制定民用燃具NOχ排放强制性标准的必要性

摘要：讨论了民用燃具氮氧化物(NO，)排放对大气和室内空气的污染及其危害，对民用燃具的NO_χ排放量进行了推算，介绍了民用燃具氮氧化物排放控制技术，建议制定强制性民用燃具NO_χ排放标准。

关键词：民用燃具；氮氧化物；排放标准；大气污染；室内空气品质

中图分类号：TU996

文献标识码：A

0 引 言

　　随着西气东输工程的实施，LNG在广东、福建等省份的引进，我国将掀起天然气利用的高潮，城市燃气普及率将进一步提高。随着城镇燃气用量的增加，一个比较突出的矛盾呈现出来。虽然天然气是一种清洁的能源，与煤炭相比，使用天然气可以大大降低硫化物的排放量，但是任何一种燃料的燃烧，尤其是预混的高温燃烧，都不可避免地产生氮氧化物(NO_χ)，天然气的燃烧也不例外，因而有效地控制民用燃具NO_χ排放、建立NO_χ排放的强制性标准并严格执行已经成为一个迫切的问题^[1，2]。
　　就世界范围而言，有效地控制NO_χ的排放已经成为一个共识性的问题。我国已经对大型固定式燃烧装置、机动车辆的NO_χ排放做出了明确规定，如《锅炉大气污染物排放标准》规定了Ⅱ时段燃气锅炉的NO_χ排放质量浓度要小于400mg／m³，《重型柴油车排放标准》规定重型柴油车生产一致性检查试验排放NO_χ限值9．0g／(kW·h)，《轻型汽车排气污染物排放标准》规定轻型汽车生产一致性检查试验排放NO_χ限值10．2g／(kW·h)。欧洲、北美、澳洲的很多国家不但已经有了严格的固定式燃烧装置、机动车辆NO_χ排放标准(如欧Ⅲ、欧Ⅳ、加州排放标准)，而且不少国家已经制定民用燃具的NO_χ排放标准，这些国家的烟道式热水器NO_χ排放标准见表1。这些标准为我国民用燃具NO_χ控制技术的提高和强制性NO_χ排放标准的制定提供了参考依据和样板。
表1 国外烟道式热水器NO_χ排放标准

	排放量	备注
奥地利	60ng/J
比利时	100mg/m3
捷克	150mg/m3(3 % O2)	强鼓式
欧州	170mg/(kW·h)	强鼓式
德国	200mg/(kW·h)
日本	60×10-6	体积分数
波兰	35g/GJ
美国	50ng/J
注：(3％ O2)指被测量烟气中氧气的体积分数为3％。

1 NO_χ排放不受重视的原因

　　NO，NO₂都是毒性很强的气体，与CO一样，NO与血液中的血色素(Hb)的结合能力远大于氧原子与血色素的结合能力，因而当空气中NO含量达到一定浓度时，人体将因血液中缺氧而引起中枢神经麻痹。由于NO比CO更易与血色素结合，因而其引起人体不良反应的最大允许值比CO更低(见表2)。不但如此，NO在空气中极易形成NO₂，NO₂对呼吸器官有极强的刺激作用，而且NO₂对心脏、肝脏、肾脏都有不同程度的影响。
表2 NO与CO质量浓度的允许值

污染物	平均值/ (mg·m-3)	持续时间/h	最大值/ (mg·m-3)	持续时间/h	数据来源	时间
CO	11	24	30	24	世卫组织	1987年
	40	1	—	—	美国	1986年
NO	0.21	1	0.30	24	世卫组织	1987年
	0.10	8760	0.30	24	美国	1986年

　　尽管NO，NO₂对人体的危害远大于CO，但是我国早已制定了民用燃具的CO排放标准，而对NO_χ排放问题并未给予足够的重视，甚至大部分普通居民并不知道NO_χ为何物。原因之一是，到目前为止，尚未有一例由民用燃具燃烧产生的NO_χ造成居民死亡的事故发生，而由于燃具燃烧产生的CO造成死亡的事件却多次出现。
　　比CO毒性大的NO_χ没有像CO那样造成大量人身伤亡事故的发生，一方面是由于NO_χ浓度尚未达到允许的最大值；另一方面与CO，NO_χ的产生机理有关。燃气燃烧产生的NO_χ主要来自两部分：热力型NO_χ、快速型NO_χ，其中热力型NO_χ占90％左右，热力型NO_χ主要和燃烧温度有关，基本上与温度成指数关系，如图1[3]。而CO主要来自不完全燃烧，这往往是由于供氧不足造成的。伴随着氧含量降低和不完全燃烧，燃烧的温度将有所下降，从而造成NO_χ生成量的减少。通常情况下，燃烧总是向不完全的方向发展，尤其是在空间比较封闭、通风不畅的房间，如厨房、卫生间。由于燃烧造成的局部空间氧含量的降低反作用于燃烧本身，使燃烧变得不完全，燃烧温度降低，其结果使燃气具的NO_χ排放量降低，同时CO排放量急剧增加，其关系如图2。正是基于这种不同的产生机理，才造成每年都有人因CO中毒身亡，而不会有人因NO_χ中毒。








