基準氧含量在大氣固定源污染物排放標準中的應用與啟示

劉力敏，謝劍鋒，張承舟

1.河北省生態環境工程評估中心，河北 石家莊 050031 2.河北省生態環境監測中心，河北 石家莊 050037 3.生態環境部環境工程評估中心，北京 100012

大氣固定源污染物排放標準是污染源煙氣監測結果達標與否的主要判斷依據，也是污染源監測中應用最廣泛的標準。隨著大氣污染防治工作的深入推進，環境保護相關法律法規、技術體系不斷完善，環境標準尤其是大氣固定源污染物排放標準在促進污染物減排、產業結構優化、經濟發展方式轉變等方面發揮了重要作用，取得了顯著成效[1]。基于生產工藝、設備和污染防治技術的發展，以及人民群眾對環境質量改善的迫切要求，國家和地方相繼制修訂了一系列大氣固定源污染物排放標準，大幅提高了對主要污染物的控制要求。在調整大氣污染物排放種類、排放限值的同時，也對與達標判斷密切相關的煙氣氧含量指標作出了重新規定[2-5]。

煙氣氧含量是指燃料燃燒時，煙氣中含有的多余的自由氧[6]。在實際生產中，一般都會通過鼓風機向鍋爐和工業爐窯中加入過量空氣，以確保燃料充分燃燒利用，而過量空氣的存在對污染源煙氣中顆粒物、氣態污染物濃度及排放參數的測定具有一定干擾。要得到真實的污染物排放濃度，就必須有一個統一的換算方法，將實測排放濃度值折算為一定氧含量狀態下的濃度值，以消除過量空氣的影響[7-8]。因此，在大氣固定源污染物排放標準中，對于需要補充空氣(氧氣)的工業爐窯，一般要規定其對應的基準氧含量或過量空氣系數，兩者均代表了在當時的設備和運行技術水平下，燃料完全燃燒時比較節能和減排的最大允許經驗值[9-10]。由此可見，煙氣氧含量是計算污染物排放濃度的重要參數。對于燃燒方式為純氧燃燒的工業爐窯，其基準氧含量或過量空氣系數很難界定，故一般規定以基準排氣量作為廢氣排放濃度的折算依據。

本研究在收集國家和地方相關標準的基礎上，從污染源煙氣監測的特點出發，對大氣固定源污染物排放標準中關于基準氧含量和過量空氣系數的規定情況進行了系統調研，并著重分析了基準氧含量指標的應用現狀、趨勢和效果，闡明了基準氧含量在不同工藝條件下的適用性，以及相關行業標準在制修訂中存在的問題，為科學合理規定基準氧含量及其限值，推動大氣固定源污染物排放標準優化提出了建議。

1 應用現狀與發展趨勢

1.1 煙氣氧含量在大氣固定源污染物排放標準中應用廣泛

在對鍋爐和工業爐窯的監測中，為了保證檢測結果的代表性、準確性和可比性，需要消除監測分析過程中的系統誤差。因此，在大氣固定源污染物排放標準中，一般要對標準的適用范圍、采樣與監測方法、排氣筒高度及采樣位置、煙氣標準狀態等作出規定，還需要對煙氣氧含量和煙氣排放速率等作出規定。

大氣污染物排放標準中對煙氣氧含量的表達方式主要是基準氧含量和過量空氣系數。根據《國家大氣污染物排放標準制訂技術導則》(HJ 945.1—2018)，基準氧含量是指“用于折算燃燒源大氣污染物排放濃度而規定的氧含量的基準值”，表達為一個小于空氣中氧含量(21%)的百分數[6]。而過量空氣系數(α)是指燃料燃燒時空氣實際需要量與理論需要量的比值[7]，是一個反映燃料與空氣配合比的重要參數。由于爐窯各燃燒工藝對氧氣量的需求不同，各標準中規定的基準氧含量或過量空氣系數也就不同。

采用基準氧含量的折算公式[6]：

折算排放濃度=實測排放濃度×

(1)

采用過量空氣系數的折算公式[7]：

折算排放濃度=實測排放濃度×

(2)

其中，實測過量空氣系數的計算公式[7]為

(3)

由此可見，基準氧含量和過量空氣系數均是用來標準化一定工況下的污染物排放濃度的重要指標，都需要通過現場測量煙氣的氧含量，再按照公式把污染物濃度實測值折算為實際的污染物排放濃度值，從而消除固定污染源煙氣監測中的燃燒設備運行工況差異和人為因素影響，使得數據具有可比性。

