下占相当比重，主要是城市冬季采暖提供热水和工业企业提供蒸汽，小容量锅炉运行技术水平较低，改造成本大，控制效果不理想，因此，推进城市和园区集中供热工程，加强集中供热锅炉烟气脱硝治理。并在城市及近郊，禁止新建效率低污染重的燃煤小锅炉，逐步拆除已建燃煤小锅炉。4.5 新建锅炉应用低氮燃烧技术我国工业锅炉的使用
15、寿命约为 15-20 年，其中已使用 10 年以上的比例达 20%以上，早期生产的锅炉不仅容量小，能耗高而且污染也大，随着热电联产和集中供热的发展，对原有工业锅炉的改造不是简单的重置，而是容量等级提高。2009 年 1-12 月份，我国累计生产工业锅炉29.21 万蒸 t，同比增长 18.37%。我国改造再用锅炉的成本及技术可行性都不如在新建锅炉上应用低氮燃烧技术，因此，应制定政策鼓励科研部门和锅炉生产企业研发和制造适合层燃炉的低氮燃烧技术，以新建锅炉为重点，控制新增氮氧化物排放量。4.6 重点地区采取低氮燃烧和尾端治理技术相结合对氮氧化物防治的重点区域，当低氮燃烧技术不能满足排放要求时，可以
16、采取尾端治理的技术，以达到更高的 NOx 脱除效率。适用于工业锅炉的尾端治理技术为 SNCR，SNCR 技术不需要催化剂，投资成本较低。该技术在锅炉炉膛适当位置喷入含氮的还原剂，高温分解出 NH3，将烟气中的 NOx 还原为 N2 和水。但对温度和流动的要求较为苛刻，工业锅炉的炉膛温度恰好处于 SNCR 技术的反应窗口内，但 NH3 泄露（10-20ppm）问题需要重视。5 结论考虑工业锅炉本身的特点和治理技术缺陷及经济问题，本文建议工业锅炉氮氧化物治理应重点是提高工业锅炉的设计和建筑水平，开发新的污染控制技术；针对新建锅炉，采取的技术以低氮燃烧为主；对于大中城市的中小锅炉采取集中供热和工业园区集中供气的方式替代小型燃煤锅炉，对大型锅炉采取合理的治理措施；对于重点地区的锅炉如果采取低氮燃烧技术不能达标排放，应采取以 SNCR 为主的尾端治理技术；适度发展循环流化床锅炉。
