國内外(wài)燃機電(diàn)廠氮氧化物(wù)排放(fàng)标準對比淺析

2021-12-03

作者: 

白(bái)尊亮 節能減排中(zhōng)心 業務咨詢一(yī)部

國内外(wài)對燃機電(diàn)廠普遍采取了以排放(fàng)标準管理爲主的排放(fàng)控制。本文梳理我(wǒ)國和美國、歐盟及日本燃機電(diàn)廠氮氧化物(wù)排放(fàng)标準的發展曆程,分(fēn)析不同國家現行标準限值的差異,總結可供我(wǒ)國未來借鑒的經驗,爲進一(yī)步完善我(wǒ)國排放(fàng)标準、全面提升燃機電(diàn)廠環保水平提供建議。

燃氣發電(diàn)具有清潔、高效的特點,近年來我(wǒ)國燃機電(diàn)廠裝機規模不斷擴大(dà),有力地推動了我(wǒ)國能源結構轉型。由于燃燒溫度高、過量空氣系數大(dà)等工(gōng)藝特點的影響,燃機電(diàn)廠在生(shēng)産過程中(zhōng)産生(shēng)大(dà)量的“熱力型”NOx[1],相比燃煤電(diàn)廠具有較高的氮氧化物(wù)排放(fàng)水平。相比國外(wài)發達經濟體(tǐ),我(wǒ)國對燃機電(diàn)廠氮氧化物(wù)防治起步較晚。在裝機規模不斷擴大(dà)、地區環境容量受限的發展背景下(xià),我(wǒ)國有必要密切關注燃機電(diàn)廠的氮氧化物(wù)排放(fàng)問題,并借鑒國外(wài)有益經驗。

一(yī)、不同地區和國家的氮氧化物(wù)排放(fàng)标準

(一(yī))我(wǒ)國燃機氮氧化物(wù)排放(fàng)标準

我(wǒ)國适用于燃機電(diàn)廠大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)的現行标準是《火(huǒ)電(diàn)廠大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)标準》(GB13223-2011),其中(zhōng)對燃氣輪機組的氮氧化物(wù)排放(fàng)限值按燃料類型不同設定,以油、天然氣和其他氣體(tǐ)爲燃料的燃機氮氧化物(wù)排放(fàng)限值分(fēn)别爲150mg/m3、50mg/m3和120mg/m3。我(wǒ)國排放(fàng)标準中(zhōng)采用的限值形式爲單一(yī)的濃度限值,該限值爲幹煙氣在标準狀态下(xià)的數值。同時,實測的排放(fàng)值還需折算爲基準氧含量(15%)條件下(xià)的排放(fàng)值後再與限值數據對比。

回顧《火(huǒ)電(diàn)廠大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)标準》發展曆程。該标準首次與1991年發布,在初版标準并未對氮氧化物(wù)的排放(fàng)進行限制。其後于1996年、2003年、2011年進行了3次修訂[2][3][4],不同版本中(zhōng)對氮氧化物(wù)的排放(fàng)限制也在逐步變化。在1996年修訂版本中(zhōng),首次規定了氮氧化物(wù)的标準限值,但僅對額定蒸發量大(dà)于1000t/h的煤粉鍋爐進行了限值。在2003年修訂的版本中(zhōng),一(yī)是擴大(dà)了覆蓋範圍,改爲對額定蒸發量65t/h以上所有鍋爐進行全面控制,基本上涵蓋了所有的火(huǒ)電(diàn)廠鍋爐。二是首次對燃氣輪機的氮氧化物(wù)的排放(fàng)提出了明确要求。三是在燃料方面分(fēn)類更爲細緻,增加了燃油、燃氣和燃用不同揮發分(fēn)含量煤炭的火(huǒ)電(diàn)廠氮氧化物(wù)排放(fàng)限值。在2011年修訂版本中(zhōng),除了進一(yī)步提高氮氧化物(wù)的排放(fàng)标準,還增加了對重點地區的标準要求,重點地區主要指國土開(kāi)發密度高、大(dà)氣環境容量小(xiǎo)、生(shēng)态環境脆弱等容易發生(shēng)嚴重大(dà)氣污染問題的地區。不同版本的《火(huǒ)電(diàn)廠大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)标準》中(zhōng)對燃機氮氧化物(wù)排放(fàng)限值見表1。

