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氮氧化物怎么减?

点击次数:2523 发布时间:2012-03-07

 氮氧化物怎么减?
 

 


    编者按

  3月2日,新修订的《环境空气质量标准》正式发布。新标准将颗粒物(PM2.5)纳入监测指标体系。PM2.5的重要来源是气态污染物在大气中经过复杂的化学反应而生成的二次颗粒物。控制氮氧化物是控制PM2.5的重要一环。同时,新标准收紧了氮氧化物重要组成部分——二氧化氮的浓度限值,更新了其分析方法。控制氮氧化物排放量,对于改善城市空气质量意义重大。本版今日特刊登相关理论文章,希望能对读者有所借鉴。
 
    氮氧化物控制现状

    阅读提示

  为了进一步扼制氮氧化物不断增长的趋势,我国《国民经济和社会发展“十二五”规划纲要》已明确在“十二五”期间将氮氧化物排放量减少10%作为主要目标之一。

  近年来,我国不断增加和修订各行业氮氧化物排放限值,新修订的《环境空气质量标准》也收紧了二氧化氮的浓度限值。

  氮氧化物具有多重的环境效应。我国的氮氧化物排放近年来增长迅猛,导致区域臭氧和PM2.5污染加重,大范围的灰霾现象时有发生。我国酸雨正在由硫酸型酸雨向硫酸复合型过渡,氮氧化物排放增加引起的氮沉降成为我国水体富营养化的重要原因之一,氮氧化物中的二氧化氮更对人体健康也有着直接的危害,这些都对人民群众的身体健康和生态环境造成了严重影响。

  2005年,科学杂志《自然》上刊登了一篇关于二氧化氮的论文。文中的全球卫星遥感图显示,包含京津冀、山东半岛、山西中北部、陕西关中及长三角的广大华北及华东地区二氧化氮污染已呈连片分布,并成为我国对流层二氧化氮污染zui严重的区域。随着我国经济的发展,人口不断增长和能源消费量的增加,氮氧化物排放量已由1980年的486万吨增至2000年的1177万吨。而据统计的结果,我国2011年氮氧化物排放量已达2273.6万吨,呈加速上升态势。

  根据环境保护部、国家统计局和农业部联合发布的《*次全国污染源普查公报》,我国氮氧化物主要来源于电力行业、机动车尾气和非金属矿物制品业,合计排放氮氧化物占到总量的83%。为了进一步扼制氮氧化物不断增长的趋势,我国《国民经济和社会发展“十二五”规划纲要》已明确在“十二五”期间将氮氧化物排放量减少10%作为主要目标之一。为实现这一目标,《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知》更进一步明确要求,推动燃煤电厂、水泥等行业脱硝,形成氮氧化物削减能力358万吨。

  我国自2000年以来,不断增加和修订各行业氮氧化物排放限值。《火电厂大气污染物排放标准》(2003)、《水泥厂大气污染物排放标准》(2004)、《锅炉大气污染物排放标准》(2001)和《轻型汽车污染物排放标准》(2005)经过修订均增加或者加严了针对氮氧化物的浓度限值。各地新建的一些针对氮氧化物减排的示范顶目也产生了较好的示范效果。许多新建电厂在建设中已开始为选择性催化还原技术(SCR)脱硝预留使用用地。为进一步有效扼制氮氧化物排放,尽管因经济成本问题面临来自行业方面的较大阻力,环境保护部近年来启动了新一轮针对氮氧化物排放标准的制修订工作。2011年新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)要求新建机组从2012年1月1日开始、现有机组从2014年7月1日开始执行100毫克/立方米的氮氧化物污染物排放限值。标准从征求意见到正式公布,多次引发电力行业的热议,被称为“世界zui严”的排放标准。正在研究制订的水泥行业氮氧化物排放标准,也将大幅度加严氮氧化物排放限值。
 
  2012年2月29日,国务院常务会议同意发布新修订的《环境空气质量标准》。新标准不仅增设了饱受关注PM2.5浓度限值,还增设臭氧8小时平均浓度限值,收紧了二氧化氮的浓度限值,这也对我国氮氧化物控制提出了新的挑战。实际上,“十一五”以来,尽管二氧化硫完成了减排任务,但是全国113个环保重点城市空气中的二氧化氮浓度一直没有下降。2010年,环境保护重点城市总体平均二氧化氮浓度与上年相比反而略有上升,这种增长态势一直持续到2011年上半年。环境保护部发布的《2011年上半年环境保护重点城市环境空气质量状况》显示,与2010年上半年相比,2011年上半年全国113个环境保护重点城市空气中二氧化氮平均浓度上升5.7%,而短期内这种上升的趋势很难扭转。如果按2006年版《环境空气质量标准》来衡量,2010年所有环境保护重点城市均能够达到0.04毫克/立方米的标准限值。但如果按新发布的空气质量标准,将有35个城市也就是31%的城市没法达到标准限值。

