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摘 要：本文主要以工业锅炉烟气中氮氧化物在线监测为讨论对象，分析了工业锅炉中氮氧化物的生成机理和影响氮氧化物排放量的参数，根据各参数的监测方法确定了氮氧化物在线监测系统应同时监测烟气中的氧量、排烟温度；本文还对监测系统的安全性的影响因素进行了分析，提出了安全监测的建议和措施。
关键词：氮氧化物；在线监测参数；安全性
氮氧化物（NOx）是形成酸雨、破坏大气环境的主要污染物，对人体健康和动植物生长有直接的危害[1]；另外空气中的NOx 经过复杂的化学反应会导致PM2.5与O3含量的增加，使空气的质量下降，因此NOx减排是改善PM2.5与O3污染的重要途径。工业锅炉是我国重要热能动力设备[2]，它既是耗能大户，也是污染排放大户，工业锅炉氮氧化物排放9%[3]。
新建锅炉安装调试时，环保排放达标，但随着锅炉运行时间的增长，机械的老化等各种因素都会使燃烧状态发生变化，排放值就会变化。以上海为例，根据《2016 年上海市工业锅炉大气污染物排放清单》可知，氮氧化物是燃油、燃气锅炉超标的主要因素，因此要将控制氮氧化物的排放作为重点。而现有的燃烧器及锅炉控制系统都不具有NOx的检测点，更不参与锅炉控制调节。政府部门、锅炉用户对真实的NOx排放数据不能实时的监控，所以实现氮氧化物的在线监测是非常有必要的。在NOx的监测过程中，不同的锅炉燃烧工况，所检测到NOx的浓度不相同，烟气中的氧量、排烟温度等因素对NOx的浓度有重要的影响。本文以工业锅炉氮氧化物在线监测参数及安全性为讨论对象，研究影响氮氧化物在线监测参数以及如何提高监测的安全性。
1.氮氧化物（NOx）生成机理
燃料燃烧过程中N元素与空气中的O2生成的氮氧化物主要是NO和N02，两者统称为NOx[4]。燃料燃烧过程中，根据N的来源和生成路径不同，NOx可分为以下三种： 热力型NOx，快速型NOx，燃料型NOx，对于燃煤的工业锅炉三种类型的NOx都存在且燃料型NOx占大部分；对于燃气、燃油的工业锅炉，由于燃料中N元素含量较少，所以热力型NOx占大部分。
热力型NOx主要由空气中N2与O2高温环境发生氧化反应下生成的，研究表明，在温度高于1800K时，热力型NOx才大量生成 [5]。快速型NOx[6]主要在富燃料缺氧条件下生成，当锅炉中过量空气系数a 燃烧过程中产生的三种NOx中，热力型NOx约占NOx生成总量的15～20%，快速型NOx约占0～5%，燃料型NOx约占75～80%[9]。因此，应将影响热力型NOx和燃料型NOx生成的因素作为研究重点。
研究表明，燃烧温度T、氧量O2、煤中氮元素的含量、燃料比FC/V、过量空气系数a和停留时间，是影响NOx生成的6个相关的参数；对于燃油燃气的工业锅炉来说，燃烧温度T、氧量O2、过量空气系数a和燃料停留时间是影响NOx生成主要的参数 [10]。
锅炉中PM2.5主要由两种污染物组成：一是烟气中漂浮的微小颗粒物；二是烟气中漂浮的细微的胶体，这种胶体是由NOx溶于烟气中的水雾经光线的照射生成。燃煤锅炉每立方米烟氣含水汽约4%，燃气锅炉每立方米烟气含水汽约17%，因此，燃气锅炉烟气中NOx溶于水雾中的几率远大于燃煤锅炉。特别是燃天然气冷凝式锅炉，由于排烟温度较低，烟气中部分水汽已经冷凝成水雾随烟气一起排入大气中，这更大大增加了NOx溶于水雾中的几率，也增加了PM2.5的生成量[11]，所以排烟温度也是对NOx监测的一个重要的参数。
燃烧温度和停留时间通过锅炉的控制系统可以监测，所以在工业锅炉尾部烟气的NOx的监测系统中，只需监测烟气氧量、排烟温度和NOx的浓度即可。
