超低排放背景下煤電機組氨管控存在的問題及對策探析

胡耘，張明 ＊，朱法華，莫華，吳家玉

（1.國電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司，國家環(huán)境保護(hù)大氣物理模擬與污染控制重點實驗室，江蘇南京 210031；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心，北京 100012）

引言

近年來，我國采取一系列強有力的措施，堅決打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，大氣污染物排放量逐年下降，環(huán)境空氣質(zhì)量顯著改善，大氣污染防治取得顯著成效[1,2]。在此過程中，燃煤發(fā)電作為最大的煤炭消費和大氣污染物排放行業(yè)，率先實施了世界上最嚴(yán)格的超低排放限值[3]，為環(huán)境空氣質(zhì)量改善做出了突出貢獻(xiàn)[4]，也為其他行業(yè)超低排放有序推進(jìn)起到了示范作用。

氮氧化物是火電行業(yè)超低排放的重點控制污染物。我國煤電機組氮氧化物脫除技術(shù)主要采用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，部分循環(huán)流化床和少數(shù)燃煤機組采用選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)或者SNCR-SCR 聯(lián)合脫硝技術(shù)，其基本原理均是通過氨與氮氧化物反應(yīng)生成氮氣和水，達(dá)到去除氮氧化物的效果。受現(xiàn)有氮氧化物監(jiān)測、噴氨控制技術(shù)的反饋時效和控制精度等因素的限制，為提高氮氧化物達(dá)標(biāo)排放保證性，企業(yè)在實際運行中往往以增加噴氨量的方式保證較高的脫硝效率，過量噴氨現(xiàn)象普遍存在。然而，這種運行方式雖然在一定程度上提升了氮氧化物達(dá)標(biāo)排放的可靠性，卻也造成了氨逃逸量升高、空預(yù)器和除塵器等設(shè)備堵塞、物料浪費嚴(yán)重等問題，反而增加了后續(xù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的難度和人力物力投入。

氨作為大氣中堿性氣態(tài)物質(zhì)和顆粒物銨鹽的唯一來源，在二次無機鹽生成中起著重要作用[5]。氨排入大氣后與二氧化硫轉(zhuǎn)化形成的硫酸和氮氧化物轉(zhuǎn)化形成的硝酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的硫酸銨和硝酸銨等二次無機顆粒物[6]可占到PM2.5質(zhì)量濃度的30%～70%[7]，氨在大氣成霾過程中的重要作用近年來不斷得到證實[8,9]。我國氨年排放量大約在1000萬t，超過歐洲和美國的總和，其中大約90%為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖所致[10]。近年來，隨著煤電機組超低排放實施過程中過量噴氨和氨逃逸現(xiàn)象日益顯現(xiàn)[11]，類似情形也陸續(xù)出現(xiàn)在鋼鐵、水泥等其他采用SCR 工藝脫硝的行業(yè)中，造成工業(yè)氨排放水平上升。如未引起足夠重視，將有可能抵消超低排放帶來的顆粒物減排效益。

1 我國煤電機組脫硝現(xiàn)狀及氨使用特點

1.1 氮氧化物排放管理政策和標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)，治理設(shè)施已接近全覆蓋

1996 年修訂頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223—1996）首次規(guī)定了火電廠氮氧化物排放限值，機組采用低氮燃燒技術(shù)即可滿足1996年及2003 年修訂的標(biāo)準(zhǔn)。隨著氮氧化物列入國家“十二五”污染物總量控制指標(biāo)，氮氧化物控制力度不斷加大。2011 年修訂的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)大幅壓減了氮氧化物排放限值，始于2014 年的燃煤電廠超低排放政策更是進(jìn)一步將燃煤電廠氮氧化物排放限值壓減至全球最嚴(yán)。標(biāo)準(zhǔn)要求趨嚴(yán)促進(jìn)了煙氣脫硝技術(shù)在火電行業(yè)的全面實施，我國煙氣脫硝機組容量占比由2008 年的3.3%迅速增長至2017 年的98.4%，低氮燃燒技術(shù)普及率接近100%，煙氣脫硝投運時間占比達(dá)到99%，約40%的機組可以實現(xiàn)全負(fù)荷脫硝[12]。

1.2 嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和超低排放政策實施帶來了顯著的氮氧化物減排成效

