國內外燃機電廠氮氧化物排放標準對比淺析

白尊亮

上海市節能減排中心有限公司

0 引言

燃氣發電具有清潔、高效的特點，近年來我國燃機電廠裝機規模不斷擴大，有力地推動了我國能源結構的轉型。由于燃燒溫度高、過量空氣系數大等工藝特點，燃機電廠在生產過程中產生大量的“熱力型”NOx[1]，該NOx往往比燃煤電廠具有更高的氮氧化物排放強度。相比國外發達經濟體，我國對燃機電廠氮氧化物的控制起步較晚，在目前裝機規模不斷擴大、地區環境容量受限的發展背景下，需密切關注燃機電廠氮氧化物排放問題，并借鑒國外的發展經驗。

1 各地區和國家燃機氮氧化物排放標準

1.1 我國燃機電廠氮氧化物排放標準

目前，適用于我國燃機電廠大氣污染物排放的標準是《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)。在此標準中，燃氣輪機組氮氧化物排放限值按燃料類型設定，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，即干煙氣在標準狀態下的數值。此外，實測的排放值需先折算為在15%基準氧含量條件下的排放值，然后再與限值數據對比。

《火電廠大氣污染物排放標準》于1991年首次發布，之后，于1996年、2003年和2011年進行了3次修訂[2][3][4]，各版本對氮氧化物的排放限制在逐步改變。1991初版標準并未對氮氧化物的排放進行限制。1996年修訂版本首次規定了氮氧化物標準限值，但僅針對額定蒸發量大于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：一是擴大了覆蓋范圍，涵蓋了額定蒸發量在65 t/h以上的所有鍋爐，即基本上所有火電廠的鍋爐都被納入標準限值范圍內了；二是首次對燃氣輪機氮氧化物的排放提出了明確的要求；三是燃料方面的分類更為細致，增加了燃油、燃氣和燃用不同揮發分含量煤炭的火電廠的氮氧化物排放限值。而2011年修訂版本除進一步提高氮氧化物排放標準外，還增加了重點地區的標準要求。重點地區是指國土開發密度高、大氣環境容量小、生態環境脆弱等容易發生嚴重大氣污染問題的地區。

不同版本的《火電廠大氣污染物排放標準》中燃機電廠氮氧化物排放限值見表1。

表1 GB13223各版本對燃機電廠氮氧化物排放限值規定

1.2 美國燃機電廠氮氧化物排放標準

1970年，美國通過了第一部關于空氣污染控制的法規《清潔空氣法》(Clean Air Act)，從法律上規定了由美國環保署USEPA制定全國統一的新建工業污染源排放標準。據此，美國環保署制定了《新污染源行為標準》（New Sources Performance Standard，NSPS），以此作為全國最低限度的執行標準和導則。該標準制定的各排放限值基于“最佳示范技術”，同時規定在考慮技術和運營水平的基礎上可適度嚴格，從而給聯邦各州精細化管理留有足夠的靈活度。

對燃機電廠的排放，美國環保署從1977年開始執行《固定式燃氣輪機排放標準》（Standards of Performance for Stationary Combustion Turbines）[5]，該標準對燃氣輪機組的NOx和SO2排放限值進行了規定，該標準同時也是美國聯邦法規40CFR第60部分。標準分為GG和KKKK兩個子部分：GG子部分涵蓋了1977年10月3日之后、2005年2月18日之前建造的燃機機組；KKKK子部分則涵蓋了2005年2月18日之后開始建造的燃氣輪機和相關的余熱鍋爐。該標準于1982年、2003年和2005年進行了3次修訂，其中，在2005年修訂的版本中，首次引入了績效排放的概念：即以單位發電量或單位熱量輸入給定排放限值，表達為排放量/發電量（lb/MWh）或排放量/機組輸入的熱量（ng/J）的形式，同時，也保留了以濃度形式給定的排放限值，表達為污染物在15%氧含量條件下百萬分之體積濃度（ppmv）的形式。標準允許燃機電廠業主選擇遵守基于績效或基于濃度的排放限值。