  我国氮氧化物减排形势依然严峻。2011年前三季度,氮氧化物排放量未有下降反而上升7.2%,这为今后4年完成“十二五”期间将氮氧化物排放量减少10%目标带来巨大挑战。
 
    国外控制经验及教训

    阅读提示
 
  国外在氮氧化物控制方面的经验主要集中在固定源和移动源两方面。

  欧美在重型柴油车氮氧化物减排上也有过曲折。发动机或整车生产商为了销售的产品更节油、更有市场竞争力,不惜采取不合理的排放控制策略,而无视氮氧化物排放的大幅增加。不能为了节油而完全牺牲氮氧化物减排,这样的教训,应该汲取。
 
 
  国外在氮氧化物控制方面的经验主要集中在固定源和移动源两方面。

  一、在固定源方面。美国、欧盟、日本等发达国家和地区将各类燃烧锅炉氮氧化物减排作为重点之一。

  美国酸雨计划在《清洁空气法》修正案(CAAA)的指引下,分两阶段减排锅炉氮氧化物。*阶段(1996年~1999年)重点在*类锅炉(燃煤墙式锅炉和切向燃烧锅炉)安装低氮燃烧器(LNB),削减氮氧化物排放;第二阶段(2000年以后)进一步严格排放标准,安装更先进的LNB,采取与LNB成本相当的氮氧化物控制技术,实现*类锅炉进一步减排和第二类锅炉(湿底锅炉、旋风炉、蜂窝式燃烧器锅炉和垂直燃烧锅炉)氮氧化物减排。

  欧盟从1988年开始,不断出台合理而严格的氮氧化物排放标准和减排目标,并写入各成员国的国家法律中,有力促进了氮氧化物的减排。

  日本从1973年~1983年的10年间,先后5次加严了各类锅炉氮氧化物相关标准,同时在环境污染严重地区设立氮氧化物总量控制。

  除各类锅炉外,发达国家也将水泥、钢铁作为氮氧化物减排的重点行业。美国于2007年、欧盟于2009年分别颁布了新型水泥窑氮氧化物排放的可转换控制技术更新文件及BAT文件草案,总结了各自水泥氮氧化物控制的主要经验、技术方法及成本效益。
 
  针对钢铁生产工艺的氮氧化物控制,美国控制技术文件及欧盟BAT参考文件均提出了技术方案,如针对烧结工艺的优化烧结工艺(EOS)、SCR、焦粉脱氮和活性碳吸附等技术,针对焦炉的废气再循环、空气阶段燃烧技术、降低焦化温度、减小碳化室与燃烧室之间的温度梯度等技术。

  这些技术的推广应用,极大地促进了水泥、钢铁氮氧化物减排,助力了氮氧化物减排目标的实现。

  二、在移动源方面。美国是世界上zui早推行机动车排放法规的国家,机动车排放控制指标种类zui多、排放法规zui严格。从1970年左右开始,美国多次修订《清洁空气法》,逐步强化对机动车、非道路机械、轮船和火车等移动污染源的尾气排放及燃油蒸发等多种污染物的综合控制。其中氮氧化物排放控制是非常重要的内容,也是主要的推动力之一。美国轿车的氮氧化物排放标准限值,从1973年以前的2.5克/千米,降至2009年的0.043克/千米,35年间降低了98%;重型柴油车氮氧化物的控制力度同样惊人,1988年的重型柴油机氮氧化物排放限值是14.3克/千瓦时,到2010年降至0.27克/千瓦时,22年内同样大幅降低98%。同时,为保证2010年以后重型柴油车氮氧化物排放标准的执行效果,美国环保局还要求利用便携式排放测试系统(PEMS)对在用重型柴油车开展实际道路上的排放测试,并规定必须达到设定的限值。欧洲开展机动车排放控制虽然比美国晚,但进步却更快。在1992年~2008年的16年间,欧盟基本以平均每4年加严一次机动车排放标准的速度,从欧Ⅰ排放标准发展到了欧Ⅴ排放标准阶段,车用油品质量也随之大幅改善。从欧Ⅰ排放标准发展到欧Ⅴ排放标准,轻型汽油车和重型柴油机的氮氧化物排放限值都降低了80%左右。预计2013年开始执行欧Ⅵ排放标准后,欧洲的机动车排放控制水平和美国基本一致。

