中国氮氧化物的排放及控制..ppt

2003年中国环境科学研究院学术年会报告,中国氮氧化物的排放及控制郝吉明教授/院长清华大学环境科学与工程研究院,北京国际会议中心二三年十二月二十九日,NOX来源及环境影响氮氧化物排放因子的确定中国能源消费现状及发展趋势情景分析中国NOX排放现状及发展趋势发达国家NOX排放控制法规及政策NOX排放控制对策及重点结论,报告内容,大气N循环,氮氧化物（NOX）来源,自然排放源闪电过程平流层光化学过程NH3的氧化森林大火生态系统中的微生物过程以及土壤和海洋中NO2-的光解过程等。人为排放源化石燃料（煤、石油、天然气及汽车燃料）的燃烧生物质燃料（秸秆、薪柴、牲畜粪便等）的燃烧各种工业过程的工艺排放等：包括硝酸的制造和使用、电镀、雕刻、焊接、金属清洗、炸药爆炸以及液态二氧化氮（火箭推进剂的基本成分）的应用等,全球NOX排放量估计,NOX环境危害,局地：NO2空气污染，刺激呼吸系统区域：酸沉降，NOX对HxOy化学过程影响可改变SO2在大气中转化速率，影响硫酸盐沉降生态系统退化及富营养化光化学烟雾产生O3强氧化剂形成细粒子(PM10/PM2.5)大气能见度降低全球：气候变化，平流层O3,污染现状：2000年，20.3%国控网城市超过国家二级标准；北京、广州、上海、乌鲁木齐等大城市NOX污染严重；欧洲、北美控制酸沉降最初重视SO2控制而轻视NOX的教训；NOX排放增长及高氧化性可能抵消两控区酸雨污染控制效果;,中国NOX污染状况,NOX排放量计算方法,自下而上,全国,各省、市、区,省内各部门,部门内某燃料类型,燃料消耗量,NOX排放因子,NOX脱除率,燃料消耗的排放因子法,研究区域中国大陆31个省、直辖市和自治区时间跨度历史年份：1980年2000年；现状年份：2000年；预测年份：2010年，2020年，2030年；能源生产与消费部门划分火力发电、其他能源转换、农业、工业、建筑业、交通运输业、服务业及居民生活消费；燃料类型商品燃料：煤、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、LPG、炼厂干气、天然气及煤气等农村非商品燃料：作物秸秆，薪柴,研究范围,排放因子确定,NOX排放源固定源：电站锅炉、工业锅炉、采暖锅炉、茶浴炉、民用小煤炉、公福灶、居民炊事灶等；移动源：机动车、铁路机车、飞机等其他源：工艺排放源、生物质燃料NOX排放水平典型燃烧设备实际测试;文献调研、专家咨询等测试方法：空气和废气监测分析方法推荐仪器法测试仪器：英国Kane公司KM9106便携式烟气分析仪等测试地点：北京、河北、河南、浙江、安徽、山东等,分部门、燃料品种的NOX排放因子集,中国能源消费现状及发展趋势,中国能源消费现状,能源消费总量及其构成年份总量（万tce）煤炭(%)石油（%)天然气(%)水电(%)19806027572.220.73.14.019909870376.216.62.15.1199613894874.718.01.86.1200013029766.124.62.56.8,能源需求预测表达式,能源需求预测方法部门分析法,基准年份2000年预测年份2010年2020年2030年,人口和国民经济增长构想,未来中国人口发展及城市化的基本假设,未来中国国民经济增长构想,GDP及产业构成的构想,未来中国GDP总量发展趋势,未来中国产业结构的构想方案,20002030年中国终端能源需求总量预测结果,终端能源需求预测结果,未来能源消费需求总量及构成,中国NOX排放现状及发展趋势,中国NOX排放现状,19802000年：GDP年均增长率9.7%能源消费年均增长3.9%NOX排放年均增长4.6%能源消费弹性系数：0.41NOX排放弹性系数：0.48,1996年NOX排放峰值：1203万t2000年NOX排放量：1177万t,各省区NOX排放分布,NOX排放大省：河北、辽宁、江苏、山东、广东、山西、河南、四川等80以上在中东部地区,各省区NOX排放强度分布,90%左右NOX排放源于火力发电、工业、交通运输,各经济部门NOX排放状况,火电厂已成为最大排放源交通部门贡献率增长迅速,不同燃料品种对NOX排放贡献,燃煤是最大来源：6070%柴油、焦炭、汽油次之,近年燃煤贡献率略有下降汽油、柴油贡献率上升较快,未来NOX排放总量发展趋势,1177167718532363291431544296,未来30年各省区NOX排放强度分布,0省区1Mt,4省区1Mt,7省区1Mt,13省区1Mt,未来30年各部门对NOX排放贡献率,未来30年不同燃料品种对NOX排放贡献率,NOX生成及破坏机理,（1）热力型NOX：空气中N2和O2在高温下生成的NO和NO2的总和Zeldovich不分支自由链式反应机理（2）燃料型NOX：燃料中的杂环氮化物热分解与氧结合生成，生成机理非常复杂。