表1    GB13223各版本對燃機電(diàn)廠氮氧化物(wù)排放(fàng)限值規定

标準

适用條件

限值

(mg/m3

GB13223-1991

/

未規定

GB13223-1996

/

未規定

GB13223-2003

燃油的燃氣輪機組

150

燃氣的燃氣輪機組

80

GB13223-2011

以油爲燃料的燃氣輪機組

120

以天然氣爲燃料的燃氣輪機組

50

以其他氣體(tǐ)爲燃料的燃氣輪機組

120

 

(二)美國燃機氮氧化物(wù)排放(fàng)标準

1970年美國通過第一(yī)部關于空氣污染控制的法規《清潔空氣法》(Clean Air Act),法律規定由美國環保署(USEPA)制定全國統一(yī)的新建工(gōng)業污染源排放(fàng)标準,即《新污染源行爲标準》(New Sources Performance Standard,NSPS),以此作爲全國最低限度的執行标準和導則。該标準制定的基礎是的“最佳示範技術”,同時規定在考慮技術和運營水平的基礎上适度嚴格,給各州精細化管理留有足夠的靈活度。

對于燃機電(diàn)廠的NSPS,美國環保署從1977年開(kāi)始執行固定式燃氣輪機排放(fàng)标準(Standards of Performance for Stationary Combustion Turbines[5],該标準對燃氣輪機發電(diàn)機組的NOx和SO2排放(fàng)限值進行了規定。該标準同時也是美國聯邦法規40CFR第60部分(fēn),标準分(fēn)爲GG和KKKK兩個子部分(fēn),GG子部分(fēn)涵蓋了1977年10月3日之後和2005年2月18日之前開(kāi)始建造的燃機機組。KKKK子部分(fēn)涵蓋了2005年2月18日之後開(kāi)始建造的機組的燃氣輪機和相關的餘熱鍋爐。該标準于1982年、2003年和2005年進行了3次修訂,2005年修訂的版本中(zhōng),排放(fàng)标準首次引入了績效排放(fàng)的概念,即以單位發電(diàn)量或單位熱量輸入給定排放(fàng)限值,表達爲排放(fàng)量/發電(diàn)量((lb/MWh,磅每兆瓦時)或排放(fàng)量/機組輸入的熱量(ng/J,納克每焦耳)的形式。同時也保留以濃度給定排放(fàng)限值,表達爲污染物(wù)在15%的氧含量條件下(xià)百萬分(fēn)之體(tǐ)積濃度(ppmv)的形式。标準規則允許燃機電(diàn)廠業主選擇基于績效或基于濃度的排放(fàng)标準。

表2    美國固定式燃氣輪機NOX排放(fàng)限值

建設類型

燃料類型

燃氣輪機最大(dà)負荷時的熱量輸入

MW

排放(fàng)标準

ppm

lb/MWh

mg/m3

(按NO2的ppm濃度折合)

新建

天然氣(發電(diàn)用)

P≤14.64

42

2.3

86

天然氣(機械驅動用)

P≤14.64

100

5.5

205

天然氣

14.64<P ≤248.86

25

1.2

51

其他燃氣(發電(diàn)用)

P≤14.64

96

5.5

197

其他燃氣(機械驅動用)

P≤14.64

150

8.7

308

其他燃氣

14.64<P ≤248.86

74

3.6

152

新建、改建或重建

天然氣

P>248.86

15

0.43

31

其他燃氣

P>248.86

42

1.3

86

改建或重建

液體(tǐ)燃料

P≤14.64

150

8.7

308

天然氣

14.64<P ≤248.86

42

2.0

86

其他燃氣

14.64<P ≤248.86

96

4.7

197

位于北(běi)極圈以北(běi)(北(běi)緯66.5度)的汽輪機,運行低于75%最大(dà)負荷的機組,改建或重建的臨海燃氣輪機,運行溫度低于-17.7℃的燃氣輪機

≤ 30 MW

150

8.7

308

> 30 MW

96

4.7

197

獨立于燃氣輪機的熱回收裝置

所有類型

54

0.86

111

 