在現行大氣固定源污染物排放標準中，實際排放濃度的折算方法仍然是采用基準氧含量和采用過量空氣系數兩種方式并存。但無論是采用基準氧含量還是延續既往的采用過量空氣系數，都體現了煙氣氧含量這一參數對于排放濃度計算的重要性。

1.2 基準氧含量取代過量空氣系數趨勢明顯

在我國較早的大氣固定源污染物排放標準中，鍋爐、工業爐窯相關排放標準對煙氣氧含量的規定大多采用過量空氣系數，只有與焚燒爐相關的《危險廢物焚燒污染控制標準》(GB 18484—2001)、《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB 18485—2001)和《燃油式火化機大氣污染物排放限值》(GB 13801—2009)等3項國標(均已被新版標準替代)規定使用基準氧含量進行折算。

本研究收集了2021年1月1日以前發布且現行有效的51項大氣固定源污染物排放國家標準，經整理分析發現：共有26項國家標準(含標準修改單)對基準氧含量進行了規定，約占51%；有5項國家標準對過量空氣系數(均為2011年之前發布)進行了規定，約占10%；而未規定煙氣氧含量(基準氧含量或過量空氣系數)的標準有20項，約占39%。

在進行大氣固定源污染物監測時，如果采用過量空氣系數，需要先根據煙氣中的氧含量計算出過量空氣系數，再將實測的煙氣排放濃度折算為標準規定的過量空氣系數下的排放濃度。而采用基準氧含量時，可以利用測量出的煙氣氧含量直接折算出標準規定的基準氧含量下的排放濃度，無需進行二次折算，計算過程簡便，錯誤幾率更低，工作效率更高，在污染源監測中更具技術可行性和經濟合理性。因此，在大氣固定源污染物排放標準中，使用基準氧含量替代過量空氣系數的趨勢越來越明顯。

2011年是我國大氣固定源污染物排放標準制修訂中的一個重要時間節點。從該年度發布的《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》(GB 26453—2011)開始，基準氧含量在國標中逐漸替代了過量空氣系數，從而占據主導地位。由圖1可見，發布日期在2011年之后的24項國家標準全部采用了基準氧含量。其中，生態環境部于2020年12月發布的《鑄造工業大氣污染物排放標準》(GB 39726—2020)等6項標準(含標準修改單)，均對窯爐煙氣的基準氧含量作出了規定或修改。

圖1 國標中基準氧含量的應用趨勢Fig.1 Application trend of referenceoxygen content in national standards

近年來，隨著對精準治污、超低排放的要求越來越高，工業窯爐工藝裝備和環境監測技術也在不斷發展，大氣固定源污染物排放標準的制修訂進入快速發展期。在地方相關標準的制修訂中，引入基準氧含量或以基準氧含量替代過量空氣系數的趨勢也日益明顯。以河北省為例，2011年以來發布的13項大氣固定源污染物排放地方標準中，有11項對基準氧含量作出了規定。目前，基準氧含量主要應用于生產設備中包含鍋爐或工業爐窯的火電、鋼鐵、水泥等行業的大氣固定污染源排放標準。

2 應用效果分析

2.1 基準氧含量保證了達標判定的公正性

為了保證污染物監測數據計算處理的“歸真”，以及達標判定的可比性，相關標準對煙氣氧含量和煙氣排放速率等也要作出規定，用來校準或折算污染物的實測值，以解決煙氣中的過量空氣對污染物的稀釋問題。以石灰窯焙燒煙氣監測為例，當實際監測到的氧含量為8.5%、顆粒物排放濃度為20 mg/m3時，按8%、9%、10%、16%的基準氧含量進行折算后，顆粒物排放濃度分別為20.8、19.2、17.6、8.0 mg/m3(圖2)。由此可以看出，當實際排放濃度確定時，規定的基準氧含量越小，折算后的排放濃度越大，基準氧含量對折算后排放濃度的影響明顯。

注：實線為根據標準實際計算得到的數值的連接線，虛線為理論趨勢線。圖2 不同氧含量的煙氣排放濃度變化Fig.2 Variation of fume emission concentrationwith different oxygen content