（3）快速型NOX：产生于燃烧时CHi类原子团较多、O2浓度相对较低的富燃料区燃烧情况，多发生在内燃机的燃烧过程。通常，最初燃烧生成的NOX中，NO占90%95%左右，NO2占5%10%，而N2O仅占1%左右。,燃煤NOX形成机理,温度（T）是热力型NOX形成的主要控制因素：当燃烧温度低于1800K时，热力型NOX生成量很少。对燃煤而言，燃料型NOX的生成和破坏过程不仅与煤种特性、燃料结构、燃料中的N受热分解后在挥发分和焦炭中的比例、成份和分布有关，而且大量反应过程还和燃烧条件如温度和氧及各种成分的浓度等密切相关。通常的燃烧温度下，燃料型NOX主要来自挥发分N，煤粉燃烧时由挥发分生成的NOX占燃料型NO的60%80%，而由焦炭N所生成的NOX占20%40%。另外，燃料N转换成NOX的量主要取决于空气/燃料混合比（A/F），而对燃烧温度依赖性较弱。常规燃料中，除天然气基本上不含氮化物外，其他燃料或多或少地含有氮化物，其中石油的平均含氮量为0.65%左右，煤的含氮量一般在0.5%2.5%左右。通常，燃料中大约20%80%的N转化为NOX，其中NO又占90%95%。当燃料中的N含量超过0.1%时，燃料型NOX排放将是最主要的。煤燃烧时，75%90%的NOX来自燃料型NOX。燃料的N含量增加时，虽然生成的燃料型NOX量增加，但NOX的转化率却减少；煤的燃料比FC/V越高，NOX的转化率越低。,煤粉炉NOX排放与燃烧方式关系,抑制NOX生成和促使NOX破坏的途径,一级控制措施燃烧优化及改进技术采用改进工艺和设备、改进燃烧以减少和抑制NOX生成量的各种低NOX燃烧技术二级控制措施尾部排气脱硝技术,固定源NOX排放控制技术低NOX燃烧技术,低NOX燃烧技术策略降低燃烧室内火焰的峰值温度（Tmax）；减少气体在火焰区的停留时间（t）；降低火焰区的氧气浓度（O2）；加入NOX还原剂等低过剩空气系数（LEA）：15%20%削减率；空气分级燃烧（OFA）：天然气锅炉可降低60%70%，而燃煤和燃油锅炉可降低排放40%50%；烟气再循环：烟气再循环率为15%20%时，大型煤粉炉NOX排放浓度可降低25%左右；注入水或蒸汽：可使燃烧气体的燃气轮机NOX还原效率高达80%；燃料分级或再燃烧技术：NOX排放浓度降低50%以上；低NOX燃烧器（LNBs）：NOX削减率通常在30%60%之间。,三菱MACT低NOX燃烧系统,PM型低NOX燃烧器为主要燃烧器集低NOX燃烧器、炉膛空气分级、燃料分级和烟气再循环于一体适用于四角切向燃烧的燃烧器布置方式，可达100ppm以下,固定源NOX排放控制技术烟气脱硝技术,选择性催化还原法（SCR）,原理：利用NH3做还原剂，在300400温度范围和一定的催化剂（铁、钒、铬、铜、钴或钼等金属氧化物）作用下，使烟气中的NOX还原为无害的N2和H2O。主反应机理：8NH3+6NO27N2+12H2O4NH3+6NO5N2+6H2OSCR特点：（1）9095NOX削减率；（2）氨泄漏量低,0-5ppm（3）极好的空燃比控制，接近1.0.（4）广泛应用于日本、欧洲的燃气、燃油和燃煤锅炉问题：投资及运行费用高、催化剂中毒、氨储存、粉煤灰综合利用,SCR系统布置,SCR系统构成,SCR催化剂,不同NOX控制技术比较,LNB-低氮氧化物燃烧AOFA-改进的燃尽风法SCR-选择性催化还原SNCR-选择性非催化还原,机动车NOX排放控制技术,机内净化技术汽油发动机机内净化措施稀薄燃烧技术废气再循环（EGR）控制进气与燃烧改进点火系统(包括延迟点火、加大点火能量以及电子控制点火正时)电控汽油喷射以及采用综合控制的发动机管理系统等柴油发动机的机内净化措施电控柴油喷射废气再循环（EGR）改善进气系统、采用分隔式燃烧室进气管喷水以及乳化燃油等,机动车NOX排放控制技术,机外净化技术催化转化法三元催化转化器通常采用铂、铑、钯等贵金属催化剂；使HC、CO氧化成H2O、CO2，同时使NOX还原生成N2；最佳工作温度为400800；须精确地控制在理想的空燃混合比（A/F=14.71）附近。