国内外燃机电厂氮氧化物排放标准对比浅析
2021-12-03
作者:
白尊亮 节能减排中心 业务咨询一部
国内外对燃机电厂普遍采取了以排放标准管理为主的排放控制。本文梳理我国和美国、欧盟及日本燃机电厂氮氧化物排放标准的发展历程，分析不同国家现行标准限值的差异，总结可供我国未来借鉴的经验，为进一步完善我国排放标准、全面提升燃机电厂环保水平提供建议。
燃气发电具有清洁、高效的特点，近年来我国燃机电厂装机规模不断扩大，有力地推动了我国能源结构转型。由于燃烧温度高、过量空气系数大等工艺特点的影响，燃机电厂在生产过程中产生大量的“热力型”NOx[1]，相比燃煤电厂具有较高的氮氧化物排放水平。相比国外发达经济体，我国对燃机电厂氮氧化物防治起步较晚。在装机规模不断扩大、地区环境容量受限的发展背景下，我国有必要密切关注燃机电厂的氮氧化物排放问题，并借鉴国外有益经验。
一、不同地区和国家的氮氧化物排放标准
（一）我国燃机氮氧化物排放标准
我国适用于燃机电厂大气污染物排放的现行标准是《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，其中对燃气轮机组的氮氧化物排放限值按燃料类型不同设定，以油、天然气和其他气体为燃料的燃机氮氧化物排放限值分别为150mg/m3、50mg/m3和120mg/m3。我国排放标准中采用的限值形式为单一的浓度限值，该限值为干烟气在标准状态下的数值。同时，实测的排放值还需折算为基准氧含量（15%）条件下的排放值后再与限值数据对比。
回顾《火电厂大气污染物排放标准》发展历程。该标准首次与1991年发布，在初版标准并未对氮氧化物的排放进行限制。其后于1996年、2003年、2011年进行了3次修订[2][3][4]，不同版本中对氮氧化物的排放限制也在逐步变化。在1996年修订版本中，首次规定了氮氧化物的标准限值，但仅对额定蒸发量大于1000t/h的煤粉锅炉进行了限值。在2003年修订的版本中，一是扩大了覆盖范围，改为对额定蒸发量65t/h以上所有锅炉进行全面控制，基本上涵盖了所有的火电厂锅炉。二是首次对燃气轮机的氮氧化物的排放提出了明确要求。三是在燃料方面分类更为细致，增加了燃油、燃气和燃用不同挥发分含量煤炭的火电厂氮氧化物排放限值。在2011年修订版本中，除了进一步提高氮氧化物的排放标准，还增加了对重点地区的标准要求，重点地区主要指国土开发密度高、大气环境容量小、生态环境脆弱等容易发生严重大气污染问题的地区。不同版本的《火电厂大气污染物排放标准》中对燃机氮氧化物排放限值见表1。
表1 GB13223各版本对燃机电厂氮氧化物排放限值规定
|
标准 |
适用条件 |
限值 （mg/m3） |
|
GB13223-1991 |
/ |
未规定 |
|
GB13223-1996 |
/ |
未规定 |
|
GB13223-2003 |
燃油的燃气轮机组 |
150 |
|
燃气的燃气轮机组 |
80 |
|
|
GB13223-2011 |
以油为燃料的燃气轮机组 |
120 |
|
以天然气为燃料的燃气轮机组 |
50 |
|
|
以其他气体为燃料的燃气轮机组 |
120 |
（二）美国燃机氮氧化物排放标准
1970年美国通过第一部关于空气污染控制的法规《清洁空气法》(Clean Air Act)，法律规定由美国环保署（USEPA）制定全国统一的新建工业污染源排放标准，即《新污染源行为标准》（New Sources Performance Standard，NSPS），以此作为全国最低限度的执行标准和导则。该标准制定的基础是的“最佳示范技术”，同时规定在考虑技术和运营水平的基础上适度严格，给各州精细化管理留有足够的灵活度。
对于燃机电厂的NSPS，美国环保署从1977年开始执行固定式燃气轮机排放标准（Standards of Performance for Stationary Combustion Turbines）[5]，该标准对燃气轮机发电机组的NOx和SO2排放限值进行了规定。该标准同时也是美国联邦法规40CFR第60部分，标准分为GG和KKKK两个子部分，GG子部分涵盖了1977年10月3日之后和2005年2月18日之前开始建造的燃机机组。KKKK子部分涵盖了2005年2月18日之后开始建造的机组的燃气轮机和相关的余热锅炉。该标准于1982年、2003年和2005年进行了3次修订，2005年修订的版本中，排放标准首次引入了绩效排放的概念，即以单位发电量或单位热量输入给定排放限值，表达为排放量/发电量（（lb/MWh，磅每兆瓦时）或排放量/机组输入的热量（ng/J，纳克每焦耳）的形式。同时也保留以浓度给定排放限值，表达为污染物在15％的氧含量条件下百万分之体积浓度（ppmv）的形式。标准规则允许燃机电厂业主选择基于绩效或基于浓度的排放标准。
表2 美国固定式燃气轮机NOX排放限值
|
建设类型 |
燃料类型 |
