徐灝 袁靜娟 吳夢可 顧雅潔 丁得龍 張力

（1 浙江天地環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?浙江杭州 310003 2 浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司 浙江寧波 315000）

0 引言

近年來，隨著中國天然氣資源的大量利用，國家“西氣東輸”、近海天然氣利用以及海外液化天然氣引入等工作全面啟動(dòng)，燃?xì)獍l(fā)電行業(yè)不斷壯大，燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量持續(xù)擴(kuò)大。2021 年1 月18 日，東莞深能樟洋電力公司擴(kuò)建工程項(xiàng)目首套發(fā)電機(jī)組168 h 滿負(fù)荷試運(yùn)的完成，標(biāo)志著我國氣電裝機(jī)容量突破1 億kW。然而，由于燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量的日益擴(kuò)大，其氮氧化物（NOx）排放問題也日益引起社會(huì)重視。

國家現(xiàn)有的 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）中規(guī)定，建設(shè)燃用天然氣的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組NOX排放限值為50 mg/m3，但在不采取尾部脫硝措施的情況下，目前大部分燃機(jī)電站的NOX排放濃度均低于國標(biāo)，這不利于調(diào)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)電廠的減排積極性。因此，依據(jù)我國燃機(jī)電站實(shí)際情況與國家環(huán)境發(fā)展規(guī)劃，制定可有效控制NOX排放的新標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)改善空氣質(zhì)量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 燃機(jī)行業(yè)規(guī)模及NOX 排放現(xiàn)狀

1.1 我國燃機(jī)行業(yè)規(guī)模及現(xiàn)狀

在國家“十五”規(guī)劃中，我國對(duì)天然氣能源策略進(jìn)行較大調(diào)整。“十五”規(guī)劃綱領(lǐng)明確“加快天然氣勘察、開發(fā)和利用，統(tǒng)籌生產(chǎn)基地，輸送管線和用氣工程建設(shè)，引用國外天然氣，提高天然氣消費(fèi)比重”。隨后，天然氣資源得到了大規(guī)模開發(fā)利用。燃?xì)獍l(fā)電具有環(huán)境影響小、調(diào)峰能力高、能源轉(zhuǎn)換率高、碳排放強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020 年底，我國燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)的容量達(dá)到9 802 萬kW，占全國總裝機(jī)的4.45%。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，到2025 年，中國天然氣發(fā)電裝機(jī)容量將超過1.43 億kW，約占總裝機(jī)比例6%［1］，詳見圖1。由圖1 可以看出，2020—2025 年燃?xì)庋b機(jī)的平均增速在9.2%，仍處于快速增長階段。

圖1 2015—2025 年我國天然氣發(fā)電裝容量及增長速率

1.2 燃機(jī)NOX 排放現(xiàn)狀

2017 年6 月～7 月，江蘇省標(biāo)準(zhǔn)編制組分別對(duì)全省的13座在役燃機(jī)電廠和8 座主要在建燃機(jī)電廠的NOX排放狀況進(jìn)行了調(diào)研，經(jīng)過比較分析大量數(shù)據(jù)，得出了以下結(jié)果：多數(shù)燃機(jī)電廠NOX平均排放濃度在50 mg/m3以下，NOX排放濃度為40 mg/m3～50 mg/m3、30 mg/m3～40 mg/m3和20 mg/m3～30 mg/m3以下的機(jī)組分別占比27%、27%和46%［2］。

假設(shè)所有燃機(jī)年利用時(shí)間按5 500 h 計(jì)，燃機(jī)電廠的標(biāo)準(zhǔn)煙氣量約為5.6 m3/kWh。若以江蘇省燃機(jī)發(fā)電NOX排放情況來預(yù)測全國，則2020 年全國燃機(jī)NOX的排放量約為115 萬t；到2025 年，燃機(jī)NOx 的排放量將達(dá)到168 萬t，總量不容忽視。

2 燃機(jī)脫硝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 燃機(jī)脫硝技術(shù)概況

大量研究已證實(shí)，在煤、天然氣等燃燒過程中產(chǎn)生NOx 的主要途徑有3 種，即燃料型、熱力型和快速型［3］，其中熱力型和快速型是燃機(jī)NOX產(chǎn)生的主要途徑。熱力型NOX指空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卤谎趸纸舛傻腘OX；快速型NOX指燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)等發(fā)生反應(yīng)而生成的NOX。根據(jù)燃機(jī)NOX的形成機(jī)理，可通過以下2 種方法來減少NOX的排放：①在燃燒過程中減少NOx 的產(chǎn)生，即低氮燃燒技術(shù)；②在燃燒后對(duì)煙氣中的NOx 進(jìn)行脫除，即尾部煙氣脫硝技術(shù)［4］。

