國內(nèi)外燃機電廠氮氧化物排放標準對比淺析
2021-12-03
作者:?
白尊亮 節(jié)能減排中心 業(yè)務咨詢一部
國內(nèi)外對燃機電廠普遍采取了以排放標準管理為主的排放控制。本文梳理我國和美國、歐盟及日本燃機電廠氮氧化物排放標準的發(fā)展歷程，分析不同國家現(xiàn)行標準限值的差異，總結可供我國未來借鑒的經(jīng)驗，為進一步完善我國排放標準、全面提升燃機電廠環(huán)保水平提供建議。
燃氣發(fā)電具有清潔、高效的特點，近年來我國燃機電廠裝機規(guī)模不斷擴大，有力地推動了我國能源結構轉型。由于燃燒溫度高、過量空氣系數(shù)大等工藝特點的影響，燃機電廠在生產(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)達經(jīng)濟體，我國對燃機電廠氮氧化物防治起步較晚。在裝機規(guī)模不斷擴大、地區(qū)環(huán)境容量受限的發(fā)展背景下，我國有必要密切關注燃機電廠的氮氧化物排放問題，并借鑒國外有益經(jīng)驗。
一、不同地區(qū)和國家的氮氧化物排放標準
（一）我國燃機氮氧化物排放標準
我國適用于燃機電廠大氣污染物排放的現(xiàn)行標準是《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)，其中對燃氣輪機組的氮氧化物排放限值按燃料類型不同設定，以油、天然氣和其他氣體為燃料的燃機氮氧化物排放限值分別為150mg/m3、50mg/m3和120mg/m3。我國排放標準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準狀態(tài)下的數(shù)值。同時，實測的排放值還需折算為基準氧含量（15%）條件下的排放值后再與限值數(shù)據(jù)對比。
回顧《火電廠大氣污染物排放標準》發(fā)展歷程。該標準首次與1991年發(fā)布，在初版標準并未對氮氧化物的排放進行限制。其后于1996年、2003年、2011年進行了3次修訂[2][3][4]，不同版本中對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)定了氮氧化物的標準限值，但僅對額定蒸發(fā)量大于1000t/h的煤粉鍋爐進行了限值。在2003年修訂的版本中，一是擴大了覆蓋范圍，改為對額定蒸發(fā)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電廠鍋爐。二是首次對燃氣輪機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致，增加了燃油、燃氣和燃用不同揮發(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，除了進一步提高氮氧化物的排放標準，還增加了對重點地區(qū)的標準要求，重點地區(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準》中對燃機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(guī)定
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標準 |
適用條件 |
限值 （mg/m3） |
|
GB13223-1991 |
/ |
未規(guī)定 |
|
GB13223-1996 |
/ |
未規(guī)定 |
|
GB13223-2003 |
燃油的燃氣輪機組 |
150 |
|
燃氣的燃氣輪機組 |
80 |
|
|
GB13223-2011 |
以油為燃料的燃氣輪機組 |
120 |
|
以天然氣為燃料的燃氣輪機組 |
50 |
|
|
以其他氣體為燃料的燃氣輪機組 |
120 |
（二）美國燃機氮氧化物排放標準
1970年美國通過第一部關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)污染源排放標準，即《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(zhí)行標準和導則。該標準制定的基礎是的“最佳示范技術”，同時規(guī)定在考慮技術和運營水平的基礎上適度嚴格，給各州精細化管理留有足夠的靈活度。
對于燃機電廠的NSPS，美國環(huán)保署從1977年開始執(zhí)行固定式燃氣輪機排放標準（Standards of Performance for Stationary Combustion Turbines）[5]，該標準對燃氣輪機發(fā)電機組的NOx和SO2排放限值進行了規(guī)定。該標準同時也是美國聯(lián)邦法規(guī)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日之后和2005年2月18日之前開始建造的燃機機組。KKKK子部分涵蓋了2005年2月18日之后開始建造的機組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，2005年修訂的版本中，排放標準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，表達為排放量/發(fā)電量（（lb/MWh，磅每兆瓦時）或排放量/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限值，表達為污染物在15％的氧含量條件下百萬分之體積濃度（ppmv）的形式。標準規(guī)則允許燃機電廠業(yè)主選擇基于績效或基于濃度的排放標準。
表2 美國固定式燃氣輪機NOX排放限值
|
建設類型 |
燃料類型 |
燃氣輪機最大負荷時的熱量輸入 （MW） |
排放標準 |
||
|
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（機械驅(qū)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(fā)電用） |
P≤14.64 |
96 |
5.5 |
197 |
|
|
其他燃氣（機械驅(qū)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 |
|
|
位于北極圈以北（北緯66.5度）的汽輪機，運行低于75%最大負荷的機組，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）歐盟燃機氮氧化物排放標準
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），首次針對大型燃燒企業(yè)制定了氮氧化物排放標準，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?，F(xiàn)行標準為《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)定了燃天然氣的燃氣輪機組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%，機組負荷在70％及以上時的排放限值。詳見表3。歐盟各成員國均參考該指令制定本國標準，本國標準不得低于該標準，當本國政府并未制定標準時則使用該標準。
