大氣污染源排放濃度折算公式推導(dǎo)及應(yīng)用注意事項

摘 要：在一定濃度下，含氧量和基準(zhǔn)含氧量的組合可以產(chǎn)生較大的折算變化幅度。目前，公開的資料沒有此計算公式的推導(dǎo)，本文基于稀釋定理推導(dǎo)折算公式，同時也可以推斷折算出的數(shù)值均為稀釋前濃度值，并不會因為實際過量空氣引入的不同而放大這個數(shù)值，從而產(chǎn)生數(shù)值失真。在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的行業(yè)和場景，折算公式的應(yīng)用需要遵從一定的規(guī)則限制。

關(guān)鍵詞：基準(zhǔn)含氧量；濃度折算；公式推導(dǎo)

中圖分類號：X 823 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國的大氣污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)要求對燃燒過程產(chǎn)生的煙塵和煙氣污染物進(jìn)行濃度折算，以折算濃度進(jìn)行排放濃度達(dá)標(biāo)評價，計算公式以濃度值和含氧量值完成計算。

1 基準(zhǔn)含氧量的歷史

濃度折算的做法早在20世紀(jì)90年代已經(jīng)執(zhí)行，當(dāng)時標(biāo)準(zhǔn)中使用空氣過剩系數(shù)的方式，空氣過剩系數(shù)和基準(zhǔn)含氧量互為換算關(guān)系，為了簡化計算和精準(zhǔn)反應(yīng)燃燒過程指標(biāo)，使用含氧量更方便。從2014年開始，生態(tài)環(huán)境部出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開始使用基準(zhǔn)含氧量。基準(zhǔn)氧濃度通常指燃料恰好充分燃燒時煙氣中含有的過剩氧濃度[1]。2014年發(fā)布的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271—2014）首次引入基準(zhǔn)含氧進(jìn)行濃度折算，但這個專用名詞在此標(biāo)準(zhǔn)中并未給出其定義。直到2018年發(fā)布的《國家大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)制訂技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 945.1—2018）“術(shù)語和定義部分”中首次正式對這一名詞進(jìn)行定義，基準(zhǔn)氧含量是用于折算燃燒源大氣污染物排放濃度而規(guī)定的氧含量的基準(zhǔn)值。

2 折算公式的計算表現(xiàn)

目前，全部執(zhí)行的大氣污染物控制標(biāo)準(zhǔn)中基于基準(zhǔn)含氧量進(jìn)行濃度折算的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中： C0為折算成基準(zhǔn)含氧量時的顆粒物或氣態(tài)污染物排放濃度，mg/m3；Cx為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)干煙氣狀態(tài)下顆粒物或氣態(tài)污染物實測濃度，mg/m3；Xo2 為在測點(diǎn)實測的干基含氧量，%； o2為有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基準(zhǔn)含氧量，%。

按此計算，可以推斷當(dāng)實測含氧量Xo2大于基準(zhǔn)含氧量o2時，折算得到的濃度將大于實測濃度。為考察折算的變化影響程度，根據(jù)公式（1）可以進(jìn)一步得到折算濃度相對實測濃度的變化幅度，如公式（2）所示。

（2）

式中：dc%為折算濃度相對實測濃度的變化幅度，%。

圖1為折算濃度相對實測濃度表化幅度隨實測含氧量變化曲線圖，由圖1可知，濃度變化幅度隨實測含氧量增大而增大，基準(zhǔn)含氧量越小變化越顯著；根據(jù)基準(zhǔn)含氧量的不同，當(dāng)實測含氧量達(dá)到12%～16%時，濃度表化幅度開始超過1倍，即此時折算濃度為實測濃度的2倍。

表1進(jìn)一步列出了當(dāng)基準(zhǔn)含氧量不同、實測含氧量大于基準(zhǔn)含氧量一定值（按照二者差值）時，折算處理濃度的變化幅度，由表1可知，針對不同基準(zhǔn)含氧量值，如果實測含氧量和基準(zhǔn)含氧量差值為1%，那么變化幅度最小為5%；如果實測含氧量和基準(zhǔn)含氧量差值為4%，那么變化幅度最小為26%。當(dāng)基準(zhǔn)含氧量為9%，實測含氧量和基準(zhǔn)含氧量差值為7%，那么變化幅度達(dá)到140%。由此可見，當(dāng)在含氧量數(shù)值超出基準(zhǔn)含氧量后，濃度的變化幅度很明顯。