（1）低氮燃燒技術(shù)。主要分為噴水或蒸汽、分級(jí)燃燒、均相預(yù)混燃燒等技術(shù)。噴水或蒸汽是指在天然氣燃燒過程中，向高溫燃燒區(qū)噴水或蒸汽來降低燃燒的溫度，從而降低熱力型NOx 的生成量。分級(jí)燃燒即將空氣分多級(jí)送入，以降低燃燒過程中的火焰溫度，進(jìn)而減少熱力型NOX的生成量。均相預(yù)混燃燒則是先將空氣和燃料氣預(yù)混后，再進(jìn)入燃燒器，這樣就極大地避免了快速NOX的產(chǎn)生。（2）尾部煙氣脫硝技術(shù)。主要包括選擇性非催化還原（SNCR）和選擇性催化還原（SCR）技術(shù)。SNCR 技術(shù)是指在無催化劑條件下，向煙氣中噴入還原劑氨或尿素，使NOX被還原成N2和H2O，該反應(yīng)溫度條件為900 ℃～1 100 ℃。SCR 技術(shù)原理為在催化劑作用下，向煙氣中噴入還原劑，將NOx 還原成N2和H2O。由于催化劑可以降低反應(yīng)活化能，所以在催化劑存在的條件下，NOx 和氨等還原劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)的適宜溫度為280 ℃～420 ℃。與SNCR 技術(shù)相比，SCR 技術(shù)的脫硝效率、還原劑利用率均較高，且反應(yīng)溫度較低?；谝陨显颍壳霸谌?xì)獍l(fā)電廠使用比較普遍的脫硝技術(shù)是SCR 技術(shù)［5］。

2.2 燃機(jī)SCR 脫硝技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

目前，國內(nèi)已有部分燃?xì)獍l(fā)電廠加裝有SCR 脫硝系統(tǒng)。為了進(jìn)一步了解燃機(jī)機(jī)組及其煙氣脫硝裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和大氣污染物排放水平，本文以北京某燃?xì)鉄犭娪邢薰続 和天津某燃?xì)鉄犭娪邢薰綛 為例進(jìn)行分析。對(duì)于這2 家公司分別整理了其近一年的NOX的排放數(shù)據(jù)，如圖2 和圖3 所示。

對(duì)北京某燃?xì)鉄犭娪邢薰続 和天津某燃?xì)鉄犭娪邢薰綛 近一年的NOX排放數(shù)據(jù)，進(jìn)行了最小值、最大值、平均值和濃度分布區(qū)間分析，見表1 和表2。從圖2 和圖3 可以看出，采用燃機(jī)脫硝技術(shù)后，2 個(gè)燃機(jī)電廠NOX排放濃度平均值基本在10 mg/m3上下。從表1 和表2 可以看出，2 家燃機(jī)電廠NOX的排放濃度基本都在15 mg/m3以下；且北京某燃?xì)鉄犭娪邢薰続 的NOX排放濃度更低，約有42.58%分布在10 mg/m3以下；而天津某燃?xì)鉄犭娪邢薰綛 的NOX排放濃度基本集中在10 mg/m3～15 mg/m3。相比北京某燃?xì)鉄犭娪邢薰続，天津某燃?xì)鉄犭娪邢薰綛 的NOX排放控制有一定提升空間。2家公司的脫硝實(shí)例說明SCR 脫硝技術(shù)有望將燃機(jī)NOX排放濃度控制在15 mg/m3以下。

表1 不同燃機(jī)電廠近一年NOx 排放統(tǒng)計(jì)

表2 不同燃機(jī)電廠NOx 排放濃度不同區(qū)間占比 （%）

圖2 北京某燃?xì)鉄犭娪邢薰続 的NOX 排放數(shù)據(jù)

圖3 天津某燃?xì)鉄犭娪邢薰綛 的NOX 排放數(shù)據(jù)

3 國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)組大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