(三)歐盟燃機氮氧化物(wù)排放(fàng)标準

1988年,歐盟的前身歐共體(tǐ)制定了《大(dà)型燃燒企業指令》(Large combustion plant directive 88/609/EEC,首次針對大(dà)型燃燒企業制定了氮氧化物(wù)排放(fàng)标準,并根據燃料類型不同制定了各自的排放(fàng)限值。該指令又(yòu)于1994年和2001年兩次修訂。現行标準爲《大(dà)型燃燒企業大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)限制指令》(the limitation of emissions of certain pollutants into the air from large combustion plants2001/80/EC[6]。該指令主要針對2000年以後新建或改建的大(dà)型燃燒企業(發電(diàn)量超過50MW),規定了燃天然氣的燃氣輪機組NOX排放(fàng)限值執行50mg/m3,燃用除天然氣外(wài)的氣态燃料和燃油機組NOX排放(fàng)限值執行120mg/m3,該NOX排放(fàng)限值是指煙氣中(zhōng)含氧量在15%,機組負荷在70%及以上時的排放(fàng)限值。詳見表3。歐盟各成員(yuán)國均參考該指令制定本國标準,本國标準不得低于該标準,當本國政府并未制定标準時則使用該标準。

 

表3   歐盟燃氣輪機NOx排放(fàng)限值    

燃料類型

排放(fàng)限值

mg/m3

天然氣(1)

50(2)

液體(tǐ)燃料(3)

120

氣體(tǐ)燃料(除天然氣)

120

注: 1.天然氣主要成分(fēn)爲甲烷,惰性成分(fēn)和雜(zá)質不超過20%;

2.如出現以下(xià)情況則排放(fàng)限值爲75 mg/m3:熱電(diàn)聯産且熱效率大(dà)于75%;聯合循環機組發電(diàn)效率大(dà)于55%;機械驅動用燃機;

3.僅适用燃用輕油的燃機。

 

(四)日本燃機氮氧化物(wù)排放(fàng)标準

1968年日本在原有《煤煙排放(fàng)控制法》的基礎上進行了全面修改,制定了《大(dà)氣污染防治法》。1971年7月,日本成立環境省,加大(dà)了環境污染管理的力度和範圍。1972年和1973年又(yòu)進一(yī)步修訂了《大(dà)氣污染防治法》,除制定單個污染源的排放(fàng)限值外(wài),還開(kāi)始實施總量控制,規定了區域允許排放(fàng)總量。

日本關于燃機電(diàn)廠的NOx的排放(fàng)标準從1973年8月的《大(dà)氣污染防治法》開(kāi)始制定,對燃燒器燃料消耗量在50l/h以上的燃氣輪機的NOx排放(fàng)做了規定[7],期間對此标準共經曆了若幹次強化,具體(tǐ)排放(fàng)标準如表4所示。

表4  日本燃氣輪機組NOx排放(fàng)标準

設備類型

規模煙氣量的最大(dà)定額排放(fàng)

(萬m3/h)

基準

氧含量

(%)

1988.1.31前安裝的設備

(ppm

1988.2.1-1989.7.31安裝的設備

(ppm

1989.8.1-1991.1.31安裝的設備

(ppm

1991.2.1後安裝的設備

(ppm

氣體(tǐ)

燃料

≥4.5

16

/

70

70

70

<4.5

90

液體(tǐ)

燃料

≥4.5

16

/

100

100

<4.5

120

 

二、排放(fàng)标準對比

中(zhōng)美歐日各國對燃機電(diàn)廠氮氧化物(wù)排放(fàng)标準發展經曆了不同的過程,以燃用天然氣的新建燃機機組爲例,對比各個國家的氮氧化物(wù)排放(fàng)限值如表5所示。可以看出,各個國家标準中(zhōng)所規定的基準氧含量條件基本一(yī)緻,我(wǒ)國GB13223标準中(zhōng)NOx的限值要求嚴于國外(wài)标準,僅較美國部分(fēn)标準略爲寬松。GB13223-2011作爲火(huǒ)力發電(diàn)廠大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)新标準,燃機電(diàn)廠大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)限值已經向國際标準看齊,相關排放(fàng)限值規定均已達到國際領先要求。

表5   國内外(wài)以天然氣爲燃料的新建燃機機組NOx現狀排放(fàng)标準對比

國家

标準/法規

基準氧含量(%)

限值(mg/m3

中(zhōng)國

GB13223-2011

15

50

美國

40CFRpart60

15

31/51(1)

歐盟

2001/80/EC

15

50

日本

大(dà)氣污染防治法

16

140

注:31mg/m3、51mg/m3分(fēn)别爲P>248.86MW和14.64MW<P ≤248.86MW燃機的排放(fàng)限值。

 