表1中的數(shù)值可以作為折算時的速算系數(shù)，當(dāng)基準(zhǔn)含氧量為3%、實測含氧量對基準(zhǔn)含氧量的差值為3%（即實測含氧量為6%）時，折算結(jié)果相對實測濃度值的增大幅度為0.2（即20%）；同樣的基準(zhǔn)含氧量，當(dāng)實測含氧量對基準(zhǔn)含氧量差值為4%（即實測含氧量為7%）時，折算結(jié)果相對實測濃度值的增大幅度為0.28（即28%）。

3 基于稀釋定理的公式推導(dǎo)

3.1 計算公式推導(dǎo)

鑒于折算前后濃度變化較大，實際應(yīng)用中也遇到折算前不超標(biāo)而折算后超標(biāo)的案例。筆者也一度質(zhì)疑這個公式的正確性和公正性。目前發(fā)行的標(biāo)準(zhǔn)沒有給出這個公式的介紹，通過查詢公開出版的技術(shù)資料或者教科書也不能找到這個計算公式的推導(dǎo)來歷，大多數(shù)討論的為含氧量值測量方面的問題[1-3]。由此可見對此公式進(jìn)行分析推導(dǎo)具有重要意義。

一般認(rèn)為，計算折算濃度的目的是為了消除在燃燒過程中過量引入空氣引起的濃度變化，也就是說折算濃度是從稀釋后的濃度來推算稀釋前的濃度。引入過量空氣為純物理過程，該過程遵從稀釋定理，其中氧氣為溶質(zhì)，假定溫度、氣壓不變，根據(jù)稀釋定理稀釋前后氧氣總體積為恒等。從這個邏輯出發(fā)，可以嘗試基于稀釋定理來推導(dǎo)稀釋前后的濃度關(guān)系。下面推導(dǎo)當(dāng)燃燒過程引入過量的空氣后污染物濃度稀釋后的濃度。

燃料在燃燒器中充分燃燒，此時燃燒后廢氣中的含氧量等于基準(zhǔn)含氧量。在此基礎(chǔ)下引入過量空氣，設(shè)廢氣本底流量（即未引入過量空氣前）為Q0，本底污染物濃度為C0，本底含氧量為O2等于基準(zhǔn)含氧量，引入過量空氣占廢氣體積比例為Pi，引入空氣的含氧量為21%（在計算式中為0.21），那么可以根據(jù)稀釋定理對經(jīng)過混合稀釋后的污染物濃度和含氧量進(jìn)行計算。

根據(jù)稀釋定理，稀釋前后溶質(zhì)的質(zhì)量不變，在這個稀釋過程中，氧氣和污染物為溶質(zhì)。對氧氣來說，質(zhì)量可以用體積來換算，由此，可以建立稀釋前后含氧量體積的等式，即稀釋前廢氣中含氧量和引入空氣中含氧量之和等于稀釋后廢氣中的含氧量，如公式（3）所示。污染物如公式（4）所示。

Q0·O2+0.21·Pi·Q0=Xo2·（1+Pi）·Q0 （3）

Q0·C0=Cx·（1+Pi）·Q0 （4）

分別對公式（3）、公式（4）進(jìn)行變換，即可得到稀釋后的含氧量和污染物濃度，如公式（5）、公式（6）所示。

（5）

（6）

將公式（6）轉(zhuǎn)換就得到將稀釋后的濃度（即測定濃度或?qū)崪y濃度）轉(zhuǎn)換為稀釋前的濃度公式，如公式（7）所示。

c0=（1+pi）*cx " " " " "（7）

式中： Xo2為稀釋后含氧量，含義等同于公式（1）中Xo2值，%；cx為稀釋后污染物濃度，mg/m3。

公式（7）就是基于稀釋定理推導(dǎo)的污染物測定濃度的折算計算公式，可以認(rèn)定這個計算結(jié)果是準(zhǔn)確的。為了檢查當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中使用的計算公式（公式（1））結(jié)果是否存在偏差，可以把公式（7）與公式（1）的結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)使用公式（1）計算時，實測含氧量Xo2使用公式（5）的結(jié)果代入計算。為比較方便，定義折算系數(shù)為折算濃度和實測濃度的比值，對于公式（1）和公式（7）可以得到折算系數(shù)分別為k1 = 以及 k2 =（1+pi），定義折算系數(shù)比值為折算后和折算前濃度值的比值。