2.各种参数对氮氧化物排放的影响
2.1 烟气氧量的影响
实际空气供给量与燃料燃烧所需的理论空气需求量的比值称为过量空气系数。燃料的燃烧过程实际上是燃料中的可燃成分（C、H等）与氧气发生反应的过程。在燃料燃烧的过程中必须使进入锅炉的空气量与燃料量保持一个最佳比例若过量空气系数大，产生的烟气量较多，大量的烟气带走较多的热量，使炉膛的温度降低，不但会影响燃烧，还会增加排烟热损失和烟尘量：若过量空气系数太小，由于氧气的量不足，则燃料不能充分燃烧，则化学未完全燃烧损失就大。因此检测烟气中氧气的含量对工业锅炉控制燃烧、实现安全、高效、低污染排放等方面是很重要的。为了使锅炉保持最佳燃烧工况，必须使进入锅炉的空气量与燃料量的比例合适。
由于空气中含有多种成分，对于过量空气系数测量方法过于复杂，所以目前只能通过间接测量法来计算过量空气系数：经研究发量空气系数的计算公式为ɑ≈21/（21-O2），由公式可见过量空气系数与烟气中氧气含量有确定（单值）的变化关系，且与受燃料性质几乎没有关系，所以通常采用的监测过剩空气系数的方法是连续测量干烟气中氧气含量，由此来判断燃料及炉膛的燃烧状况，控制进入炉膛的空气量，维持最佳燃料与风量的比例，实现优化燃烧，既能节约能源又能减少环境污染。另一方面，随着国家对环境保护力度的不断加大及环保法规的要求越来越严格，污染物排放量的控制也日益严格和科学化，这就对在线监测系统测量锅炉排放烟气中的污染物含量的准确性要求越来越高。
在环境保护监测方面，不同的燃烧工况下测得的污染物的浓度是不同的，当过量空气系数较大时测得的污染物的浓度较低，但是这种工况下烟气的排放量增加，锅炉的效率下降，不能达到节能的效果，所以需要规定一个基准氧含量，由于各工业燃烧工艺对氧量的需求不同，所以规定的氧基准通常就是以刚好充分燃烧时的排放浓度为准，实测的排放物的浓度必须这算为基准氧含量浓度，经过折算后，能够标准化污染物的排放值，使数值具有可比性。测得排放污染气体中氧含量，检测排放的气体污染物浓度是否超过规定的排放浓度，然后计算折算浓度，比较折算后的浓度是否高于国家环保规定中的排放浓度。
关键词：氮氧化物；在线监测参数；安全性
氮氧化物（NOx）是形成酸雨、破坏大气环境的主要污染物，对人体健康和动植物生长有直接的危害[1]；另外空气中的NOx 经过复杂的化学反应会导致PM2.5与O3含量的增加，使空气的质量下降，因此NOx减排是改善PM2.5与O3污染的重要途径。工业锅炉是我国重要热能动力设备[2]，它既是耗能大户，也是污染排放大户，工业锅炉氮氧化物排放9%[3]。
新建锅炉安装调试时，环保排放达标，但随着锅炉运行时间的增长，机械的老化等各种因素都会使燃烧状态发生变化，排放值就会变化。以上海为例，根据《2016 年上海市工业锅炉大气污染物排放清单》可知，氮氧化物是燃油、燃气锅炉超标的主要因素，因此要将控制氮氧化物的排放作为重点。而现有的燃烧器及锅炉控制系统都不具有NOx的检测点，更不参与锅炉控制调节。政府部门、锅炉用户对真实的NOx排放数据不能实时的监控，所以实现氮氧化物的在线监测是非常有必要的。在NOx的监测过程中，不同的锅炉燃烧工况，所检测到NOx的浓度不相同，烟气中的氧量、排烟温度等因素对NOx的浓度有重要的影响。本文以工业锅炉氮氧化物在线监测参数及安全性为讨论对象，研究影响氮氧化物在线监测参数以及如何提高监测的安全性。
1.氮氧化物（NOx）生成机理