截至2018 年底，我國已有8.1 億千瓦煤電機組實現(xiàn)超低排放，占全國煤電總裝機容量的80%。在線監(jiān)測及環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)表明[4]，2018 年中國火電氮氧化物排放水平如下：①各省（區(qū)、市）平均排放濃度范圍為21.35～129.11mg/Nm3，平均與2015 年相比下降了約43%。②氮氧化物排放績效平均值為0.26 g/（kW·h），較2015 年下降了約33%。③氮氧化物排放總量119萬t，在燃料消耗量（折合標(biāo)煤后）較2015 年增加約21%的情況下，實現(xiàn)氮氧化物減排約19%。可見，超低排放全面實施帶來的氮氧化物減排成效顯著，其排放濃度、排放績效和排放總量均有顯著降低。

1.3 氮氧化物減排技術(shù)水平提升，主流工藝仍然依賴氨的大量投入

前端低氮燃燒技術(shù)配合末端煙氣脫硝技術(shù)可實現(xiàn)氮氧化物超低排放。在控制氮氧化物生成方面，隨著低氮燃燒技術(shù)的發(fā)展，鍋爐氮氧化物的生成濃度下降了20%～60%，但仍高于達(dá)標(biāo)排放要求的5 倍以上，更高于超低排放限值的10 倍以上。我國從“十二五”初期開始進(jìn)行大規(guī)模的脫硝裝置改造，常規(guī)煤電機組基本上采用SCR 技術(shù)、部分循環(huán)流化床和極少數(shù)燃煤機組選擇SNCR 技術(shù)或者SNCR-SCR 聯(lián)合脫硝技術(shù)，還原劑普遍為液氨、氨水或尿素，反應(yīng)過程均是通過氨與氮氧化物反應(yīng)生成氮氣和水，達(dá)到去除氮氧化物的效果。因此，無論采用哪種脫硝技術(shù)路線和還原劑，在現(xiàn)有技術(shù)下要實現(xiàn)氮氧化物的有效脫除均需要反應(yīng)過程中大量氨的參與。進(jìn)入脫硝系統(tǒng)前，鍋爐煙氣中的氮氧化物主要包括NO、NO2和極少量的N2O，NO 與NO2的體積比約為95∶5[13]。根據(jù)污染源普查有關(guān)資料，不同規(guī)模等級燃煤機組的平均脫硝效率在75%～85%[12]，按平均水平80%計，以氮氧化物與氨發(fā)生氧化還原反應(yīng)的摩爾比1∶1 考慮，由2018 年中國火電氮氧化物排放總量119 萬t[4]估算，全國燃煤機組年所需氨量（按脫硝反應(yīng)氨量計）共計約176 萬t。

2 煤電機組氨排放控制與管理存在的問題

2.1 過量噴氨現(xiàn)象普遍存在

脫硝系統(tǒng)依據(jù)氮氧化物監(jiān)測濃度來調(diào)節(jié)噴氨量，然而氮氧化物濃度場和煙氣流場分布不均勻，氮氧化物產(chǎn)生隨機組負(fù)荷變化較大，且測量數(shù)據(jù)具有滯后性。為保證氮氧化物的出口濃度達(dá)標(biāo)，電廠在實際運行中常常直接手動增加噴氨量來保證較高的脫硝效率。氨氣與煙氣的混合不均勻以及催化劑堵塞、中毒等引起的脫硝效率下降等問題，往往也以同樣的運行方式來解決。現(xiàn)階段燃煤電廠噴氨自動化程度不高[14]，調(diào)研結(jié)果亦顯示僅50%的機組可以實現(xiàn)自動控制，尚有30%為全手工控制。與此同時，過量噴氨現(xiàn)象在燃煤電廠中廣泛存在。以某電力集團(tuán)為例，其300 兆瓦級和600 兆瓦級燃煤機組中過量噴氨比例最高的前五家電廠，最低超出理論所需氨量75%，最高已達(dá)到150%。整體而言，大機組過噴比例低于小機組；負(fù)荷率較低情況下，過噴現(xiàn)象更為明顯。過量噴氨會引發(fā)整個煙氣處理系統(tǒng)中多個設(shè)備的運行異常，如催化劑、空預(yù)器和除塵器堵塞等。這些問題將造成污染物脫除效率降低，進(jìn)而導(dǎo)致噴氨量的進(jìn)一步增加，形成惡性循環(huán)。