表2取基準(zhǔn)含氧量分別為16%、10%、6%以及3%，稀釋空氣占比為0.05～0.2（中間按照增加步長為0.05）的計算共計16種組合，計算結(jié)果顯示折算系數(shù)比值均為1。這些有限的計算案例一定程度揭示了按照基準(zhǔn)含氧量計算的結(jié)果原理上與稀釋定理推導(dǎo)計算一致。筆者最初是想通過兩種計算評估存在的差別，以評判折算計算公式的誤差，但表2表現(xiàn)提示有必要探求2種計算公式的內(nèi)部關(guān)聯(lián)系。為了從定量計算公式角度判定二者關(guān)系，利用數(shù)學(xué)代數(shù)式代入，即把公式（5）代入公式（1），經(jīng)過變換，確認(rèn)了公式（1）的最終變換結(jié)果為c0=（1+pi）·cx，這與公式（7）的計算公式一致。證明基于基準(zhǔn)含氧量的濃度折算公式就是根據(jù)稀釋定理推導(dǎo)出來的，折算濃度準(zhǔn)確指示了在稀釋前廢氣中污染物的濃度。上述的推導(dǎo)邏輯是通過已知稀釋空氣占比來求出稀釋后的含氧量，為了推導(dǎo)公式（1），將上述邏輯反過來，應(yīng)用稀釋定理，通過稀釋后的含氧量來求出稀釋空氣占比值，然后利用該值再次應(yīng)用稀釋定理得到稀釋前的濃度計算式。

3.2 計算公式探討

折算濃度還原了在足量空氣補(bǔ)給燃燒的工藝條件下廢氣污染物的排放濃度。從折算濃度本質(zhì)可以得出以下3條結(jié)論。1）折算濃度的應(yīng)用是針對燃燒工藝的，前提是出現(xiàn)過量氣體引入導(dǎo)致的污染物濃度稀釋場景，另外場景所采用稀釋氣體為空氣而不是純氧氣。2）無論空氣的過量幅度多大，折算出的數(shù)值均為稀釋前濃度，并不會因為實際過量空氣引入的不同而放大這個數(shù)值，從而產(chǎn)生數(shù)值失真。在現(xiàn)實應(yīng)用中，一方面采取過量空氣稀釋試圖來降低折算濃度的做法是徒勞的；另一方面，理論上廠家無須擔(dān)心過量空氣會導(dǎo)致算出的濃度放大“失真”而產(chǎn)生不公正的評價結(jié)果。當(dāng)然，從前面基于稀釋定理的推導(dǎo)可知，監(jiān)測點(diǎn)的實際值能否代表充分混合稀釋效應(yīng)會影響上述計算公式中cx的表現(xiàn)，從而影響折算值，現(xiàn)實中可能會導(dǎo)致出現(xiàn)“失真”。從這個角度，為了保證折算結(jié)果的完全公正，實際工藝過程在保證充分燃燒的前提下盡量不要過度稀釋。3）根據(jù)公式計算原理，基準(zhǔn)含氧量標(biāo)準(zhǔn)值是計算的關(guān)鍵因素，決定了一定現(xiàn)場條件下折算結(jié)果的大小，因此各個發(fā)布的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置基準(zhǔn)含氧量是一個關(guān)鍵而復(fù)雜的步驟，需要根據(jù)具體燃燒工藝原理和行業(yè)水平制定此值。隨著燃燒物質(zhì)組成燃燒器及工藝水平的不斷發(fā)展和應(yīng)用普及，不斷修正這一設(shè)置值的是可能的。

4 折算濃度使用注意事項

4.1 排放放速率計算不使用折算濃度

在實際工作中，往往需要計算排放速率，排放速率通過煙氣流量和煙氣中污染物濃度得到。實際工作中的煙氣流量監(jiān)測值為監(jiān)測點(diǎn)的實測流量，即引入稀釋空氣后的實際流量值，因此，計算排放速率就需要使用稀釋后的煙氣濃度（即實測濃度）。在《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 75-2017）中規(guī)定的排放速率的計算公式中，用于計算排放速率的排放濃度為實測濃度[4]。

4.2 無燃料燃燒的焙燒爐廢氣無需進(jìn)行濃度折算

濃度折算的本質(zhì)是消除引入過量空氣導(dǎo)致的濃度稀釋效應(yīng)，其適用需要同時具備2個條件：1）有燃燒過程。2）有過量的空氣引入。有些工業(yè)爐窯中的發(fā)生反應(yīng)是分解反應(yīng)，并沒有氧氣的參與，這樣的反應(yīng)廢氣是無需進(jìn)行濃度折算的（生態(tài)環(huán)境部部長信箱對這一問題的答復(fù)[5]）。

