氮氧化物（NOx）从哪里产生？
从三种生成途径到焚烧炉的特点，再到燃烧阶段削减与末端治理的区别
01 · DEFINITION
NOx究竟指什么？
氮氧化物（NOx）是氮与氧结合形成的气态化合物的统称。它在燃烧过程中生成，主要指一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO₂）。美国环境保护署（EPA）也把NO₂作为代表整个氮氧化物的指标。[3]
从烟囱排出的烟气中，NOx大部分是NO。EPA资料指出，燃烧烟气所含NOx中95%（体积）以上为NO。[1]NO排出后在大气中被氧化为NO₂，因此大气中NO₂的比例会上升。
| 种类 | 在烟气·大气中的特点 | 在排放管理中的定位 |
|---|---|---|
一氧化氮（NO） | 烟气NOx的大部分[1] | 折算为NO₂后计入NOx浓度 |
二氧化氮（NO₂） | 烟气中含量少，在大气中由NO氧化而增加。刺激呼吸道，参与臭氧和细颗粒物的生成[3] | 代表整个NOx的指标物质[3] |
氧化亚氮（N₂O） | 燃煤资料中为数ppm级的少量生成[1] | 被归类为温室气体，与NO·NO₂分开处理[4] |
分子模型（示意图）中，蓝色球为氮（N），红色球为氧（O）。
解读排放标准数值时，应先确认折算方式。韩国《大气环境保全法施行规则》附表8规定，氮氧化物以NO₂计的浓度（ppm）表示；焚烧设施采用折算到基准氧含量12%的数值。[5]也就是说，不是把监测仪表的读数直接与标准比较，而是用折算后的数值比较。
不可以。韩国标准是折算为NO₂的NOx浓度。[5]比较前，应确认仪表只测NO还是同时测NO和NO₂，以及是否已进行NO₂折算和基准氧含量折算。
图1. 表示燃烧空气和垃圾所含氮进入焚烧炉燃烧室的剖面（示意图）
蓝色球为氮（N），红色球为氧（O），灰色球为碳（C），白色球为氢（H）。空气中的氮以N₂分子形式存在，垃圾中的氮以与碳、氢结合的化合物形式存在（示意表达）。炉排下方和炉墙处的蓝色气流表示送入燃烧空气，并非SNCR还原剂喷射。
资料来源：基于MICROONE自有技术资料 · AI辅助3D示意图
02 · FORMATION
NOx在燃烧过程中通过哪些途径生成？
按氮的来源，NOx分为三种生成途径。空气中的氮在高温下反应生成热力型NOx，燃料所含的氮反应生成燃料型NOx，在火焰初期反应生成快速型NOx。[6]
图2. 热力型·燃料型·快速型NOx生成途径的概念比较
资料来源：基于MICROONE自有技术资料 · AI辅助3D示意图
三种途径对温度的敏感程度不同。因此，即使改变同样的燃烧条件，有的途径NOx会减少，有的则基本不变。下图仅表示提高燃烧温度时三种途径生成量的变化趋势。
图3. 燃烧温度与NOx生成趋势（示意图）。此为说明趋势的概念图，并非实测值。
资料来源：基于EPA AP-42[1]、NPTEL教学资料[7] · MICROONE绘制
- 热力型NOx：温度越高，增加越陡。[1]约1,300°C以下生成量较小。[7]
- 燃料型NOx：受温度影响小，曲线接近水平。[7]生成量取决于燃料·垃圾的含氮量。[1]
- 快速型NOx：随温度缓慢增加。[7]
总之，调节燃烧温度对热力型NOx效果大；而燃料型NOx受垃圾含氮量的影响大于温度。纵轴表示三种途径各自的相对趋势，曲线之间不能比较大小。
03 · INCINERATOR
焚烧炉中哪种途径的NOx更多？
焚烧炉中，来自垃圾所含氮的燃料型NOx往往占比较大。美国EPA资料指出，城市生活垃圾焚烧炉（MWC）产生的NOx中，70~80%与垃圾所含的氮有关。[2]同一资料还说明，垃圾中的氮在较低温度（低于1,090°C）下也会转化为NOx。[2]其余部分来自空气中的氮在高温下反应的途径。[2]