图1 天然气燃烧时热力型NO_χ生成量与温度关系
 





图2 通风不良状况下NO_χ，CO的排放特性趋势　　虽然NO_χ没有造成人身伤亡事故，但是不容忽视NO_χ的长期污染效应。这种污染包括光化学烟雾和酸雨两方面。大气中NO_χ和挥发性有机物(VOC)达到一定浓度后，在太阳光的光化学作用下，就会产生光化学烟雾。由于我国大气中VOC浓度较高，光化学烟雾的产生主要受NO_χ制约，大气中NO_χ浓度的微小增加都会加重光化学烟雾的污染。同时，由于大气氧化性，NO_χ在大气中可形成硝酸(HNO₃)和硝酸盐颗粒物，并发生远距离传输，从而造成区域性酸雨。现有研究表明，HNO₃对酸雨的贡献呈增长之势，降水中N0₃^-／SO^2-₄比值在全国范围内逐渐增加。因而，从保护环境出发，制定强制性NO_χ排放标准是非常必要的。

2 民用燃具NO_χ对大气环境的影响

　　据不完全统计，1990年我国的NO_χ排放量为910×10⁴t，1995年为940×10⁴t，2000年为1000×10⁴t，而同期我国燃气用量见表3。我国《家用燃气快速热水器》(非强制性标准)附录中对家用燃气快速热水器燃烧烟气中NO_χ含量进行了分级规定，其分级指标如表4^[4]。根据表3，4可以推算出每年民用燃具NO_χ排放总量。
表3 我国燃气用量统计

种类	项目	1990年	1995年	2000年
人工燃气	总供气量/m3	174.7069×108	126.689×108	152.361×108
	其中家庭用量/m3	27.412×108	45.658×108	63.093×108
天然气	总供气量/m3	64.228×108	67.335×108	82.147×108
	其中家庭用量/m3	11.566×108	16.378×108	24.758×108
液化石油气	总供气量/m3	203×104	489×104	1054×104
	其中家庭用量/m3	143×104	370×104	532×104

表4 家用燃气快速热水器NO_χ排放等级^[4]

NOχ排放等级	NOχ极限体积分数/10-6
	天然气、人工燃气	液化石油气
1	150	180
2	120	150
3	90	110
4	60	70
5	40	50
注：表中数据为折算空气系数α=1时的值。

　　在推算中作如下假定：
　　①全国的民用燃气用量全部被燃气热水器使用；
　　②全国的燃气热水器均为快速式燃气热水器；
　　③分5种情况计算：快速式燃气热水器均达到了《家用燃气快速热水器》NO_χ排放等级1级水平、2级水平，依此类推直到5级水平；
　　④每1 t液态液化石油气常温、常压下生成气态液化石油气为490m³；
　　⑤体积分数为10^-6的NO_χ相当于2．05mg／m³的NO_χ^[5]。
　　通过计算可以得到每年民用燃具NO_χ排放总量，见表5。
表5 民用燃具NO_χ年排放总量 t

	1990年	1995年	2000年
全部达到1级标准	1.31×104	2.74×104	3.95×104
全部达到2级标准	1.07×104	2.25×104	3.24×104
全部达到3级标准	0.79×104	1.67×104	2.40×104
全部达到4级标准	0.52×104	1.08×104	1.55×104
全部达到5级标准	0.36×104	0.75×104	1.08×104