燃气轮机最大负荷时的热量输入 （MW） |
排放标准 |
||
|
ppm |
lb/MWh |
mg/m3 （按NO2的ppm浓度折合） |
|||
|
新建 |
天然气（发电用） |
P≤14.64 |
42 |
2.3 |
86 |
|
天然气（机械驱动用） |
P≤14.64 |
100 |
5.5 |
205 |
|
|
天然气 |
14.64＜P ≤248.86 |
25 |
1.2 |
51 |
|
|
其他燃气（发电用） |
P≤14.64 |
96 |
5.5 |
197 |
|
|
其他燃气（机械驱动用） |
P≤14.64 |
150 |
8.7 |
308 |
|
|
其他燃气 |
14.64＜P ≤248.86 |
74 |
3.6 |
152 |
|
|
新建、改建或重建 |
天然气 |
P>248.86 |
15 |
0.43 |
31 |
|
其他燃气 |
P>248.86 |
42 |
1.3 |
86 |
|
|
改建或重建 |
液体燃料 |
P≤14.64 |
150 |
8.7 |
308 |
|
天然气 |
14.64＜P ≤248.86 |
42 |
2.0 |
86 |
|
|
其他燃气 |
14.64＜P ≤248.86 |
96 |
4.7 |
197 |
|
|
位于北极圈以北（北纬66.5度）的汽轮机，运行低于75%最大负荷的机组，改建或重建的临海燃气轮机，运行温度低于-17.7℃的燃气轮机 |
≤ 30 MW |
150 |
8.7 |
308 |
|
|
> 30 MW |
96 |
4.7 |
197 |
||
|
独立于燃气轮机的热回收装置 |
所有类型 |
54 |
0.86 |
111 |
|
（三）欧盟燃机氮氧化物排放标准
1988年，欧盟的前身欧共体制定了《大型燃烧企业指令》（Large combustion plant directive 88/609/EEC），首次针对大型燃烧企业制定了氮氧化物排放标准，并根据燃料类型不同制定了各自的排放限值。该指令又于1994年和2001年两次修订。现行标准为《大型燃烧企业大气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]。该指令主要针对2000年以后新建或改建的大型燃烧企业（发电量超过50MW），规定了燃天然气的燃气轮机组NOX排放限值执行50mg/m3，燃用除天然气外的气态燃料和燃油机组NOX排放限值执行120mg/m3，该NOX排放限值是指烟气中含氧量在15%，机组负荷在70％及以上时的排放限值。详见表3。欧盟各成员国均参考该指令制定本国标准，本国标准不得低于该标准，当本国政府并未制定标准时则使用该标准。
表3 欧盟燃气轮机NOx排放限值
|
燃料类型 |
排放限值 （mg/m3） |
|
天然气(1) |
50(2) |
|
液体燃料(3) |
120 |
|
气体燃料（除天然气） |
120 |
|
注： 1.天然气主要成分为甲烷，惰性成分和杂质不超过20%； 2.如出现以下情况则排放限值为75 mg/m3：热电联产且热效率大于75%；联合循环机组发电效率大于55%；机械驱动用燃机； 3.仅适用燃用轻油的燃机。 |
|
（四）日本燃机氮氧化物排放标准
1968年日本在原有《煤烟排放控制法》的基础上进行了全面修改,制定了《大气污染防治法》。1971年7月,日本成立环境省，加大了环境污染管理的力度和范围。1972年和1973年又进一步修订了《大气污染防治法》,除制定单个污染源的排放限值外，还开始实施总量控制，规定了区域允许排放总量。
日本关于燃机电厂的NOx的排放标准从1973年8月的《大气污染防治法》开始制定，对燃烧器燃料消耗量在50l/h以上的燃气轮机的NOx排放做了规定[7]，期间对此标准共经历了若干次强化，具体排放标准如表4所示。
表4 日本燃气轮机组NOx排放标准
|
设备类型 |
规模烟气量的最大定额排放 （万m3/h） |
基准 氧含量 （%） |
1988.1.31前安装的设备 （ppm） |
1988.2.1-1989.7.31安装的设备 （ppm） |
1989.8.1-1991.1.31安装的设备 （ppm） |
1991.2.1后安装的设备 （ppm） |
|
气体 燃料 |
≥4.5 |
16 |
/ |
70 |
70 |
70 |
|
<4.5 |
90 |
|||||
|
液体 燃料 |
≥4.5 |
16 |
/ |
100 |
100 |
|
|
<4.5 |
120 |
二、排放标准对比
中美欧日各国对燃机电厂氮氧化物排放标准发展经历了不同的过程，以燃用天然气的新建燃机机组为例，对比各个国家的氮氧化物排放限值如表5所示。可以看出，各个国家标准中所规定的基准氧含量条件基本一致，我国GB13223标准中NOx的限值要求严于国外标准，仅较美国部分标准略为宽松。GB13223-2011作为火力发电厂大气污染物排放新标准，燃机电厂大气污染物排放限值已经向国际标准看齐，相关排放限值规定均已达到国际领先要求。