  除机动车外,非道路移动源也是氮氧化物排放的重要来源。非道路移动源包括工程机械、农业和园林机械、内陆和远洋船舶、火车机车、飞行器等,早期在美国和欧洲都未引起足够重视。直到1990年,美国环保局才开始着手研究和限制非道路移动源的尾气排放,1998年对功率在37千瓦以下的非道路柴油机颁布了*阶段排放标准(Tier1),2000年~2008年期间对所有非道路柴油机分阶段实施更严格的第二阶段(Tier2)和第三阶段(Tier3)排放标准,氮氧化物排放比未采用标准前降低60%左右。1998年*个欧洲非道路移动源排放法规以立法形式通过,在1999年~2004年分两阶段实施。2000年底,欧洲委员会又提出修正案,将功率小于19千瓦的非道路汽油发动机纳入监管,使欧洲与美国的小型发动机排放标准更加一致。

  但欧美在重型柴油车氮氧化物减排上也有过曲折。由于发动机的氮氧化物排放和油耗存在此消彼长的关系,为了减少氮氧化物的生成,需要牺牲一小部分油耗。因此,发动机或整车生产商为了销售的产品更节油、更有市场竞争力,不惜采取不合理的排放控制策略,而无视氮氧化物排放的大幅增加。20世纪90年代,这种违法行为在美国市场曾经很普遍,美国环保局发现问题后对重型发动机和整车厂商做出了严厉的处罚,并加严了相关法规,要求采用车载测量方法开展重型柴油车在用符合性监管,以避免此类问题再次发生。由于此问题的普遍性,欧洲也在不久后对重型柴油车排放达标监管增加了类似要求。不能为了节油而完全牺牲氮氧化物减排,这样的教训,应该汲取。
 
    重点减排领域及技术

    阅读提示

  火电、工业锅炉、水泥、钢铁是我国工业氮氧化物排放大户,也是控制的重点。目前,工业氮氧化物减排技术分为低氮氧化物燃烧技术和烟气脱硝技术两大类。

  机动车是仅次于火电行业的我国第二大氮氧化物排放源。机动车污染控制技术主要分为机内净化技术和排放后处理技术两大类。
 
  火电、工业锅炉、水泥、钢铁是我国工业氮氧化物排放大户,也是控制的重点。目前,上述行业氮氧化物减排技术分为低氮氧化物燃烧技术和烟气脱硝技术两大类。低氮氧化物燃烧技术在火电、工业锅炉、水泥窑、钢铁等行业普遍应用,对氮氧化物减排发挥了重要作用,降低了20%~50%的氮氧化物。为了达到日益严格的排放标准,烟气脱硝技术应用而生。一是SCR。脱硝效率可达到70%~90%,目前已在发达国家广泛应用,如德国火电烟气脱硝装置中SCR约占95%,我国火电SCR约占脱硝装置的88.5%。二是选择性非催化还原技术(SNCR)。由于投资、运行费用较低,在工业锅炉、水泥行业氮氧化物减排将发挥重要作用。三是SCR/SNCR联合烟气脱硝技术。结合了SCR和SNCR两者优势,脱硝效率适中。此外,针对水泥、钢铁等行业特点,开发了活性炭吸附脱硫脱硝、焦粉脱硝等技术,但尚需降低投资和运行费用,提高运行稳定性,因而在短期内难以发挥减排作用。

  尽管目前烟气脱硝技术已较成熟,但在实际应用中SCR、SNCR仍存在4个方面的问题。一是SCR、SNCR需消耗大量的氨,若80%的电厂采用此技术,则每年需消耗约500万吨的氨,占全国氨总产量的10%,这造成环保与农业“争粮”问题,使环保与农业两个基本国策难以协调发展。二是泄漏的氨不仅与二氧化硫在水蒸气作用下会生成粘附性、腐蚀性、吸附性强的硫酸氢铵,易造成空预器换热元件堵塞和催化剂失活,造成运行成本提高,同时还会在环境中还会形成二次细粒子。三是烟气中水溶性碱金属和气态砷化物进入催化剂内部并堆积,在催化剂活性位置与其他物质发生反应,引起催化剂中毒失活。四是废催化剂难以安全处置。据预测,我国将产生5万吨/年的SCR废催化剂,其重金属污染、堆积占地、安全处置等问题严重。