　　由于该标准国家并没有强制执行，因而市场上销售的和用户使用的燃气热水器中有一部分并没有达到1级标准。同时，燃烧器在不同工况下NO_χ排放量是变动的，在某些工况下，NO_χ排放量将增加。例如，实测表明，当烟道式热水器的烟道发生阻塞时，其NO_χ排放量将上升。基于上述原因，实际民用燃具NO_χ年排放总量将超过表5中的数值，因而，估计2000年民用燃具NO_χ年排放总量为5×10⁴t左右。通过计算可见2000年民用燃具NO_χ排放量占全国NO_χ排放总量的0．5％左右，从比例上来说这是一个很小的数字。但是我们必须从另外几个角度来考察这个问题。①随着大型固定式燃烧器NO_χ排放标准和机动车辆NO_χ排放标准的出台，其单位能耗排放量将逐步减小，同时随着我国大规模利用天然气，民用燃气用户在急剧增加，如果不对民用燃具的NO_χ排放量进行限制，则其在NO_χ总排放量中的比例将会逐年上升。通过对表5中的数据与相应年份NO_χ排放总量比较得到图3的趋势。②2000年我国能源消费总量为130297×10⁴t标准煤，而同期民用燃具消耗的能量约为1 500×10⁴t标准煤，占全国总能耗的1．1％。可以看到在单位能耗NO_χ排放量这一指标上，民用燃具略低于其他用能装置，二者基本持平。但是需要特别指出的是，燃气不含氮的化合物，燃烧时不会形成燃料型NO_χ，而煤燃烧时形成的NO_χ约75％～90％来自燃料型NO_χ，所以若以热力型NO_χ、快速型NO_χ作为出发点进行比较，则民用燃具的NO_χ排放量是较高的，因而有必要对民用燃具NO_χ排放量进行控制。③民用燃具NO_χ的排放与工业、机动车辆NO_χ排放的最大不同点在于，民用燃具NO_χ大部分直接排到室内，从而直接作用于人体，因此为了室内环境的清洁和人体健康，我们必须控制NO_χ排放量。






图3 民用燃具NO_χ排放量占全国NO_χ排放总量的比例r
3 民用燃具NO_χ对室内环境的影响

　　随着人们生活水平的提高，各国纷纷提出了NO_χ在空气中的控制浓度范围，尤其是人们长期居留的居室、办公室等场所。我国《室内空气中氮氧化物卫生标准》明确提出：室内空气中NO_χ(以NO₂计)日平均最高允许质量浓度为0．10mg／m³。日本办公室用房标准规定室内NO_χ最高允许体积分数为0．10×10^-6，年平均体积分数为0．05×10^-6。这些标准的提出，对燃具的燃烧提出了相当高的要求。民用燃具是居民室内污染物的主要来源之一，而且常年运行(间歇式工作)。在民用燃具中燃气灶的燃烧产物直接排人室内，是最重要的污染源；对于热水器，虽然现在市场上销售的均为烟道式，但是近几年来发生的CO中毒事故表明，由于烟道局部阻塞、烟道安装位置不当以及热水器本身的问题，使得烟道式燃气热水器的燃烧产物并不能完全排至室外，这样燃气热水器就成了室内污染气体的又一来源。对于这两类燃具对室内环境的污染作用，国内的相关专家已经作了测试和研究，得出了不少有意义的结论^[6，7]。
　　对于燃气灶，一般情况下测试者将根据门窗开闭情况、抽烟机开启情况给出不同的测试结果，表6是测试结果之一。通常情况下，厨房的通风情况接近于开门、关窗、开抽烟机这一状态。可以发现在这一良好的通风状态下，厨房的NO_χ体积分数最大值达到了0．810×10^-6，8h平均体积分数达0．175×10^-6。由于居民用户每日均要使用燃气灶，故而NO_χ体积分数8h平均值与日平均值、8760h平均值相当，如果忽略燃具运行时间过长这一因素的影响，则8h平均值高于我国《室内空气中氮氧化物卫生标准》中日平均最高值，更高于日本办公用房室内NO_χ平均值限度。
表6 燃气灶对厨房空气NO_χ体积分数的影响^[8]

测试状态	使用时间/min	燃具热负荷	NOχ体积分数/10-6
			最大值	8h平均值
开门开窗	70	7.04	2.800	0.453
开门关窗、开抽烟机	70	6.73	0.810	0.175

　　对于热水器，我国专家给予了更为广泛的研究，文献^[9]对厨房NO_χ分布测试结果如表7，文献^[10]对室内NO_χ分布测试结果如表8。各种测试结果显示同一信息：燃气热水器的使用使得室内的NO_χ最高浓度超过了室内卫生标准。
表7 热水器对厨房空气NO_χ体积分数的影响^[9]

测试状态	30min内NOχ体积分数/10-6
开门开窗	8.2
关门关窗	23.1

表8 热水器对室内空气NO_χ质量浓度影响[10]mg/m³

测试状态	使用前	30min	60min
开窗	0.089±0.030	0.425±0.061	0.393±0.123
关窗	0.086±0.011	0.651±0.137	0.632±0.185