替代低污染燃料和新型低污染发动机替代燃料：甲醇、变性酒精及其它醇类，甲醇、变性酒精等与汽油混合物，天然气（LNG/CNG）、液化石油气（LPG）和氢气；从煤中提取的液体燃料、非醇类生物燃料和电等。新型低污染发动机：电动车、混合动力车、燃料电池车,NOX排放控制法规及政策分析,火力发电世界第一，80%左右煤炭用于发电1998年，火电厂NOX排放量565万t，占美国排放量25.6%,美国电站锅炉NOX控制法规及政策,1998年美国电厂NOX排放量,1999年美国NOX排放状况,1990年美国CAAA规定的燃煤锅炉NOX允许排放限值,CAAA-第I篇（臭氧）和第IV篇（酸雨）,OTC:美国东北部22州和哥伦比亚特区，NOX排污交易1997年新源性能排放标准(NPS):100mg/m3（与燃料无关）,火电厂发电量仅次于美国和中国，居世界第3位；1973年空气污染防治法开始，几经修订，成为当今世界上NOX允许排放限值最低、排放标准要求最严的国家之一。,电站锅炉NOX排放标准,开发并应用先进的低NOX燃烧技术；1976年在350MW机组试验SCR，至今15GW燃煤电站机组安装SCR；采用低NOX燃烧技术及安装SCR脱销装置，燃煤电站烟气NOX浓度已降至45ppm,日本电站锅炉NOX控制法规,1983年大型燃烧装置法规（GFAVO）生效,控制措施：低NOX燃烧技术烟气脱硝：19821991年，28GW的60座火电厂安装烟气脱销装置。其中，SCR占95%；SNCR占4%；联合脱硫脱硝1,德国电站锅炉NOX控制法规及政策,美国机动车NOX排放标准,美国轻型汽车尾气排放标准g/km,美国加州机动车尾气排放标准,日本机动车NOX排放标准,柴油车排放限值,欧盟机动车NOX排放标准,EuroIII（2000）和EuroIV（2005）排放限值,政策措施制定日趋严格的NOX排放标准是根本措施；制定有利于技术进步的政策是有效保障；强化排放源日常的监督管理等；经济手段严格执行排污收费建立排污交易制度先进技术设备的减免税等,发达国家控制NOX排放经验,NOX相关研究热点,NOX排放因子的确定与更新：源头控制NOX排放的大气化学过程：促进SO2向SO3转化，对区域酸雨贡献微细颗粒物PM10/PM2.5光化学烟雾形成O3：大气中NOX与VOCs浓度变化影响电站锅炉SCR技术开发及实践：催化剂及其管理、降低费用SNCR在工业锅炉上的应用机动车催化转化器催化剂：金属氧化物催化剂稀薄汽油/柴油机尾气净化,中国NOX排放控制及重点,（1）实施严格的NOX排放标准：基础与保障（2）火力发电是中国NOX排放控制的重点行业排放量巨大。2000年占1/3以上，2030年达45左右；高架烟囱排放，远距离传输对区域酸雨贡献很大；烟气量大且集中排放，安装治理设备相对容易；多种成熟的低NOX燃烧技术和烟气脱硝技术可供选择；美国、德国、日本等均首先从控制火电厂NOX排放着手。（3）城市机动车是中国城市NOX排放控制的重点对象北京、上海、广州等城市机动车NOX污染贡献率超过50%（4）优化能源生产和消费结构：提高水电、核电、可再生能源比重（5）推行清洁生产，降低终端能耗强度（6）加强NOX排放控制技术的研究开发与推广应用（7）强化对NOX排放源的监督管理,中国NOX排放的宏观控制对策,（1）严格的火电厂NOX排放标准,火电厂NOX排放控制对策,（2）淘汰技术落后小火电机组,小火电能耗比大机组高50%100%2000年，300MW以上机组比重仅38%2000年供电煤耗：392gce/kWh比发达国家高60g左右,（3）部分现役燃煤锅炉实施低NOX燃烧技术改造（4）积极推进先进洁净煤技术的推广与应用超临界机组，CFBC、PFBC、IGCC,（5）促进NOX排放控制技术的研究开发及推广应用北京/上海重点地区：SCR、SNCR、联合脱硫脱硝示范（6）优化中国火电电源的燃料构成（右图）（7）调整和优化火电电源地区布局“北煤南运”、“西煤东运”“西电东送”（8）强化火电厂NOX排污收费政策（9）火电厂NOX排放区域总量控制,火电厂NOX排放控制对策,结论,（1）2000年，中国NOX排