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國內(nèi)外燃機(jī)電廠氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比淺析

2021-12-03

作者:?

白尊亮 節(jié)能減排中心 業(yè)務(wù)咨詢一部

國內(nèi)外對(duì)燃機(jī)電廠普遍采取了以排放標(biāo)準(zhǔn)管理為主的排放控制。本文梳理我國和美國、歐盟及日本燃機(jī)電廠氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程,分析不同國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)限值的差異,總結(jié)可供我國未來借鑒的經(jīng)驗(yàn),為進(jìn)一步完善我國排放標(biāo)準(zhǔn)、全面提升燃機(jī)電廠環(huán)保水平提供建議。

燃?xì)獍l(fā)電具有清潔、高效的特點(diǎn),近年來我國燃機(jī)電廠裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大,有力地推動(dòng)了我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。由于燃燒溫度高、過量空氣系數(shù)大等工藝特點(diǎn)的影響,燃機(jī)電廠在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的“熱力型”NOx[1],相比燃煤電廠具有較高的氮氧化物排放水平。相比國外發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體,我國對(duì)燃機(jī)電廠氮氧化物防治起步較晚。在裝機(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,我國有必要密切關(guān)注燃機(jī)電廠的氮氧化物排放問題,并借鑒國外有益經(jīng)驗(yàn)。

一、不同地區(qū)和國家的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

(一)我國燃機(jī)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

我國適用于燃機(jī)電廠大氣污染物排放的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011),其中對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組的氮氧化物排放限值按燃料類型不同設(shè)定,以油、天然氣和其他氣體為燃料的燃機(jī)氮氧化物排放限值分別為150mg/m3、50mg/m3和120mg/m3。我國排放標(biāo)準(zhǔn)中采用的限值形式為單一的濃度限值,該限值為干煙氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)值。同時(shí),實(shí)測(cè)的排放值還需折算為基準(zhǔn)氧含量(15%)條件下的排放值后再與限值數(shù)據(jù)對(duì)比。

回顧《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)展歷程。該標(biāo)準(zhǔn)首次與1991年發(fā)布,在初版標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)氮氧化物的排放進(jìn)行限制。其后于1996年、2003年、2011年進(jìn)行了3次修訂[2][3][4],不同版本中對(duì)氮氧化物的排放限制也在逐步變化。在1996年修訂版本中,首次規(guī)定了氮氧化物的標(biāo)準(zhǔn)限值,但僅對(duì)額定蒸發(fā)量大于1000t/h的煤粉鍋爐進(jìn)行了限值。在2003年修訂的版本中,一是擴(kuò)大了覆蓋范圍,改為對(duì)額定蒸發(fā)量65t/h以上所有鍋爐進(jìn)行全面控制,基本上涵蓋了所有的火電廠鍋爐。二是首次對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的氮氧化物的排放提出了明確要求。三是在燃料方面分類更為細(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氮氧化物排放限值。在2011年修訂版本中,除了進(jìn)一步提高氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn),還增加了對(duì)重點(diǎn)地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)要求,重點(diǎn)地區(qū)主要指國土開發(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)重大氣污染問題的地區(qū)。不同版本的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)燃機(jī)氮氧化物排放限值見表1。

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

標(biāo)準(zhǔn)

適用條件

限值

(mg/m3

GB13223-1991

/

未規(guī)定

GB13223-1996

/

未規(guī)定

GB13223-2003

燃油的燃?xì)廨啓C(jī)組

150

燃?xì)獾娜細(xì)廨啓C(jī)組

80

GB13223-2011

以油為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)組

120

以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)組

50

以其他氣體為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)組

120

 

(二)美國燃機(jī)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

1970年美國通過第一部關(guān)于空氣污染控制的法規(guī)《清潔空氣法》(Clean Air Act),法律規(guī)定由美國環(huán)保署(USEPA)制定全國統(tǒng)一的新建工業(yè)污染源排放標(biāo)準(zhǔn),即《新污染源行為標(biāo)準(zhǔn)》(New Sources Performance Standard,NSPS),以此作為全國最低限度的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則。該標(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ)是的“最佳示范技術(shù)”,同時(shí)規(guī)定在考慮技術(shù)和運(yùn)營水平的基礎(chǔ)上適度嚴(yán)格,給各州精細(xì)化管理留有足夠的靈活度。

對(duì)于燃機(jī)電廠的NSPS,美國環(huán)保署從1977年開始執(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)發(fā)電機(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日之后和2005年2月18日之前開始建造的燃機(jī)機(jī)組。KKKK子部分涵蓋了2005年2月18日之后開始建造的機(jī)組的燃?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,2005年修訂的版本中,排放標(biāo)準(zhǔn)首次引入了績效排放的概念,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,磅每兆瓦時(shí))或排放量/機(jī)組輸入的熱量(ng/J,納克每焦耳)的形式。同時(shí)也保留以濃度給定排放限值,表達(dá)為污染物在15%的氧含量條件下百萬分之體積濃度(ppmv)的形式。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則允許燃機(jī)電廠業(yè)主選擇基于績效或基于濃度的排放標(biāo)準(zhǔn)。