　　上述结果只对燃气灶、燃气热水器单独作用于室内这一工况进行了测试，实际生活中往往出现一段时间内燃气灶、燃气热水器同时或者交替工作的情况，这样室内的NO_χ的24h平均浓度将比其二者单独作用于室内有所提高。人们长期活动于这种环境对身体是极为有害的，因而当今世界发达或者较发达国家对这一问题给予了高度重视，制定了民用燃具NO_χ排放标准。我国也制定了《室内空气中氮氧化物卫生标准》。我国民用燃具行业没有大量开发应用低NO_χ燃具，其根本原因在于我们没有民用燃具NO_χ排放的强制性标准。因而，从室内环境、人体健康的角度出发，我们迫切需要制定民用燃具NO_χ排放的强制性标准。

4 民用燃具NO_χ排放控制技术简介

　　民用燃具NO_χ排放控制，不仅是大气环境保护与室内空气品质的单方面需求，而且已经有了可行的技术方案支持。国外对民用燃具的NO_χ控制提出了数种方案，这些方案包括：稀燃技术、分级燃烧技术、火焰冷却体内插技术、降火孔热强度技术、火孔优化技术、辐射燃烧技术、脉冲燃烧技术等，这些技术的应用效果见表9。
表9 国外现行民用燃具NO_χ控制方案

NOχ控制技术	排放NOχ体积分数/10-6	CO排放量	热效率
稀燃	20	减少	降低
分级燃烧	25	增加	降低
火焰冷却体内插	40	增加	降低
降火孔热强度	50	增加	增高
火孔优化	45	减少	增高
辐射燃烧	4	减少	增高
脉冲燃烧	20	增加	增高

　　上述NO_χ控制技术在国外已经实现了商业化应用，并且达到了很好的效果，如大阪煤气公司的低NO_χ热水器，其燃烧器燃烧容积热强度为13．26MW／m³，烟气中NO_χ折算成空气系数α=1时的体积分数可以达到50×10^-6以下。

5 结 论

　　(1)NO_χ是一种毒性很强的混合气体，虽然至今没有民用燃具燃烧产生的NO_χ使人致死的案例，但是从人体健康的角度出发，我们应当对期口以控制。
　　(2)大气中的NO_χ会形成光化学污染和酸雨现象，民用燃具的NO_χ排放量占全国NO_χ总排放量的0．5％左右，并有增加的趋势。
　　(3)燃烧产生的NO_χ对室内空气品质有较大的影响，现有燃具排放的NO_χ使室内NO_χ浓度超过了国家标准《室内空气中氮氧化物卫生标准》的规定值。
　　(4)国外已经有了比较成熟的NO_χ控制技术，我们可以借鉴利用。
　　总之，无论是从大气环境、室内环境、人体健康出发，还是从技术上的可行性出发，我们有必要制定强制性民用燃具NO_χ排放控制标准。

参考文献：

[1] 傅忠诚，要大荣，潘树源，等．制定燃具NO_χ排放标准的必要性[J]．煤气与热力，2003，(2)：73—75．
[2] 傅忠诚，徐 鹏，刘 彤．燃气热水器氮氧化物排放标准的探讨[J]．煤气与热力，2003，(4)：211—213，216．
[3] 森康夫．燃烧污染与环境保护[M]．广州：华南理工大学出版社，1989．
[4] GB6932—2001，家用燃气快速热水器[S]．
[5] 赵惠富．污染气体NO_χ的形成和控制[M]．北京：科学出版社，1993．
[6] 艾效逸，潘树源，傅忠诚，等．厨房空气中NO_χ和CO浓度的测试[J]．煤气与热力，2001，21(1)：13—15．
[7] 郭 全，傅忠诚，艾效逸，等．厨房污染的实验研究[J]．煤气与热力，2001，21(3)：203—207．
[8] 傅忠诚，艾效逸，郭 全，等．厨房及室内空气品质评价的标准和方法[J]．煤气与热力，2000，20(6)：414—416．
[9] 郭 全，傅忠诚，艾效逸，等．燃气快速热水器有害物排放及其对厨房环境污染的试验研究[J]．煤气与热力，1998，18(2)：40—43．
[10] 陈字炼，汪溪洁，顾呈华，等．燃气热水器对室内空气污染的研究[J]．中国卫生监督杂志，2002，9(6)：336—338． 


          (本文作者：杨庆泉，周庆芳，全惠君，薛茂梅 同济大学机械工程学院，上海200092)