表3 歐盟燃氣輪機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)機組發(fā)電效率大于55%；機械驅(qū)動用燃機； 3.僅適用燃用輕油的燃機。 |
|
（四）日本燃機氮氧化物排放標準
1968年日本在原有《煤煙排放控制法》的基礎上進行了全面修改,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年又進一步修訂了《大氣污染防治法》,除制定單個污染源的排放限值外，還開始實施總量控制，規(guī)定了區(qū)域允許排放總量。
日本關于燃機電廠的NOx的排放標準從1973年8月的《大氣污染防治法》開始制定，對燃燒器燃料消耗量在50l/h以上的燃氣輪機的NOx排放做了規(guī)定[7]，期間對此標準共經(jīng)歷了若干次強化，具體排放標準如表4所示。
表4 日本燃氣輪機組NOx排放標準
|
設備類型 |
規(guī)模煙氣量的最大定額排放 （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后安裝的設備 （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、排放標準對比
中美歐日各國對燃機電廠氮氧化物排放標準發(fā)展經(jīng)歷了不同的過程，以燃用天然氣的新建燃機機組為例，對比各個國家的氮氧化物排放限值如表5所示。可以看出，各個國家標準中所規(guī)定的基準氧含量條件基本一致，我國GB13223標準中NOx的限值要求嚴于國外標準，僅較美國部分標準略為寬松。GB13223-2011作為火力發(fā)電廠大氣污染物排放新標準，燃機電廠大氣污染物排放限值已經(jīng)向國際標準看齊，相關排放限值規(guī)定均已達到國際領先要求。
表5 國內(nèi)外以天然氣為燃料的新建燃機機組NOx現(xiàn)狀排放標準對比
|
國家 |
標準/法規(guī) |
基準氧含量（%） |
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燃機的排放限值。
三、國外經(jīng)驗借鑒
從排放限值看，我國的燃機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)濟體中最嚴格的限排標準，然而從排放的控制方式和衡量指標上看，各個國家和地區(qū)仍然存在一些差異。
一是美國標準充分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，分別執(zhí)行多種形式的排放限值規(guī)定。而中國在標準制修訂階段缺少完善的技術和成本—效益分析為支撐，僅靠燃機“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準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天滑動平均尺度為考核周期?；诋a(chǎn)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熱效率等，體現(xiàn)了節(jié)約能源與環(huán)境保護兼得的先進理念，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。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80年代就同時進行濃度控制和總量控制，更側重考量地區(qū)的環(huán)境總承受能力。日本也在20世紀70年代開始實施總量控制，規(guī)定了區(qū)域允許排放總量。反觀我國，尚無規(guī)定類似燃機電廠等工業(yè)固定排放源的總量控制目標。
四、結語
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，電廠排放標準的提高有利于我國實施電力工業(yè)的節(jié)能減排。我國現(xiàn)有燃氣輪機電廠氮氧化物的排放標準在限值要求方面與發(fā)達國家相比已處于同一水平。但在燃機裝機規(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)，僅對燃機電廠實行簡單排放標準將難以改善和緩解環(huán)境壓力。因此，需要借鑒國外類似標準制定經(jīng)驗，如在標準制定時有機結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等，從而實現(xiàn)減少火電污染物排放和滿足日益增加對電力的需求兩種目標的雙贏。
參考文獻：
[1] 李建.對燃氣輪機發(fā)電廠NOx排放執(zhí)行標準的探討[J].新疆環(huán)境保護,1999（3）:19~22.
[2] 國家環(huán)境保護總局.火電廠大氣污染物排放標準(GBl3223-1996)[Z]. 1996.
[3] 國家環(huán)境保護總局.火電廠大氣污染物排放標準(GBl3223-2003)[Z]. 2003.
[4] 國家環(huán)境保護總局.火電廠大氣污染物排放標準(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(huán)境省,煙塵和NOx排放標準值清單[EB/OL].http://www.env.go.jp/air/osen/law/t-kise-6.html,2012.
風險與不確定性——兼及對不確定性研究的初步思考
從風險管理實務中的“風險”定義出發(fā)，辨析后認為風險的本質(zhì)是不確定性，界定風險為“影響目標實現(xiàn)的不確定性”。在不確定性日益成為這個時代顯著特征的背景下，我們需要克服對確定性追求的天性，從“在不確定性中尋找確定性”轉向“在不確定性中認識和把握不確定性”，實現(xiàn)對不確定性的被動地接受到主動地把握。本文以對中國風險管理界有著重要影響的兩個組織（ISO[[[] ISO是國際標準化組織的簡稱，全稱是International Organization for Standardization。ISO是由各國標準化團體（ISO成員團體）組成的世界性的聯(lián)合會。制定國際標準的工作通常由ISO的技術委員會完成。]]和COSO[[[] COSO 即?Committee of Sponsoring Organizations of the Treadway Commission的縮寫，中文譯為反虛假財務報告委員會發(fā)起組織，有時也被直譯為美國科索委員會（如中國財政部2013年出版的第二版《企業(yè)內(nèi)部控制框架》中即采用的直譯方式）。]]）對“風險”的定義說開去，辨析風險的本質(zhì)就是不確定性，然后從社會學視角對不確定性的研究進行初步討論。
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