表2    美國固定式燃?xì)廨啓C(jī)NOX排放限值

建設(shè)類型

燃料類型

燃?xì)廨啓C(jī)最大負(fù)荷時(shí)的熱量輸入

MW

排放標(biāo)準(zhǔn)

ppm

lb/MWh

mg/m3

(按NO2的ppm濃度折合)

新建

天然氣(發(fā)電用)

P≤14.64

42

2.3

86

天然氣(機(jī)械驅(qū)動(dòng)用)

P≤14.64

100

5.5

205

天然氣

14.64<P ≤248.86

25

1.2

51

其他燃?xì)猓òl(fā)電用)

P≤14.64

96

5.5

197

其他燃?xì)猓C(jī)械驅(qū)動(dòng)用)

P≤14.64

150

8.7

308

其他燃?xì)?/p>

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?xì)?/p>

P>248.86

42

1.3

86

改建或重建

液體燃料

P≤14.64

150

8.7

308

天然氣

14.64<P ≤248.86

42

2.0

86

其他燃?xì)?/p>

14.64<P ≤248.86

96

4.7

197

位于北極圈以北(北緯66.5度)的汽輪機(jī),運(yùn)行低于75%最大負(fù)荷的機(jī)組,改建或重建的臨海燃?xì)廨啓C(jī),運(yùn)行溫度低于-17.7℃的燃?xì)廨啓C(jī)

≤ 30 MW

150

8.7

308

> 30 MW

96

4.7

197

獨(dú)立于燃?xì)廨啓C(jī)的熱回收裝置

所有類型

54

0.86

111

 

(三)歐盟燃機(jī)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

1988年,歐盟的前身歐共體制定了《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)燃料類型不同制定了各自的排放限值。該指令又于1994年和2001年兩次修訂。現(xiàn)行標(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 plants2001/80/EC[6]。該指令主要針對(duì)2000年以后新建或改建的大型燃燒企業(yè)(發(fā)電量超過50MW),規(guī)定了燃天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)組NOX排放限值執(zhí)行50mg/m3,燃用除天然氣外的氣態(tài)燃料和燃油機(jī)組NOX排放限值執(zhí)行120mg/m3,該NOX排放限值是指煙氣中含氧量在15%,機(jī)組負(fù)荷在70%及以上時(shí)的排放限值。詳見表3。歐盟各成員國均參考該指令制定本國標(biāo)準(zhǔn),本國標(biāo)準(zhǔn)不得低于該標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)本國政府并未制定標(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    

燃料類型

排放限值

mg/m3

天然氣(1)

50(2)

液體燃料(3)

120

氣體燃料(除天然氣)

120

注: 1.天然氣主要成分為甲烷,惰性成分和雜質(zhì)不超過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)。

 

(四)日本燃機(jī)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)上進(jìn)行了全面修改,制定了《大氣污染防治法》。1971年7月,日本成立環(huán)境省,加大了環(huán)境污染管理的力度和范圍。1972年和1973年又進(jìn)一步修訂了《大氣污染防治法》,除制定單個(gè)污染源的排放限值外,還開始實(shí)施總量控制,規(guī)定了區(qū)域允許排放總量。

日本關(guān)于燃機(jī)電廠的NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)從1973年8月的《大氣污染防治法》開始制定,對(duì)燃燒器燃料消耗量在50l/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)共經(jīng)歷了若干次強(qiáng)化,具體排放標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4  日本燃?xì)廨啓C(jī)組NOx排放標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)備類型

規(guī)模煙氣量的最大定額排放

(萬m3/h)

基準(zhǔn)

氧含量

(%)

1988.1.31前安裝的設(shè)備

(ppm

1988.2.1-1989.7.31安裝的設(shè)備

(ppm

1989.8.1-1991.1.31安裝的設(shè)備

(ppm

1991.2.1后安裝的設(shè)備

(ppm

氣體

燃料

≥4.5

16

/

70

70

70

<4.5

90

液體

燃料

≥4.5

16

/

100

100

<4.5

120

 

二、排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

中美歐日各國對(duì)燃機(jī)電廠氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展經(jīng)歷了不同的過程,以燃用天然氣的新建燃機(jī)機(jī)組為例,對(duì)比各個(gè)國家的氮氧化物排放限值如表5所示。可以看出,各個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的基準(zhǔn)氧含量條件基本一致,我國GB13223標(biāo)準(zhǔn)中NOx的限值要求嚴(yán)于國外標(biāo)準(zhǔn),僅較美國部分標(biāo)準(zhǔn)略為寬松。GB13223-2011作為火力發(fā)電廠大氣污染物排放新標(biāo)準(zhǔn),燃機(jī)電廠大氣污染物排放限值已經(jīng)向國際標(biāo)準(zhǔn)看齊,相關(guān)排放限值規(guī)定均已達(dá)到國際領(lǐng)先要求。

