國(guó)內(nèi)外燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比淺析

白尊亮

上海市節(jié)能減排中心有限公司

0 引言

燃?xì)獍l(fā)電具有清潔、高效的特點(diǎn)，近年來(lái)我國(guó)燃機(jī)電廠(chǎng)裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，有力地推動(dòng)了我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。由于燃燒溫度高、過(guò)量空氣系數(shù)大等工藝特點(diǎn)，燃機(jī)電廠(chǎng)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的“熱力型”NOx[1]，該NOx往往比燃煤電廠(chǎng)具有更高的氮氧化物排放強(qiáng)度。相比國(guó)外發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，我國(guó)對(duì)燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物的控制起步較晚，在目前裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大、地區(qū)環(huán)境容量受限的發(fā)展背景下，需密切關(guān)注燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放問(wèn)題，并借鑒國(guó)外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。

1 各地區(qū)和國(guó)家燃機(jī)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

1.1 我國(guó)燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

目前，適用于我國(guó)燃機(jī)電廠(chǎng)大氣污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)是《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)。在此標(biāo)準(zhǔn)中，燃?xì)廨啓C(jī)組氮氧化物排放限值按燃料類(lèi)型設(shè)定，以油、天然氣和其他氣體為燃料的，氮氧化物排放限值分別為150 mg/m3、50 mg/m3和 120 mg/m3，限值形式為單一的濃度限值，即干煙氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)值。此外，實(shí)測(cè)的排放值需先折算為在15%基準(zhǔn)氧含量條件下的排放值，然后再與限值數(shù)據(jù)對(duì)比。

《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》于1991年首次發(fā)布，之后，于1996年、2003年和2011年進(jìn)行了3次修訂[2][3][4]，各版本對(duì)氮氧化物的排放限制在逐步改變。1991初版標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)氮氧化物的排放進(jìn)行限制。1996年修訂版本首次規(guī)定了氮氧化物標(biāo)準(zhǔn)限值，但僅針對(duì)額定蒸發(fā)量大于1 000 t/h的煤粉鍋爐。2003年修訂版本則有較大的變化，主要有三部分：一是擴(kuò)大了覆蓋范圍，涵蓋了額定蒸發(fā)量在65 t/h以上的所有鍋爐，即基本上所有火電廠(chǎng)的鍋爐都被納入標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)了；二是首次對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)氮氧化物的排放提出了明確的要求；三是燃料方面的分類(lèi)更為細(xì)致，增加了燃油、燃?xì)夂腿加貌煌瑩]發(fā)分含量煤炭的火電廠(chǎng)的氮氧化物排放限值。而2011年修訂版本除進(jìn)一步提高氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)外，還增加了重點(diǎn)地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)要求。重點(diǎn)地區(qū)是指國(guó)土開(kāi)發(fā)密度高、大氣環(huán)境容量小、生態(tài)環(huán)境脆弱等容易發(fā)生嚴(yán)重大氣污染問(wèn)題的地區(qū)。

不同版本的《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放限值見(jiàn)表1。

表1 GB13223各版本對(duì)燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放限值規(guī)定

1.2 美國(guó)燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

1970年，美國(guó)通過(guò)了第一部關(guān)于空氣污染控制的法規(guī)《清潔空氣法》(Clean Air Act)，從法律上規(guī)定了由美國(guó)環(huán)保署USEPA制定全國(guó)統(tǒng)一的新建工業(yè)污染源排放標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此，美國(guó)環(huán)保署制定了《新污染源行為標(biāo)準(zhǔn)》（New Sources Performance Standard，NSPS），以此作為全國(guó)最低限度的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則。該標(biāo)準(zhǔn)制定的各排放限值基于“最佳示范技術(shù)”，同時(shí)規(guī)定在考慮技術(shù)和運(yùn)營(yíng)水平的基礎(chǔ)上可適度嚴(yán)格，從而給聯(lián)邦各州精細(xì)化管理留有足夠的靈活度。