  机动车是仅次于火电行业的我国第二大氮氧化物排放源。近年来随着机动车排放标准的逐步加严,机动车污染控制技术也不断进步,主要分为机内净化技术和排放后处理技术两大类。对于汽油车,排放控制技术发展有两大里程碑:一是燃油闭环电子喷射(EFI)加尾气三元催化净化技术(TWC);二是车载诊断系统(OBD)的广泛应用。为了达到日益严格的排放标准,汽油车可以通过更加地控制发动机燃烧(EFI+OBD)和不断提高TWC的净化效率来实现目标。对于柴油车,排放控制技术发展有三大步:一是燃油电子喷射加高压共规技术;二是SCR;三是颗粒物捕集器(DPF)的广泛应用。此外,降低柴油车的氮氧化物排放,还有一种技术路线是采用尾气再循环系统(EGR)。但EGR在降低柴油机氮氧化物排放的同时,也会增加油耗和颗粒物排放,因此需要综合考虑。更先进的技术如混合动力汽车、纯电动车和燃料电池车等,则部分或彻底地改变了车辆的动力系统,属于新能源汽车。机动车排放控制技术的快速发展,推动了机动车氮氧化物排放的大幅下降。
 
    氮氧化物控制的对策建议

    阅读提示

  在固定源方面,加快淘汰落后产能,强化排放标准,加强在线监测,积极开展低氮燃烧及脱硝技术自主研发。

  在移动源方面,重点加强重型柴油车排放控制,尽快加严油品质量标准,加快老旧高排放车淘汰,加严非道路移动源控制。

  重点行业固定源氮氧化物控制方面。首先应加快淘汰落后产能,推进氮氧化物减排。我国尚有较大规模的工业锅炉、水泥、钢铁落后产能,对氮氧化物排放总量贡献较大。二是强化排放标准,严格控制排放。目前,我国除新发布实施了严格的火电氮氧化物排放标准外,水泥工业氮氧化物排放标准还存在过于宽松的问题。而工业锅炉、钢铁烧结、炼焦等尚未颁布氮氧化物排放标准,这严重制约了这些行业氮氧化物减排工作。三是加强在线监测。水泥、钢铁烧结、炼焦氮氧化物排放受过程控制,排放浓度波动明显,应加强在线监测,强化氮氧化物排放监督。四是积极开展低氮燃烧及脱硝技术自主研发。应根据我国国情,结合工业锅炉、水泥、钢铁烧结、炼焦等行业特点,开展低氮燃烧、硫硝一体化脱除技术研发,加强自主知识产权脱硝技术示范,低成本推进氮氧化物减排。

  移动源氮氧化物控制方面。*,重点加强重型柴油车排放控制。重型柴油车单车氮氧化物排放是轻型车的10倍~100倍,占机动车总排放的60%以上。“十二五”期间应尽快制订车载排放测试法规,加强重型柴油车在用符合性的监管力度;同时,在重型柴油车排放年检中加入氮氧化物检测,以有效评估在用车的氮氧化物减排效果;对于城市公交车和市政车辆,可大力推广环境友好的新能源汽车,比如混合动力技术、电动车和天然气车等。第二,尽快加严油品质量标准。车用燃料品质保证是实施更严格排放标准的基础。区别于欧美日油品标准与排放标准同步实施,我国却出现车用油品标准严重滞后于排放标准的局面。目前,除北京、上海等重点城市和地区顺利实施了地方车用油品标准,提前供应符合国Ⅳ排放标准要求的车用油品外,国内其他地区连满足国Ⅲ排放标准要求的车用柴油也迟迟未能供应。第三,加快老旧高排放车淘汰。通过环保标志制度,可以将采用较先进排放控制技术的车辆(绿标车)和采用较落后排放控制技术的车辆(黄标车)区分,通过限行、经济激励等多种手段加速淘汰高车龄、高里程、高排放的黄标车,对于机动车氮氧化物减排将有重要贡献。第四,加严非道路移动源控制。我国尚未将非道路移动污染源纳入氮氧化物统计。而目前我国非道路柴油机的氮氧化物排放控制水平还比较落后,船舶、机车和飞行器排放基本没有控制。但非道路移动源的氮氧化物排放增长很快,我国在“十二五”期间应尽快开展相关研究,力争在“十三五”将其纳入氮氧化物总量减排方案。

                                                                作者单位:中国环境科学研究院

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