燃料燃烧过程中N元素与空气中的O2生成的氮氧化物主要是NO和N02，两者统称为NOx[4]。燃料燃烧过程中，根据N的来源和生成路径不同，NOx可分为以下三种： 热力型NOx，快速型NOx，燃料型NOx，对于燃煤的工业锅炉三种类型的NOx都存在且燃料型NOx占大部分；对于燃气、燃油的工业锅炉，由于燃料中N元素含量较少，所以热力型NOx占大部分。
热力型NOx主要由空气中N2与O2高温环境发生氧化反应下生成的，研究表明，在温度高于1800K时，热力型NOx才大量生成 [5]。快速型NOx[6]主要在富燃料缺氧条件下生成，当锅炉中过量空气系数a
研究表明，燃烧温度T、氧量O2、煤中氮元素的含量、燃料比FC/V、过量空气系数a和停留时间，是影响NOx生成的6个相关的参数；对于燃油燃气的工业锅炉来说，燃烧温度T、氧量O2、过量空气系数a和燃料停留时间是影响NOx生成主要的参数 [10]。
锅炉中PM2.5主要由两种污染物组成：一是烟气中漂浮的微小颗粒物；二是烟气中漂浮的细微的胶体，这种胶体是由NOx溶于烟气中的水雾经光线的照射生成。燃煤锅炉每立方米烟氣含水汽约4%，燃气锅炉每立方米烟气含水汽约17%，因此，燃气锅炉烟气中NOx溶于水雾中的几率远大于燃煤锅炉。特别是燃天然气冷凝式锅炉，由于排烟温度较低，烟气中部分水汽已经冷凝成水雾随烟气一起排入大气中，这更大大增加了NOx溶于水雾中的几率，也增加了PM2.5的生成量[11]，所以排烟温度也是对NOx监测的一个重要的参数。
燃烧温度和停留时间通过锅炉的控制系统可以监测，所以在工业锅炉尾部烟气的NOx的监测系统中，只需监测烟气氧量、排烟温度和NOx的浓度即可。
2.各种参数对氮氧化物排放的影响
2.1 烟气氧量的影响
实际空气供给量与燃料燃烧所需的理论空气需求量的比值称为过量空气系数。燃料的燃烧过程实际上是燃料中的可燃成分（C、H等）与氧气发生反应的过程。在燃料燃烧的过程中必须使进入锅炉的空气量与燃料量保持一个最佳比例若过量空气系数大，产生的烟气量较多，大量的烟气带走较多的热量，使炉膛的温度降低，不但会影响燃烧，还会增加排烟热损失和烟尘量：若过量空气系数太小，由于氧气的量不足，则燃料不能充分燃烧，则化学未完全燃烧损失就大。因此检测烟气中氧气的含量对工业锅炉控制燃烧、实现安全、高效、低污染排放等方面是很重要的。为了使锅炉保持最佳燃烧工况，必须使进入锅炉的空气量与燃料量的比例合适。
由于空气中含有多种成分，对于过量空气系数测量方法过于复杂，所以目前只能通过间接测量法来计算过量空气系数：经研究发量空气系数的计算公式为ɑ≈21/（21-O2），由公式可见过量空气系数与烟气中氧气含量有确定（单值）的变化关系，且与受燃料性质几乎没有关系，所以通常采用的监测过剩空气系数的方法是连续测量干烟气中氧气含量，由此来判断燃料及炉膛的燃烧状况，控制进入炉膛的空气量，维持最佳燃料与风量的比例，实现优化燃烧，既能节约能源又能减少环境污染。另一方面，随着国家对环境保护力度的不断加大及环保法规的要求越来越严格，污染物排放量的控制也日益严格和科学化，这就对在线监测系统测量锅炉排放烟气中的污染物含量的准确性要求越来越高。
在环境保护监测方面，不同的燃烧工况下测得的污染物的浓度是不同的，当过量空气系数较大时测得的污染物的浓度较低，但是这种工况下烟气的排放量增加，锅炉的效率下降，不能达到节能的效果，所以需要规定一个基准氧含量，由于各工业燃烧工艺对氧量的需求不同，所以规定的氧基准通常就是以刚好充分燃烧时的排放浓度为准，实测的排放物的浓度必须这算为基准氧含量浓度，经过折算后，能够标准化污染物的排放值，使数值具有可比性。测得排放污染气体中氧含量，检测排放的气体污染物浓度是否超过规定的排放浓度，然后计算折算浓度，比较折算后的浓度是否高于国家环保规定中的排放浓度。