對(duì)燃機(jī)電廠(chǎng)的排放，美國(guó)環(huán)保署從1977年開(kāi)始執(zhí)行《固定式燃?xì)廨啓C(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)》（Standards of Performance for Stationary Combustion Turbines）[5]，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組的NOx和SO2排放限值進(jìn)行了規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)也是美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)40CFR第60部分。標(biāo)準(zhǔn)分為GG和KKKK兩個(gè)子部分：GG子部分涵蓋了1977年10月3日之后、2005年2月18日之前建造的燃機(jī)機(jī)組；KKKK子部分則涵蓋了2005年2月18日之后開(kāi)始建造的燃?xì)廨啓C(jī)和相關(guān)的余熱鍋爐。該標(biāo)準(zhǔn)于1982年、2003年和2005年進(jìn)行了3次修訂，其中，在2005年修訂的版本中，首次引入了績(jī)效排放的概念：即以單位發(fā)電量或單位熱量輸入給定排放限值，表達(dá)為排放量/發(fā)電量（lb/MWh）或排放量/機(jī)組輸入的熱量（ng/J）的形式，同時(shí)，也保留了以濃度形式給定的排放限值，表達(dá)為污染物在15%氧含量條件下百萬(wàn)分之體積濃度（ppmv）的形式。標(biāo)準(zhǔn)允許燃機(jī)電廠(chǎng)業(yè)主選擇遵守基于績(jī)效或基于濃度的排放限值。

固定式燃?xì)廨啓C(jī)NOX排放限值見(jiàn)表2。

1.3 歐盟燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

1988年，歐盟前身歐共體制定了《大型燃燒企業(yè)指令》（Large combustion plant directive 88/609/EEC），首次針對(duì)大型燃燒企業(yè)制定了氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)燃料類(lèi)型制定了排放限值。該指令于1994年和2001年進(jìn)行了兩次修訂。目前執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為《大型燃燒企業(yè)大氣污染物排放限制指令》（the limitation of emissions of certain pollutants into the air from large combustion plants 2001/80/EC）[6]，該指令主要針對(duì)2000年以后新建的或改建的、裝機(jī)容量超過(guò)50 MW的大型燃燒企業(yè)，其中，天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組NOX排放限值為50 mg/m3、其他氣態(tài)燃料和燃油機(jī)組NOx排放限值為120 mg/m3。NOx排放限值定義為煙氣含氧量在15%、機(jī)組負(fù)荷在70%及以上時(shí)的排放限值，詳見(jiàn)表3。同時(shí)，該指令規(guī)定，歐盟各成員國(guó)參考該指令標(biāo)準(zhǔn)制定本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，但本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不得低于該指令標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)本國(guó)政府還未制定出自己的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)則使用該標(biāo)準(zhǔn)。

表3 歐盟燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放限值

注：（1）天然氣主要成分為甲烷，惰性成分和雜質(zhì)不超過(guò)20%。（2）如出現(xiàn)以下情況則排放限值為75 mg/m3：熱電聯(lián)產(chǎn)且熱效率大于75%；聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電效率大于55%；機(jī)械驅(qū)動(dòng)用燃機(jī)。（3）僅適用燃用輕油的燃機(jī)。

表2 美國(guó)固定式燃?xì)廨啓C(jī)NOX排放限值

1.4 日本燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

1968年，日本在原有《煤煙排放控制法》的基礎(chǔ)上制定了《大氣污染防治法》。1971年7月,日本成立了環(huán)境省，加大對(duì)環(huán)境污染的管理力度和范圍。1972年和1973年又進(jìn)一步修訂了《大氣污染防治法》,新修訂的法案除單個(gè)污染源排放限值外，還開(kāi)始實(shí)施總量控制，規(guī)定了區(qū)域允許的排放總量。

1973年8月的《大氣污染防治法》制定了日本燃機(jī)電廠(chǎng)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)燃燒器燃料消耗量在501 t/h以上的燃?xì)廨啓C(jī)的NOx排放做了規(guī)定[7]，期間,對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了若干次強(qiáng)化，具體排放標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