三、國外(wài)經驗借鑒

從排放(fàng)限值看,我(wǒ)國的燃機電(diàn)廠的氮氧化物(wù)排放(fàng)濃度限值基本上是目前世界上主要經濟體(tǐ)中(zhōng)最嚴格的限排标準,然而從排放(fàng)的控制方式和衡量指标上看,各個國家和地區仍然存在一(yī)些差異。

一(yī)是美國标準充分(fēn)考慮了受控對象的實際情況,按照燃料、受控單元的建設年齡及輸出功率不同,分(fēn)别執行多種形式的排放(fàng)限值規定。而中(zhōng)國在标準制修訂階段缺少完善的技術和成本—效益分(fēn)析爲支撐,僅靠燃機“年齡”的分(fēn)類過于簡單,“一(yī)刀切”的做法雖然執行簡單,但易使得受控電(diàn)廠受到超前的限值規定,從而因環保壓力的影響而産生(shēng)額外(wài)增加成本。

二是美國火(huǒ)電(diàn)廠排放(fàng)标準中(zhōng)采用的排放(fàng)限值以基于産出(output-based)的績效限值爲主,包括基于熱輸入、能量輸出的績效限值,績效限值以30天滑動平均尺度爲考核周期。基于産出的限值考慮了減排措施的效益,鼓勵受控對象減少化石燃料的使用,例如提高燃燒效率,通過回收有用熱量提高燃機的整體(tǐ)熱效率等,體(tǐ)現了節約能源與環境保護兼得的先進理念,并有利于降低源的合規成本。

三是歐盟、日本等國均明确中(zhōng)長期大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)總量控制目标。在早期的氮氧化物(wù)排放(fàng)控制上,各國家和地區均以排放(fàng)濃度作爲衡量手段。在經過多年的發展後,歐洲則早在20世紀80年代就同時進行濃度控制和總量控制,更側重考量地區的環境總承受能力。日本也在20世紀70年代開(kāi)始實施總量控制,規定了區域允許排放(fàng)總量。反觀我(wǒ)國,尚無規定類似燃機電(diàn)廠等工(gōng)業固定排放(fàng)源的總量控制目标。

 

四、結語

電(diàn)廠的氮氧化物(wù)排放(fàng)量在我(wǒ)國氮氧化物(wù)排放(fàng)總量中(zhōng)所占比重較大(dà),電(diàn)廠排放(fàng)标準的提高有利于我(wǒ)國實施電(diàn)力工(gōng)業的節能減排。我(wǒ)國現有燃氣輪機電(diàn)廠氮氧化物(wù)的排放(fàng)标準在限值要求方面與發達國家相比已處于同一(yī)水平。但在燃機裝機規模持續保持增長也伴随氮氧化物(wù)排放(fàng)不斷增加的問題出現,僅對燃機電(diàn)廠實行簡單排放(fàng)标準将難以改善和緩解環境壓力。因此,需要借鑒國外(wài)類似标準制定經驗,如在标準制定時有機結合污染物(wù)減排和電(diàn)廠節能提效、明确氮氧化物(wù)排放(fàng)總量的中(zhōng)長期控制目标等,從而實現減少火(huǒ)電(diàn)污染物(wù)排放(fàng)和滿足日益增加對電(diàn)力的需求兩種目标的雙赢。

 

參考文獻:

[1] 李建.對燃氣輪機發電(diàn)廠NOx排放(fàng)執行标準的探讨[J].新疆環境保護,1999(3):19~22.

[2] 國家環境保護總局.火(huǒ)電(diàn)廠大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)标準(GBl3223-1996)[Z]. 1996.

[3] 國家環境保護總局.火(huǒ)電(diàn)廠大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)标準(GBl3223-2003)[Z]. 2003.

[4] 國家環境保護總局.火(huǒ)電(diàn)廠大(dà)氣污染物(wù)排放(fàng)标準(GBl3223-2011)[Z]. 2011.

[5] EPA. Standards of Performance for Electric Utility Steam Generating Units[Z].2006.

[6] EU. Directive 2001/80/EE on the limitation of emissions of certain pollutants into the air from large combustion plants[Z].2001.

[7]日本環境省,煙塵和NOx排放(fàng)标準值清單[EB/OL].http://www.env.go.jp/air/osen/law/t-kise-6.html,2012.

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