因此，在大氣污染物排放標準中，通過科學規定基準氧含量或過量空氣系數，可以避免由基準氧含量過小造成的煙氣濃縮，防止出現人為超標；或者由基準氧含量過大造成的稀釋排放，防止出現虛假達標。標準中對基準氧含量的規定，可以消除燃燒設備運行工況的差異和人為稀釋因素的影響，完善大氣污染物排放標準的內容，體現標準的科學性、嚴謹性和公平性。折算后的排放濃度才能真實反映污染物的排放狀況，才能對同一行業不同企業的排放濃度采用統一的標準進行監管，從而保證監測數據的可比性和達標判定的公平性。

2.2 基準氧含量推進了精細化分類管理的實現

涉及大氣污染的鍋爐和工業窯爐種類多樣。對于不同行業、不同用途甚至不同工序的爐窯，其設計原理、設備結構、工藝特點、燃燒方式等均可能存在很大的差異，對應的污染防治技術和排放狀況也是千差萬別。因此，在污染源監測和污染評價中，必然要分門別類地予以區別對待。在不同行業的大氣污染物排放標準中規定不同的基準氧含量，可以充分體現爐窯工藝和設備的差異及特點。

近年來，國家環境標準體系不斷完善，大氣污染物排放相關標準和技術規范呈現出行業細分、工藝細化的特點，而綜合排放標準的適用范圍逐步收縮，有被行業排放標準替代的趨勢。“十三五”期間，我國共完成制修訂并發布污染物排放國家標準37項，其中包含大氣污染物排放標準14項[11]。研究分析這些標準可以發現兩個顯著特點：一是行業標準占據主導地位。對于大氣主要污染物排放量大、對空氣質量影響較大的行業門類，相關部門基本上都有針對性地制定了該行業的大氣污染物排放標準，并通過設定不同的基準氧含量指標，體現出對不同行業的差異化管理。二是大氣污染物排放標準不斷細化。一些行業標準在規定基準氧含量時，對不同生產工序、生產工藝等均做了綜合考慮，對不同生產設備規定了不同的基準氧含量指標。

以鋼鐵企業球團生產工藝為例，球團焙燒的方法主要有豎爐焙燒法、帶式焙燒機焙燒法和鏈篦機-回轉窯焙燒法3種[12]。與豎爐生產工藝不同，鏈篦機-回轉窯和帶式焙燒機需要將球團冷卻段的余熱回收以進行原料預熱，導致焙燒煙氣中的氧含量比較高。為此，2020年發布的《〈鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準〉(GB 28662—2012)修改單》將燒結機和球團豎爐焙燒干煙氣基準氧含量規定為16%，而將鏈篦機-回轉窯和帶式球團焙燒機焙燒干煙氣基準氧含量規定為18%。對同一行業不同工藝特點的生產設備規定不同的基準氧含量，體現了標準的差異性和科學性，反映出大氣污染防治精細化管理的要求。

2.3 基準氧含量促進了污染防治水平的提升

在大氣污染物排放標準中，基準氧含量與污染物排放限值是一對密切相關的參數?；鶞恃鹾康奈⑿≌{整，可能導致折算后排放濃度的倍量增減，進而影響達標判定的結果。近年來，隨著大氣污染防治工作的深入，國家和地方出臺的大氣污染物排放標準中的排放限值更加嚴格，基準氧含量也更趨于科學精準。2019年4月生態環境部、國家發改委等部門聯合印發《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》(環大氣〔2019〕35號)，明確規定焦爐煙囪對應的基準氧含量為8%。相關舉措極大地促進了大氣污染治理技術的推廣應用，提高了大氣污染防治水平。由此可見，對精準治污、深度治理的要求越高，在標準制定中就更需要合理規定基準氧含量，并把基準氧含量與排放限值作為一個整體統籌確定，從而確保標準的技術可行性和經濟合理性。

目前，河北、山東等省份鋼鐵行業地方標準對各個工序的顆粒物排放濃度基本控制在10 mg/m3。在污染物排放限值日益嚴格的背景下，濕式靜電除塵、覆膜濾料袋式除塵、濾筒除塵等先進除塵工藝，以及煙氣脫硫增容提效技術，煙氣活性炭(焦)脫硝技術，煙氣選擇性催化還原(SCR)高效脫硝技術，高爐煤氣、焦爐煤氣精脫硫技術，燒結機頭煙氣循環利用技術等一大批先進、適用的節能減排工藝和技術得到廣泛應用，推動了超低排放目標的實現。