这一数值以美国城市生活垃圾焚烧炉为基准。工业废物、医疗废物焚烧炉或具体工厂，其占比可能因垃圾性质和燃烧方式而不同。
垃圾性质变化，NOx也会随之波动
燃料型NOx取决于垃圾的含氮量。因此，一般而言，进厂垃圾的性质改变时，NOx浓度也可能随之变化。把运行记录与垃圾进厂记录对照分析，有助于缩小NOx波动的原因范围。
燃烧条件不能只看NOx来确定
焚烧炉是通过控制温度、氧（空气比）和停留时间使垃圾完全燃烧的工艺。为降低NOx而降低燃烧温度或氧量，可能导致一氧化碳（CO）和未燃物增加。因此，NOx削减必须结合燃烧状态一并评估。
04 · IMPACT
为什么要控制NOx？
因为NOx会在大气中与其他物质反应，生成臭氧和细颗粒物。EPA指出，NO₂与其他NOx会和空气中的化学物质反应，形成颗粒物和臭氧。[3]它还会与水、氧反应形成酸雨。[3]
对人体而言，高浓度NO₂会刺激呼吸道，哮喘患者、儿童和老年人尤其易受影响。[3]EPA指出NO₂主要来源于燃料燃烧，并将发电厂列为排放源。[3]焚烧炉以及水泥、钢铁、炼油·化工等在高温下燃烧燃料或原料的设施，都属于同类排放源。
韩国按设施种类、规模和建设时间分别规定NOx排放限值。[5]限值数值和监管结构将在比较SNCR与SCR的后续专栏中另行整理。
05 · CONTROL
燃烧阶段削减与末端治理有什么不同？
最大的区别在于介入的时机。燃烧阶段削减是通过改变NOx的生成条件来减少生成量，末端治理则是从烟气中去除已生成的NOx。
燃烧阶段削减包括降低过量空气、分级送风的分级燃烧、烟气再循环（FGR）和低氮燃烧器。烟气再循环是让再循环烟气稀释火焰、降低温度，从而抑制热力型NOx。[6]末端治理的代表是SNCR（选择性非催化还原）和SCR（选择性催化还原）。两者都利用氨或尿素等还原剂把NOx转化为氮气。
图4. 燃烧阶段削减与SNCR·SCR的介入位置（示意图）。与实际设备的尺寸、温度和布置不同。
资料来源：基于MICROONE自有技术资料 · AI辅助3D示意图
不是。这是为了说明介入位置，同时画出SNCR和除尘后端SCR的配置示例。实际设备配置以及是否组合使用，取决于现场条件。SNCR虽然也会布置在燃烧室内或出口附近，但按“减少已生成NOx”的功能划分，属于燃烧后削减技术。
| 比较项目 | 燃烧阶段削减 | 末端治理：SNCR | 末端治理：SCR |
|---|---|---|---|
| 介入时机 | 在生成NOx的燃烧室内 | 针对焚烧炉内高温区已生成的NOx | 燃烧设备后端的烟气 |
| 方法 | 调节空气比、送风方式和温度，烟气再循环，低氮燃烧器 | 不用催化剂，向高温区喷入氨类还原剂[8] | 利用还原剂和催化剂层把NOx转化为氮气和水[9] |
| 工作温度 | 取决于燃烧条件 | 以氨计，约870~1,100°C为最佳范围[8] | 通常催化剂约为250~427°C[9] |
| 焚烧炉资料中的削减幅度 | 城市生活垃圾焚烧炉中为小到中等水平[2] | 美国城市生活垃圾焚烧炉资料中为45%[2] | 最高观察到80%，可能因催化剂中毒和老化而变化[2] |
| 注意事项 | 在燃料型NOx占比大的焚烧炉中效果有限，需同时确认燃烧状态（CO·未燃物） | 偏离温度范围时效率可能下降，需控制未反应的氨（氨逃逸）[8] | 需保证催化剂活性温度；催化剂活性下降时，氨逃逸可能增加[9] |
焚烧炉仅靠燃烧改进就够了吗？