表5 国内外以天然气为燃料的新建燃机机组NOx现状排放标准对比
|
国家 |
标准/法规 |
基准氧含量（%） |
限值（mg/m3） |
|
中国 |
GB13223-2011 |
15 |
50 |
|
美国 |
40CFRpart60 |
15 |
31/51（1） |
|
欧盟 |
2001/80/EC |
15 |
50 |
|
日本 |
大气污染防治法 |
16 |
140 |
注：31mg/m3、51mg/m3分别为P＞248.86MW和14.64MW＜P ≤248.86MW燃机的排放限值。
三、国外经验借鉴
从排放限值看，我国的燃机电厂的氮氧化物排放浓度限值基本上是目前世界上主要经济体中最严格的限排标准，然而从排放的控制方式和衡量指标上看，各个国家和地区仍然存在一些差异。
一是美国标准充分考虑了受控对象的实际情况，按照燃料、受控单元的建设年龄及输出功率不同，分别执行多种形式的排放限值规定。而中国在标准制修订阶段缺少完善的技术和成本—效益分析为支撑，仅靠燃机“年龄”的分类过于简单，“一刀切”的做法虽然执行简单，但易使得受控电厂受到超前的限值规定，从而因环保压力的影响而产生额外增加成本。
二是美国火电厂排放标准中采用的排放限值以基于产出（output-based）的绩效限值为主，包括基于热输入、能量输出的绩效限值，绩效限值以30天滑动平均尺度为考核周期。基于产出的限值考虑了减排措施的效益，鼓励受控对象减少化石燃料的使用，例如提高燃烧效率，通过回收有用热量提高燃机的整体热效率等，体现了节约能源与环境保护兼得的先进理念，并有利于降低源的合规成本。
三是欧盟、日本等国均明确中长期大气污染物排放总量控制目标。在早期的氮氧化物排放控制上，各国家和地区均以排放浓度作为衡量手段。在经过多年的发展后，欧洲则早在20世纪80年代就同时进行浓度控制和总量控制，更侧重考量地区的环境总承受能力。日本也在20世纪70年代开始实施总量控制，规定了区域允许排放总量。反观我国，尚无规定类似燃机电厂等工业固定排放源的总量控制目标。
四、结语
电厂的氮氧化物排放量在我国氮氧化物排放总量中所占比重较大，电厂排放标准的提高有利于我国实施电力工业的节能减排。我国现有燃气轮机电厂氮氧化物的排放标准在限值要求方面与发达国家相比已处于同一水平。但在燃机装机规模持续保持增长也伴随氮氧化物排放不断增加的问题出现，仅对燃机电厂实行简单排放标准将难以改善和缓解环境压力。因此，需要借鉴国外类似标准制定经验，如在标准制定时有机结合污染物减排和电厂节能提效、明确氮氧化物排放总量的中长期控制目标等，从而实现减少火电污染物排放和满足日益增加对电力的需求两种目标的双赢。
参考文献：
[1] 李建.对燃气轮机发电厂NOx排放执行标准的探讨[J].新疆环境保护,1999（3）:19~22.
[2] 国家环境保护总局.火电厂大气污染物排放标准(GBl3223-1996)[Z]. 1996.
[3] 国家环境保护总局.火电厂大气污染物排放标准(GBl3223-2003)[Z]. 2003.
[4] 国家环境保护总局.火电厂大气污染物排放标准(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]日本环境省,烟尘和NOx排放标准值清单[EB/OL].http://www.env.go.jp/air/osen/law/t-kise-6.html,2012.
风险与不确定性——兼及对不确定性研究的初步思考
从风险管理实务中的“风险”定义出发，辨析后认为风险的本质是不确定性，界定风险为“影响目标实现的不确定性”。在不确定性日益成为这个时代显著特征的背景下，我们需要克服对确定性追求的天性，从“在不确定性中寻找确定性”转向“在不确定性中认识和把握不确定性”，实现对不确定性的被动地接受到主动地把握。本文以对中国风险管理界有着重要影响的两个组织（ISO[[[] ISO是国际标准化组织的简称，全称是International Organization for Standardization。ISO是由各国标准化团体（ISO成员团体）组成的世界性的联合会。制定国际标准的工作通常由ISO的技术委员会完成。]]和COSO[[[] COSO 即 Committee of Sponsoring Organizations of the Treadway Commission的缩写，中文译为反虚假财务报告委员会发起组织，有时也被直译为美国科索委员会（如中国财政部2013年出版的第二版《企业内部控制框架》中即采用的直译方式）。]]）对“风险”的定义说开去，辨析风险的本质就是不确定性，然后从社会学视角对不确定性的研究进行初步讨论。
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