2.2 現(xiàn)有環(huán)境管理難以對燃煤電廠氨排放形成有效監(jiān)管

現(xiàn)階段，在燃煤電廠日常環(huán)境管理中，一方面，氨主要作為環(huán)境風(fēng)險源（以液氨作為還原劑時）和惡臭污染物被納入監(jiān)管，人們重點考慮其潛在環(huán)境風(fēng)險和異味引起人們不愉快感覺的特性，并非將其作為工業(yè)廢氣加以管控。氨儲存區(qū)域發(fā)生環(huán)境風(fēng)險事故屬于非正常工況；在正常工況下，脫硝系統(tǒng)和氨儲存區(qū)域的氨逃逸均屬于無組織排放。按照《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB14554—93）、《惡臭污染物環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 905—2017）的有關(guān)要求，對無組織排放的惡臭污染物，監(jiān)測點應(yīng)設(shè)置在下風(fēng)向的排污單位法定邊界線上，以惡臭污染物廠界標(biāo)準(zhǔn)值為限值考察濃度水平。另一方面，在對脫硝設(shè)施設(shè)計和運行的環(huán)保效果進(jìn)行論證與考核時，一般直接借鑒工程設(shè)計中“3ppm”這一指標(biāo)作為脫硝系統(tǒng)氨逃逸的參考限值。然而，該指標(biāo)屬于工程技術(shù)范疇，是指脫硝裝置出口煙氣中氨的濃度，其采樣測試位置在脫硝裝置后的煙道內(nèi)。由于脫硝設(shè)施出口煙氣本身具有高溫、高粉塵、高腐蝕、高黏結(jié)的特點，加上煙道環(huán)境復(fù)雜、振動源多、測點位置和數(shù)量有限等因素，且氨本身又具有反應(yīng)性強、易溶于水等特性，傳統(tǒng)的廢氣污染物采樣和測試方法并不十分適用，抽取測量和原位測量技術(shù)均有自身局限性，氨逃逸在線監(jiān)測誤差很大。因此，現(xiàn)行的煤電機組氨排放環(huán)保管理方式尚未全面考慮氨的環(huán)境影響，尤其是最終進(jìn)入大氣后對二次粒子形成的影響，現(xiàn)有監(jiān)測方式和監(jiān)測技術(shù)也難以反映實際進(jìn)入環(huán)境空氣的氨排放水平。

2.3 過量噴氨可能抵消氮氧化物減排效益

氮氧化物減排對于控制大氣中顆粒物生成的環(huán)境正效益與過量噴氨可能引發(fā)的二次粒子生成帶來的環(huán)境負(fù)效應(yīng)之間，存在邊際效益平衡。只有找準(zhǔn)這個平衡點，才能獲得最佳的綜合環(huán)境效益。國內(nèi)外許多研究成果已經(jīng)表明，氨是重污染天氣二次顆粒物爆發(fā)式增長的重要前體物，有的條件下甚至成為二次顆粒物生成的主控因子，對大氣中PM2.5的形成起到至關(guān)重要的作用[5-9]。以2018 年電力行業(yè)氮氧化物排放119萬t[4]計，在保守估計電廠平均過量噴氨比例20%的情況下，全年過噴氨量將達(dá)到35 萬t，接近全國年氨排放量的3.8%，數(shù)量驚人。如果進(jìn)一步考慮到這部分氨在其自身生產(chǎn)運輸使用過程中的揮發(fā)，與過量噴氨相關(guān)的氨排放還將增加。正在實施的鋼鐵、水泥、焦化等行業(yè)超低排放改造的氮氧化物控制也采用與電廠類似的脫硝技術(shù)路線，同樣存在過量噴氨的風(fēng)險。當(dāng)這些氨以各種形式最終進(jìn)入大氣，將極大影響大氣中的酸堿平衡，促進(jìn)顆粒物生成。因此，控制好氨投入與氮氧化物削減之間的關(guān)系，對于提升氮氧化物減排帶來的綜合環(huán)境效益具有重要意義。