2 排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

中美歐日各國(guó)對(duì)燃機(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展經(jīng)歷了不同的過(guò)程，以燃用天然氣的新建燃機(jī)機(jī)組為例，各個(gè)國(guó)家NOx排放限值對(duì)比見(jiàn)表5。從表中可看出，各個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基準(zhǔn)氧含量條件基本一致，我國(guó)GB13223標(biāo)準(zhǔn)中NOx的限值嚴(yán)于大部分國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，僅較美國(guó)部分標(biāo)準(zhǔn)略為寬松，意味著我國(guó)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)已向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)看齊，并達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

表4 日本燃?xì)廨啓C(jī)組NOx排放標(biāo)準(zhǔn)

表5 國(guó)內(nèi)外以天然氣為燃料的新建燃機(jī)機(jī)組NOx現(xiàn)狀排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

3 國(guó)外經(jīng)驗(yàn)借鑒

從NOx排放限值看，我國(guó)是目前世界上主要經(jīng)濟(jì)體中最嚴(yán)格的，然而，從排放控制方式和衡量指標(biāo)上看，和其他國(guó)家和地區(qū)仍存在一些差異。

1）美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了受控對(duì)象的實(shí)際情況，如按燃料、受控單元的建設(shè)類(lèi)型、輸出功率甚至使用位置的不同，執(zhí)行多種形式的排放限值。而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在制、修訂過(guò)程中缺乏完善的技術(shù)和成本—效益分析支撐，僅按燃料種類(lèi)和燃機(jī)運(yùn)行年齡進(jìn)行分類(lèi)，“一刀切”的做法雖然執(zhí)行簡(jiǎn)單，但容易造成受控電廠(chǎng)受到與自身不匹配的“超前”限值規(guī)定，導(dǎo)致因環(huán)保壓力的增大而增加額外的成本。

2）美國(guó)火電廠(chǎng)排放標(biāo)準(zhǔn)中采用的排放限值以基于產(chǎn)出的績(jī)效限值為主，包括基于熱量輸入、功率輸出的績(jī)效限值，績(jī)效限值以30天滑動(dòng)平均尺度為考核周期?；诋a(chǎn)出的限值考慮了減排措施的效益，鼓勵(lì)受控對(duì)象采用諸如提高燃燒效率、回收有用熱量提高燃機(jī)整體熱效率等方式來(lái)減少化石燃料的使用，體現(xiàn)了節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境兼顧的先進(jìn)理念，有利于減少受控對(duì)象的合規(guī)成本。

3）歐盟、日本等國(guó)均明確中長(zhǎng)期大氣污染物排放總量控制目標(biāo)。在早期的氮氧化物排放控制上，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)均以排放濃度作為衡量手段。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，歐洲在80年代就同時(shí)進(jìn)行了濃度控制和總量控制，更側(cè)重考量地區(qū)的環(huán)境總承受能力。日本也在70年代開(kāi)始實(shí)施總量控制，規(guī)定了區(qū)域允許排放總量。反觀我國(guó)尚未對(duì)類(lèi)似燃機(jī)電廠(chǎng)的工業(yè)固定排放源總量目標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)電廠(chǎng)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)在限值方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比已處于同一水平，但在燃機(jī)裝機(jī)規(guī)模持續(xù)保持增長(zhǎng)的同時(shí)，氮氧化物排放不斷增加的問(wèn)題隨之出現(xiàn)。僅對(duì)燃機(jī)電廠(chǎng)實(shí)行簡(jiǎn)單的濃度排放標(biāo)準(zhǔn)難以改善和緩解環(huán)境壓力，因此需借鑒國(guó)外類(lèi)似經(jīng)驗(yàn)制定標(biāo)準(zhǔn)，在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)應(yīng)考慮績(jī)效排放標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)結(jié)合污染物減排和電廠(chǎng)節(jié)能提效，明確受控對(duì)象氮氧化物排放總量控制目標(biāo)等，實(shí)現(xiàn)火電污染物減排目標(biāo)和電力供應(yīng)保障目標(biāo)的雙贏。