表5   國內(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

國家

標(biāo)準(zhǔn)/法規(guī)

基準(zhǔn)氧含量(%)

限值(mg/m3

中國

GB13223-2011

15

50

美國

40CFRpart60

15

31/51(1)

歐盟

2001/80/EC

15

50

日本

大氣污染防治法

16

140

注:31mg/m3、51mg/m3分別為P>248.86MW和14.64MW<P ≤248.86MW燃機(jī)的排放限值。

 

三、國外經(jīng)驗(yàn)借鑒

從排放限值看,我國的燃機(jī)電廠的氮氧化物排放濃度限值基本上是目前世界上主要經(jīng)濟(jì)體中最嚴(yán)格的限排標(biāo)準(zhǔn),然而從排放的控制方式和衡量指標(biāo)上看,各個(gè)國家和地區(qū)仍然存在一些差異。

一是美國標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了受控對(duì)象的實(shí)際情況,按照燃料、受控單元的建設(shè)年齡及輸出功率不同,分別執(zhí)行多種形式的排放限值規(guī)定。而中國在標(biāo)準(zhǔn)制修訂階段缺少完善的技術(shù)和成本—效益分析為支撐,僅靠燃機(jī)“年齡”的分類過于簡單,“一刀切”的做法雖然執(zhí)行簡單,但易使得受控電廠受到超前的限值規(guī)定,從而因環(huán)保壓力的影響而產(chǎn)生額外增加成本。

二是美國火電廠排放標(biāo)準(zhǔn)中采用的排放限值以基于產(chǎn)出(output-based)的績效限值為主,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(dòng)平均尺度為考核周期。基于產(chǎn)出的限值考慮了減排措施的效益,鼓勵(lì)受控對(duì)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(jī)的整體熱效率等,體現(xiàn)了節(jié)約能源與環(huán)境保護(hù)兼得的先進(jìn)理念,并有利于降低源的合規(guī)成本。

三是歐盟、日本等國均明確中長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,各國家和地區(qū)均以排放濃度作為衡量手段。在經(jīng)過多年的發(fā)展后,歐洲則早在20世紀(jì)80年代就同時(shí)進(jìn)行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20世紀(jì)70年代開始實(shí)施總量控制,規(guī)定了區(qū)域允許排放總量。反觀我國,尚無規(guī)定類似燃機(jī)電廠等工業(yè)固定排放源的總量控制目標(biāo)。

 

四、結(jié)語

電廠的氮氧化物排放量在我國氮氧化物排放總量中所占比重較大,電廠排放標(biāo)準(zhǔn)的提高有利于我國實(shí)施電力工業(yè)的節(jié)能減排。我國現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)電廠氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)在限值要求方面與發(fā)達(dá)國家相比已處于同一水平。但在燃機(jī)裝機(jī)規(guī)模持續(xù)保持增長也伴隨氮氧化物排放不斷增加的問題出現(xiàn),僅對(duì)燃機(jī)電廠實(shí)行簡單排放標(biāo)準(zhǔn)將難以改善和緩解環(huán)境壓力。因此,需要借鑒國外類似標(biāo)準(zhǔn)制定經(jīng)驗(yàn),如在標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)有機(jī)結(jié)合污染物減排和電廠節(jié)能提效、明確氮氧化物排放總量的中長期控制目標(biāo)等,從而實(shí)現(xiàn)減少火電污染物排放和滿足日益增加對(duì)電力的需求兩種目標(biāo)的雙贏。

 

參考文獻(xiàn):

[1] 李建.對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠NOx排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].新疆環(huán)境保護(hù),1999(3):19~22.

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[3] 國家環(huán)境保護(hù)總局.火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GBl3223-2003)[Z]. 2003.

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

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[7]日本環(huán)境省,煙塵和NOx排放標(biāo)準(zhǔn)值清單[EB/OL].http://www.env.go.jp/air/osen/law/t-kise-6.html,2012.

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03-18

專利導(dǎo)航模式在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的試點(diǎn)實(shí)踐思考與建議——以某區(qū)工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?yàn)槔?/p>

近年來,知識(shí)產(chǎn)權(quán)、專利數(shù)據(jù)越來越多次在國家層面進(jìn)入大眾視野,專利導(dǎo)航日益成為我國深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略和知識(shí)產(chǎn)權(quán)強(qiáng)國建設(shè)中的一項(xiàng)重要舉措。本文以某區(qū)工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?yàn)槔?,詳解專利?dǎo)航的模式與重點(diǎn),并提出相應(yīng)的思考與建議。

02-07

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