2.4 逃逸氨的轉(zhuǎn)化和排放規(guī)律不明

理想狀況下，脫硝系統(tǒng)的氨絕大部分參與了去除氮氧化物的化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氮氣和水，少量逃逸氨跟隨煙氣進(jìn)入后續(xù)污染物治理環(huán)節(jié)。然而，由于過量噴氨現(xiàn)象的存在，未參與脫硝化學(xué)反應(yīng)的氨的量顯著增加，部分氨在煙道中形成銨鹽等物質(zhì)，通過粉煤灰[15]、脫硫廢水[16]、顆粒物等不同形式進(jìn)入外環(huán)境。進(jìn)入外環(huán)境的銨鹽會有部分重新分解，并與直接逃逸至大氣的氨氣一同參與到大氣二次顆粒物的形成過程中。實際運行中，已出現(xiàn)在煙氣、脫硫廢水中產(chǎn)生刺鼻氨味的現(xiàn)象，亦有因混入銨鹽而造成粉煤灰品質(zhì)下降難以回用的情況。目前尚未有明確的定量研究探討氨在整個煙氣處理系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及不同形態(tài)氨在外環(huán)境中的進(jìn)一步轉(zhuǎn)換規(guī)律。這些基礎(chǔ)性問題制約了對過量噴氨經(jīng)濟(jì)環(huán)境損益的估算。

3 對策建議

3.1 鼓勵脫硝系統(tǒng)優(yōu)化和氨逃逸監(jiān)測技術(shù)研發(fā)

一是鼓勵脫硝工程建設(shè)較早、技術(shù)水平偏低、氨逃逸率較高的電廠積極開展脫硝系統(tǒng)優(yōu)化。通過引入先進(jìn)控制算法、優(yōu)化流場、自動化智能噴氨、提高催化劑質(zhì)量等方式，改善氨氣與氮氧化物的混合分布均勻性，盡可能避免局部過噴現(xiàn)象，在保證脫硝效率的同時盡可能降低氨逃逸水平。二是研發(fā)復(fù)雜煙氣環(huán)境下穩(wěn)定可靠的氨逃逸監(jiān)測技術(shù)，尤其是自動監(jiān)測技術(shù)，合理設(shè)定監(jiān)測點位，提高氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)與噴氨控制系統(tǒng)之間的響應(yīng)速度。

3.2 制定氨排放環(huán)保管控政策體系

一是開展燃煤電廠脫硝過量噴氨現(xiàn)象摸底調(diào)研，為管控政策制定提供基礎(chǔ)信息。二是制定氨逃逸監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，開展過量噴氨比例與脫硝效果的經(jīng)濟(jì)環(huán)境邊際效益研究，制定平衡氮氧化物排放與氨逃逸的脫硝控制指標(biāo)，為電廠氨排放管控提供技術(shù)基礎(chǔ)。三是試點將逃逸氨作為廢氣污染物納入燃煤電廠環(huán)境管理，研究制定與不同脫硝效率水平相適應(yīng)的氨逃逸控制限值，制定逃逸氨監(jiān)測技術(shù)規(guī)范并將其納入排污許可自行監(jiān)測要求，在環(huán)保執(zhí)法中對企業(yè)排入外環(huán)境的氨總量進(jìn)行考核和監(jiān)督，做好氨排放管控在環(huán)境影響評價、排污許可與自行監(jiān)測、環(huán)保執(zhí)法等環(huán)節(jié)的銜接。

3.3 加強逃逸氨相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究

一是深入研究大氣中氨與酸反應(yīng)形成銨鹽后新粒子的生成和增長機制。二是系統(tǒng)研究燃煤電廠逃逸氨及其衍生細(xì)顆粒物在煙風(fēng)系統(tǒng)及沿程設(shè)備中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。三是開展逃逸氨的全生命周期轉(zhuǎn)化研究。在此基礎(chǔ)上，全面深刻理解逃逸氨的大氣環(huán)境影響。

4 小結(jié)

燃煤電廠超低排放政策實施的顯著環(huán)境效益已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可，實施脫硝氨管控是對這一政策的進(jìn)一步完善。隨著鋼鐵、水泥、焦化等行業(yè)陸續(xù)實施超低排放政策，以氨作為還原劑的脫硝技術(shù)正在更大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，工業(yè)氨排放對氨排放總量的貢獻(xiàn)可能會進(jìn)一步提升，如不加以控制可能造成大氣環(huán)境隱患。燃煤電廠率先實施脫硝氨排放管控將對其他行業(yè)起到良好的示范作用，避免過量噴氨現(xiàn)象在其他行業(yè)的重復(fù)出現(xiàn)，也為其他行業(yè)完善脫硝技術(shù)路線、合理制定脫硝管控指標(biāo)提供經(jīng)驗。