3 存在的問題

3.1 規定過量空氣系數的部分標準與經濟技術發展水平不相適應

標準制修訂的重要原則是要保持標準的適用性、先進性、統一性和協調性。標準只有與經濟、技術的發展水平和相關方的承受能力相匹配，才具有科學性和可實施性。研究發現，目前有5項大氣固定源污染物排放標準規定以過量空氣系數進行折算，詳見表1。

表1 規定過量空氣系數的國家標準Table 1 List of national standards specifying excess air coefficient

從表1可以看出，這部分標準存在3個方面的問題：一是頒布實施時間長。5項標準的實施時間均已在10年以上。與標準制定之初相比，當前的爐窯技術、污染防治技術已經有了很大的發展和提高，因此，舊標準難以全面衡量當前的工藝水平和排放狀況，其符合性有待重新調研評估。二是個別標準的適用范圍過大。如1996年頒布的《工業爐窯大氣污染物排放標準》(GB 9078—1996)，其實施時間已長達25年。在此期間，相關部門針對許多大氣污染重點行業制定了專門的行業標準，新標準的指向性和適用條件比綜合性標準更加細致、精準。而《工業爐窯大氣污染物排放標準》未能得到及時的修訂更新，特別是在適用范圍上未能得到及時的細化調整。三是部分標準中規定的過量空氣系數限值的合理性有待評估。如《釩工業污染物排放標準》(GB 26452—2011)規定的基準過量空氣系數為1.6，其他4項標準規定的過量空氣系數均為1.7(折合基準氧含量8.6%)。在使用相關標準進行監測時，對于標準中的過量空氣系數與窯爐生產過程中的實際氧含量是否相符，需要進一步的驗證。因此，標準的約束效力和技術引領作用未能得到真正發揮。

3.2 個別行業排放標準中未規定基準氧含量

焦爐是焦化工業的主要生產設備，屬于工業爐窯的一種。焦爐的生產過程需要補充空氣(氧氣)，因此，在污染物排放標準中，應該規定其對應的基準氧含量。但《煉焦化學工業污染物排放標準》(GB 16171—2012)規定，在國家未規定生產設施單位產品基準排氣量之前，以實測濃度作為判定大氣污染物排放是否達標的依據。這一規定表明，該標準關注到了煙氣氧含量對污染物排放濃度監測結果的干擾和影響，但并沒有做出進一步的要求。顯然，在目前的標準制定工作中，由于各種原因，仍然存在著“重排放限值，輕基準氧含量”的傾向。如果標準中只規定了排放限值而沒有規定基準氧含量，不同設備的煙氣監測數據就不具有可比性，甚至為個別企業在設備工況和治理設施運行方式上弄虛作假留出了空間，難以保證標準的客觀公正性。由此可見，盡早修訂《煉焦化學工業污染物排放標準》并科學規定基準氧含量，將有力規范焦爐煙氣污染排放，促進焦化工業的節能減排。

3.3 部分標準對工藝設備的管理分類不夠精準

以《工業爐窯大氣污染物排放標準》(GB 9078—1996)為例，該標準適用的爐窯共包括熔煉爐、熔化爐、加熱爐、干燥爐(窯)等10大類近20種爐型，而各種爐窯的爐型結構、燃燒方式、排放特點等差異很大。由于其對爐窯類型的劃分不夠精細，在統一規定的過量空氣系數或基準氧含量下折算出的數據，必然與部分爐窯的實際狀況不符，影響標準的執行效果。同樣，根據《軋鋼工業大氣污染物排放標準》(GB 28665—2012)，熱處理爐包括加熱爐、退火爐、正火爐、回火爐、保溫爐(坑)、淬火爐、固溶爐、時效爐、調質爐等熱工設備。雖然上述設備均是用于鋼鐵行業的軋鋼工序，但其工藝特點和用途明顯不同。該標準中規定的熱處理爐的基準氧含量為8%，但據統計，加熱爐的氧含量平均值為8%～12%，其他熱處理爐的氧含量平均值為15%～20%，差距較大。再以熱鍍鋅退火爐為例，為保證產品表面鍍層質量，連續退火爐設有無氧化段、還原段、緩冷段和快冷段等工序，每個階段對氧含量的要求不同，而退火爐將各個階段的煙氣統一收集排放，造成煙氣中的氧含量較高。因此，有研究者提出，熱處理爐不同爐型、不同階段的氧含量差異較大，需細化工藝、分類管理[13]。2020年發布的《〈軋鋼工業大氣污染物排放標準〉(GB 28665—2012)修改單》將熱處理爐區分為軋鋼加熱爐和軋鋼熱處理爐(其他熱處理爐)兩大類，并分別規定了基準氧含量，初步解決了這一問題。