很多报告指出，焚烧炉仅靠燃烧改进难以大幅降低NOx。EPA资料的结论是，由于燃料型NOx占比大，燃烧控制的效果停留在小到中等水平。[2]但这并不意味着燃烧改进没有必要。燃煤锅炉资料也显示，低氮燃烧器与SNCR联用时的削减范围（50~80%）高于单独使用低氮燃烧器（35~55%）或单独使用SNCR（30~60%）。[1]两种方式往往不是二选一，而是组合使用。
末端治理的关键在于在哪里获得所需温度
SNCR需要有可供还原剂反应的高温区（以氨计约870~1,100°C）。[8]SCR通常需要约250~427°C的催化反应温度。[9]在除尘设备后烟气温度低于该范围的焚烧炉中，使用常规SCR有时需要考虑再加热。SCR设在布袋除尘器之前还是之后，已在焚烧炉烟气处理系统按什么顺序配置？中讨论；两种方式的效率与成本比较将在后续专栏中介绍。
06 · CHECKPOINTS
排查NOx问题时按什么顺序进行？
选择削减方式之前，先要按顺序弄清现状。第1~3项是了解现状的步骤，第4~6项是选择方案的步骤。
- 确认测量值的读法：确认是否区分了NO与NOx，是否进行了NO₂折算和基准氧含量折算（按韩国规定，焚烧设施为12%）。[5]
- 确认浓度波动：结合运行记录，查看NOx随垃圾性质和负荷的波动幅度。
- 确认燃烧条件：查看燃烧室温度、氧（空气比）、停留时间和CO是否在设计范围内。
- 确认燃烧改进的空间：结合燃烧稳定性，评估通过调节送风或再循环可降低的幅度。
- 确认可进行末端治理的区段：在设备布置图上确认可使用SNCR的高温区（以氨计约870~1,100°C）[8]以及可获得SCR催化反应温度的位置。
- 确认后端设备条件： 布袋除尘器的入口温度、粉尘性质和酸性气体条件是否与末端治理方式匹配。除尘方式的区别见专栏静电除尘器（ESP）与布袋除尘器有什么区别？。
FAQ
常见问题
焚烧炉中热力型NOx也生成很多吗？
不是。美国城市生活垃圾焚烧炉资料中，70~80%的NOx与垃圾所含的氮有关。[2]其余部分来自空气中的氮反应的途径。占比可能因垃圾性质和燃烧方式而不同。
- 美国环境保护署（U.S. EPA），“AP-42, Section 1.1 Bituminous and Subbituminous Coal Combustion”（烟煤和次烟煤燃烧排放因子）
- 美国环境保护署（U.S. EPA），“AP-42, Chapter 2.1 Refuse Combustion”（垃圾焚烧排放因子）
- 美国环境保护署（U.S. EPA），“Basic Information about NO2”（NO₂基本信息）
- 美国环境保护署（U.S. EPA），“Overview of Greenhouse Gases”（温室气体概述）
- 韩国国家法令信息中心，《大气环境保全法施行规则》附表8“大气污染物排放允许标准”（韩文）
- 美国环境保护署（U.S. EPA），“AP-42, Section 1.4 Natural Gas Combustion”（天然气燃烧排放因子）
- NPTEL，“Module 7: Combustion and Environment”（教学资料）
- 美国环境保护署（U.S. EPA），“Air Pollution Control Cost Manual, 7th Edition, Chapter 1 Selective Noncatalytic Reduction”（选择性非催化还原），2019
- 美国环境保护署（U.S. EPA），“Air Pollution Control Technology Fact Sheet: Selective Catalytic Reduction (SCR)”（选择性催化还原技术简介）