4.3 不斷適應(yīng)行業(yè)燃燒技術(shù)發(fā)展放調(diào)整折算要求

純氧助燃工藝可從源頭顯著降低氮氧化物的產(chǎn)生量，氮氧化物控制效果與末端高效脫硝技術(shù)相當(dāng)。但純氧助燃后煙氣含氧量較高，因此《玻璃工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中對純氧燃燒玻璃熔窯不執(zhí)行按照基準(zhǔn)含氧量折算，而是以按基準(zhǔn)排氣量進(jìn)行折算。2021年1月1日實施的《無機(jī)化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31573—2015）修改單規(guī)定對純氧助燃工藝也做出同樣調(diào)整[6]。

4.4 基準(zhǔn)含氧量設(shè)置值調(diào)整

根據(jù)燃燒技術(shù)的發(fā)展，2021年1月1日實施的《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 29620—2013）修改單中，直接引入了按照基準(zhǔn)含氧量進(jìn)行折算，同時設(shè)置基準(zhǔn)含氧量數(shù)值為18%（修改前為相當(dāng)于基準(zhǔn)含氧量8.6%）[6]。

5 應(yīng)用折算濃度計算的調(diào)整動態(tài)

2019年7月實施的 《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 37822—2019）中，明確了不必要折算的情形，例如在 10.3.3 節(jié)規(guī)定“進(jìn)入VOCs 燃燒（焚燒、氧化）裝置中廢氣含氧量可滿足自身燃燒、氧化反應(yīng)需要，不需另外補(bǔ)充空氣的（燃燒器需要補(bǔ)充空氣助燃的除外），以實測質(zhì)量濃度作為達(dá)標(biāo)判定依據(jù)，但裝置出口煙氣含氧量不得高于裝置進(jìn)口廢氣含氧量”。參照這一調(diào)整思路，劉忠生等[2]建議在對《合成樹脂工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB31570）等3項標(biāo)準(zhǔn)修訂時，對焚燒法、非焚燒法要求一致，即只要沒有人為稀釋就不必按基準(zhǔn)氧濃度進(jìn)行折算，目前生態(tài)環(huán)境部已經(jīng)就此在2023年8月發(fā)布的征詢意見中采納此調(diào)整[7]。

6 結(jié)語

基準(zhǔn)含氧量的折算計算公式是基于稀釋定理推導(dǎo)的，其計算的數(shù)值為充分燃燒后污染物的初始濃度，如果存在引用過量空氣稀釋，那么計算過程還原出稀釋前的污染物濃度值，這個數(shù)值不會因為引入過量空氣幅度的不同而出現(xiàn)數(shù)值“失真”。實際應(yīng)用需要注意不同行業(yè)、不同場景的不適用情景，避免應(yīng)用錯誤。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉忠生，王樂，王寬嶺，等.煉化VOCs控制標(biāo)準(zhǔn)中氧濃度折算問題分析和建議[J].當(dāng)代石油石化，2019，27（1）：47-51.

[3]江文豪，張學(xué)超，楊智勇，等.基于燃燒理論的大氣污染物排放濃度折算方法研究[J].電力科技與環(huán)保，2023，39（6）：533-542.

[4]環(huán)境保護(hù)部科技標(biāo)準(zhǔn)司.固定污染源煙氣（SO2、NOX、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：HJ 75-2017[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2018：32-33.

[5]部長信箱來信選登.關(guān)于無機(jī)化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中爐窯氧含量折算問題的回復(fù)[EB/OL].（2021-09-13）[2024-7-19].https：//www.mee.gov.cn/hdjl/hfhz/202109/t20210913_936691.shtml.

[6]大氣固定源環(huán)境管理.《鑄造工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等7項標(biāo)準(zhǔn)或修改單解讀[EB/OL].（2020-12-29）[2024-7-19]. https：//www.mee.gov.cn/ywgz/dqhjbh/dqgdyhjgl/202012/t20201229_815152.shtml.

[7]生態(tài)環(huán)境部辦公廳.關(guān)于公開征求《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等3項國家標(biāo)準(zhǔn)修改單（征求意見稿）意見的通知[EB/OL].（2023-8-2）[2024-7-19].https：//www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk06/202308/t20230802_1037925.html.