3.4 不同標準對同種設備的規定不一致

石灰窯在我國工業體系中廣泛存在。除獨立石灰企業外，鋼鐵、水泥、鋁、碳酸鈣等行業中也包含石灰生產工序及石灰窯生產設施。涉及石灰窯的國標和地標中，既有獨立的石灰行業排放標準，也有其他行業的排放標準。表2所列4項排放標準適用的生產工序或設施中，均包含石灰窯。其中，《鋁工業污染物排放標準》(GB 25465—2010)規定以實測濃度作為判定是否達標的依據，未規定基準氧含量。而在規定了基準氧含量的其他3項標準中，《煉鋼工業大氣污染物排放標準》(GB 28664—2012)中規定的基準氧含量為8%，限值最低；河北省《石灰行業大氣污染物排放標準》(DB13/ 1641—2012)中規定的基準氧含量為16%，明顯過高；山東省《建材工業大氣污染物排放標準》(DB37/ 2373—2018)中規定的基準氧含量限值為10%。通過對比可以看出，雖然都是石灰生產設施，但對于不同行業、不同區域的石灰窯，不同標準中規定的基準氧含量限值卻差別很大，缺乏可比性，也有違法律意義上的公平公正原則。

表2 國內相關標準規定的石灰窯基準氧含量Table 2 List of reference oxygen content of lime kiln process specified in corresponding domestic standards

3.5 對特殊設備的規定不全或適用條件不清

焚燒類有機廢氣處理裝置可視為一種特殊的爐窯設施。用于焚燒有機廢氣的蓄熱式熱力焚化爐(RTO)等污染治理設備因工藝技術不同，對氧氣的需求也不同。為保證燃燒充分，有的設備需補充空氣(氧氣)，而有的設備的廢氣中的氧含量即可滿足自身燃燒、氧化反應的需要，不需額外補充空氣(氧氣)[14]。因此，對于利用燃燒(焚燒、氧化)方式處理的有機廢氣的排放濃度是否需要進行基準氧含量折算，需根據實際情況區分判定。同理，《合成樹脂工業污染物排放標準》(GB 31572—2015)規定，焚燒類有機廢氣排放口的實測污染物排放濃度須換算成基準氧含量為3%的污染物基準排放濃度。該標準雖然規定了基準氧含量，但由于對適用條件的規定不夠細致準確，也未做詳細的解釋說明，在執行中經常會造成困惑和疑慮，影響標準的實施效果。

4 結論與建議

基準氧含量是大氣固定源污染物排放標準中的一項重要指標?？茖W規定基準氧含量，可以有效保證監測數據的可比性、評價結果的公平性及標準的權威性，提高監測工作效能。結合本文分析結果，提出以下建議：

1)對現有大氣固定源污染物排放標準的實施效果進行評估。從現行管理需求出發，結合生產裝備和污染防治技術發展水平，加快修訂現行標準，以基準氧含量指標替代過量空氣系數，并在規定排放限值的同時，科學規定基準氧含量；鼓勵細分行業標準的研究制定，并逐步以其替代綜合性排放標準，提高標準的適用性，實現污染防治分類管理；加快制定特殊行業、特殊工藝、特殊裝置排放標準，完善大氣標準體系，為環境監測和執法監督提供充分依據。

2)以爐窯設備為基本單元規定基準氧含量。全面分析各種工業爐窯的生產工藝、燃燒方式、污染治理措施等，逐一研究其煙氣產生、收集、治理和排放的特點，分別規定基準氧含量。避免按照行業、產品、工序簡單歸類，杜絕同種類同型號設備不同規定的問題，確保相同的設備或設施在綜合標準、行業標準中對應的基準氧含量的一致性，體現分類管理、精準治污的要求。

3)以科學方法合理測算并規定基準氧含量限值。對于標準中是否需要規定基準氧含量，以及基準氧含量的限值如何設定，必須結合該行業的燃燒工藝、燃料特點和當前的減排技術水平綜合考慮。應以最新科研成果和足夠的監測樣本數據為依據，經過充分調研和數據分析來確定基準氧含量，避免直接引用、套用，避免隨意加嚴排放限值或隨意設定基準氧含量。標準既要體現約束力，也要發揮對先進技術的引領作用，以確保其科學性、合理性和可實施性。