固定式燃氣輪機NOX排放限值見表2。

1.3 歐盟燃機電廠氮氧化物排放標準

1988年，歐盟前身歐共體制定了《大型燃燒企業指令》（Large combustion plant directive 88/609/EEC），首次針對大型燃燒企業制定了氮氧化物排放標準，并根據燃料類型制定了排放限值。該指令于1994年和2001年進行了兩次修訂。目前執行的標準為《大型燃燒企業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2000年以后新建的或改建的、裝機容量超過50 MW的大型燃燒企業，其中，天然氣燃氣輪機組NOX排放限值為50 mg/m3、其他氣態燃料和燃油機組NOx排放限值為120 mg/m3。NOx排放限值定義為煙氣含氧量在15%、機組負荷在70%及以上時的排放限值，詳見表3。同時，該指令規定，歐盟各成員國參考該指令標準制定本國標準，但本國標準不得低于該指令標準，當本國政府還未制定出自己的標準時則使用該標準。

表3 歐盟燃氣輪機NOx排放限值

注：（1）天然氣主要成分為甲烷，惰性成分和雜質不超過20%。（2）如出現以下情況則排放限值為75 mg/m3：熱電聯產且熱效率大于75%；聯合循環機組發電效率大于55%；機械驅動用燃機。（3）僅適用燃用輕油的燃機。

表2 美國固定式燃氣輪機NOX排放限值

1.4 日本燃機電廠氮氧化物排放標準

1968年，日本在原有《煤煙排放控制法》的基礎上制定了《大氣污染防治法》。1971年7月,日本成立了環境省，加大對環境污染的管理力度和范圍。1972年和1973年又進一步修訂了《大氣污染防治法》,新修訂的法案除單個污染源排放限值外，還開始實施總量控制，規定了區域允許的排放總量。

1973年8月的《大氣污染防治法》制定了日本燃機電廠NOx排放標準，對燃燒器燃料消耗量在501 t/h以上的燃氣輪機的NOx排放做了規定[7]，期間,對此標準進行了若干次強化，具體排放標準見表4。

2 排放標準對比

中美歐日各國對燃機電廠氮氧化物排放標準的發展經歷了不同的過程，以燃用天然氣的新建燃機機組為例，各個國家NOx排放限值對比見表5。從表中可看出，各個國家標準中規定的基準氧含量條件基本一致，我國GB13223標準中NOx的限值嚴于大部分國外標準，僅較美國部分標準略為寬松，意味著我國NOx排放標準已向國際標準看齊，并達到國際領先水平。

表4 日本燃氣輪機組NOx排放標準

表5 國內外以天然氣為燃料的新建燃機機組NOx現狀排放標準對比

3 國外經驗借鑒

從NOx排放限值看，我國是目前世界上主要經濟體中最嚴格的，然而，從排放控制方式和衡量指標上看，和其他國家和地區仍存在一些差異。

1）美國標準充分考慮了受控對象的實際情況，如按燃料、受控單元的建設類型、輸出功率甚至使用位置的不同，執行多種形式的排放限值。而我國標準在制、修訂過程中缺乏完善的技術和成本—效益分析支撐，僅按燃料種類和燃機運行年齡進行分類，“一刀切”的做法雖然執行簡單，但容易造成受控電廠受到與自身不匹配的“超前”限值規定，導致因環保壓力的增大而增加額外的成本。

2）美國火電廠排放標準中采用的排放限值以基于產出的績效限值為主，包括基于熱量輸入、功率輸出的績效限值，績效限值以30天滑動平均尺度為考核周期。基于產出的限值考慮了減排措施的效益，鼓勵受控對象采用諸如提高燃燒效率、回收有用熱量提高燃機整體熱效率等方式來減少化石燃料的使用，體現了節約能源與保護環境兼顧的先進理念，有利于減少受控對象的合規成本。

3）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。在早期的氮氧化物排放控制上，各個國家和地區均以排放濃度作為衡量手段。經過多年發展，歐洲在80年代就同時進行了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70年代開始實施總量控制，規定了區域允許排放總量。反觀我國尚未對類似燃機電廠的工業固定排放源總量目標進行規定。

4 結語

我國現有燃氣輪機電廠氮氧化物排放標準在限值方面與發達國家相比已處于同一水平，但在燃機裝機規模持續保持增長的同時，氮氧化物排放不斷增加的問題隨之出現。僅對燃機電廠實行簡單的濃度排放標準難以改善和緩解環境壓力，因此需借鑒國外類似經驗制定標準，在后續標準修訂時應考慮績效排放標準，有機結合污染物減排和電廠節能提效，明確受控對象氮氧化物排放總量控制目標等，實現火電污染物減排目標和電力供應保障目標的雙贏。