3.1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

中國現(xiàn)有的 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）規(guī)定了天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組顆粒物、SO2及NOX排放限值分別為5 mg/m3、35 mg/m3和50 mg/m3。由于NOX的污染問題日益引起社會(huì)重視，北京、天津和深圳等地政府在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，制定了更為嚴(yán)格的NOX排放標(biāo)準(zhǔn)。

北京市 《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11/847—2011）中明文規(guī)定新建燃用天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)組顆粒物、SO2及NOx 的排放限值分別為5 mg/m3、20 mg/m3和30 mg/m3。天津市《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 12/810—2018）中明文規(guī)定現(xiàn)有、新建燃用天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)組NOx 的排放限值分別為35 mg/m3、30 mg/m3。2018 年4 月深圳出臺(tái)了《2018 年“深圳藍(lán)”可持續(xù)行動(dòng)計(jì)劃》，要求所有燃?xì)怆姀S在2018 年11月前進(jìn)行整改，所有機(jī)組NOX排放均達(dá)到15 mg/m3以下。江蘇省 《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 32/3967—2021）中規(guī)定現(xiàn)有、新建燃用天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)組NOx 的排放限值分別為15 mg/m3、10 mg/m3。

3.2 國外標(biāo)準(zhǔn)

目前歐盟施行的標(biāo)準(zhǔn)是2010 年11 月發(fā)布的2010/78/EU指令（即工業(yè)排放-綜合污染預(yù)防和控制），規(guī)定了2016 年1 月1 日后投入商業(yè)使用的燃?xì)廨啓C(jī)組NOX排放限值為50 mg/m3［6］。2008 年1 月，歐盟發(fā)布了綜合污染防治指令，針對(duì)該指令歐盟出臺(tái)了一些行業(yè)的最佳可行技術(shù)（BAT）參考文件（BREE），規(guī)定了新建燃?xì)廨啓C(jī)組NOx 排放限值為10 mg/m3～50 mg/m3［7］。

美國施行的《新污染源排放標(biāo)準(zhǔn)》（NSPS）規(guī)定了燃?xì)廨啓C(jī)組NOx 排放限值為30 mg/m3［8］，并在此基礎(chǔ)上要求使用最佳可行控制技術(shù)（BACT）或最低可得排放速率（LAER）進(jìn)一步降低NOx 排放。以加州為例，1999 年加州空氣資源理事會(huì)（ABR）通過了《電廠選址和最佳可行控制技術(shù)指導(dǎo)》，規(guī)定簡單循環(huán)、聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)組NOX的排放限值分別為5 mg/m3、10mg/m3［9］。

日本于2012 年4 月對(duì)《大氣污染防治法》作出了修改，要求燃?xì)廨啓C(jī)一般地區(qū)和重點(diǎn)地區(qū)NOX排放濃度低于143.8 mg/m3［10］。

3.3 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)比分析

國內(nèi)外的燃?xì)廨啓C(jī)組大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如表3 所示，可以看出，中國國標(biāo)中NOX排放限值與國外的國標(biāo)相當(dāng)，但與國際領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)（美國BACT 或LAER）仍有一定差距。國內(nèi)地方標(biāo)準(zhǔn)以江蘇省最為嚴(yán)格，其僅次于美國BACT 或LAER 標(biāo)準(zhǔn)，與國內(nèi)外其他標(biāo)準(zhǔn)相比，具有一定的先進(jìn)性。

表3 國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)組大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比［11］ 單位：mg／m3

4 結(jié)論

隨著燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量的不斷增長，預(yù)計(jì)2025 年燃機(jī)NOX排放總量將達(dá)到168 萬t，其對(duì)環(huán)境的影響不容忽視。盡管當(dāng)前我國國標(biāo)NOX排放限值與國外標(biāo)準(zhǔn)基本相當(dāng)，但對(duì)我國的燃?xì)廨啓C(jī)組來說，國標(biāo)排放限值過于寬松，目前大部分燃?xì)廨啓C(jī)排放濃度都低于國標(biāo)排放限值，不需要加裝脫硝設(shè)施。顯然，目前的國標(biāo)與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和形勢不匹配，也不符合我國綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略。通過對(duì)燃機(jī)脫硝技術(shù)的調(diào)研和實(shí)例分析，表明燃機(jī)NOX控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。因此，建議在充分調(diào)研和技術(shù)論證的基礎(chǔ)上，適時(shí)修訂國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)燃機(jī)NOX排放限值，以適應(yīng)中國環(huán)保形勢的發(fā)展。