江文豪，張學(xué)超，楊智勇，王 雷，夏文靜

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210019）

1 引言

環(huán)保部門(mén)在進(jìn)行大氣污染物排放控制時(shí)，一般將折算后的排放濃度作為排放是否達(dá)標(biāo)的依據(jù)，這樣做的好處在于，一方面，各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行條件存在差異，只有將排放濃度折算至規(guī)定的同一基準(zhǔn)條件下，才能滿足不同工況數(shù)據(jù)的可比性；另一方面，這樣處理可以避免由于過(guò)量空氣系數(shù)增大、尾部煙道漏風(fēng)加劇或人為稀釋等原因造成污染物排放濃度較低，但是總排放量卻高居不下的現(xiàn)象。

當(dāng)前各項(xiàng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中，涉及的污染物濃度折算方法有多種，且每種方法在不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中均有應(yīng)用［1-45］。另外，即使是同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，也可能會(huì)出現(xiàn)折算方法隨版本升級(jí)而變更的情況。例如，GB 13223-2003《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中采用的是過(guò)量空氣系數(shù)折算法［1］，而在GB 13223-2011 采用的是煙氣含氧量折算法［2］。GB 13271《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等其他一些規(guī)范亦是如此。目前，關(guān)于大氣污染物排放濃度方面的研究主要聚焦于預(yù)測(cè)方法、時(shí)空分布特征等方面［46-51］，與排放濃度折算方法相關(guān)的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。而這些折算方法如使用不合理，很可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果失真。因此，對(duì)各種排放濃度折算方法的折算邏輯和適用條件進(jìn)行梳理，分析各折算方法的區(qū)別特征，對(duì)于本領(lǐng)域從業(yè)人員來(lái)說(shuō)是十分必要的工作?；诖?，本文從大氣污染物排放濃度的折算機(jī)理出發(fā)，對(duì)各種折算方法的由來(lái)及其適用條件進(jìn)行研究，以期為大氣污染物排放濃度折算方法的合理選取提供參考。

2 研究方法

2.1 折算方法介紹

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)行44項(xiàng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中［2-45］，用到的大氣污染物排放濃度折算方法包括過(guò)量空氣系數(shù)折算法、煙氣含氧量折算法、排氣量折算法，其中煙氣含氧量折算法應(yīng)用最多（占比22/44），過(guò)量空氣系數(shù)折算法次之（占比7/44），基準(zhǔn)排氣量折算法最少（占比6/44）。此外，目前還存在部分行業(yè)，其大氣污染物排放濃度暫不進(jìn)行折算（占比9/44），直接以實(shí)測(cè)排放濃度作為排放是否達(dá)標(biāo)的依據(jù)。另有一種適用于鑄造沖天爐的摻風(fēng)系數(shù)折算法，該方法與過(guò)量空氣系數(shù)折算法相近，鑒于鑄造沖天爐屬于已逐漸被淘汰的落后產(chǎn)品，故本文不對(duì)該方法展開(kāi)分析。

上述三種常用折算方法具體如下：

1）過(guò)量空氣系數(shù)折算法即通過(guò)基準(zhǔn)過(guò)量空氣系數(shù)與實(shí)測(cè)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)排放濃度進(jìn)行折算，具體公式如下：

式中：ρ為折算后的大氣污染物排放濃度，mg/m3；ρ'為實(shí)測(cè)的大氣污染物排放濃度，mg/m3；α'為實(shí)測(cè)的過(guò)量空氣系數(shù)；α為規(guī)定的過(guò)量空氣系數(shù)。

2）煙氣含氧量折算法即通過(guò)基準(zhǔn)煙氣含氧量與實(shí)測(cè)煙氣含氧量對(duì)排放濃度進(jìn)行折算，具體公式如下：

式中：φ(O2)為基準(zhǔn)含氧量，%；φ'(O2)為實(shí)測(cè)的含氧量，%。

3）排氣量折算法即通過(guò)基準(zhǔn)排氣量與實(shí)測(cè)排氣量對(duì)排放濃度進(jìn)行折算，具體公式如下：

式中：Q總為實(shí)測(cè)排氣總量，m3；Yi為第i種產(chǎn)品產(chǎn)量，t；Qi基為第i種產(chǎn)品的單位產(chǎn)品基準(zhǔn)排氣量，m3/t。

2.2 折算方法推導(dǎo)

2.2.1 大氣污染物排放濃度折算原理

現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)中，大氣污染物排放濃度均以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干氣體（干煙氣）為基準(zhǔn)，可通過(guò)式（4）進(jìn)行求解：

式中：ρ為大氣污染物排放濃度，mg/m3；G為污染物排放量，mg/s；V為干基氣體（煙氣）排放量，m3/s。

為了更加科學(xué)地評(píng)價(jià)和判斷大氣污染物排放狀況，避免由于人為稀釋等原因造成的排放達(dá)標(biāo)假象，有必要將實(shí)測(cè)排放濃度折算至基準(zhǔn)條件下的排放濃度，并以此作為排放是否達(dá)標(biāo)的最終依據(jù)。

為簡(jiǎn)化實(shí)測(cè)工況至基準(zhǔn)工況的燃燒污染物折算過(guò)程，一般對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況做如下假設(shè)：

1）折算前后，爐內(nèi)燃燒狀況（包括污染物生成量、燃料燃盡率等）不變；

2）折算前后，尾部煙氣凈化系統(tǒng)的處理效率（包括除塵器的除塵效率、脫硫系統(tǒng)的脫硫效率、脫硝裝置的脫硝效率）不變。

由此，燃燒污染物排放濃度的折算公式可演變?yōu)椋?/p>

式中：V'gy為實(shí)測(cè)工況下單位燃料燃燒生成的干煙氣量，單位為m3/kg（固體或液體燃料）或m3/m3（氣體燃料）；Vgy為基準(zhǔn)條件下單位燃料燃燒生成的干煙氣量，單位為m3/kg（固體或液體燃料）或m3/m3（氣體燃料）；B為燃料量，單位為kg/s（固體或液體燃料）或m3/s（氣體燃料）。

由式（5）可見(jiàn)，污染物排放濃度可通過(guò)單位燃料燃燒生成的干煙氣量進(jìn)行折算。由于單位燃料燃燒生成的干煙氣量可通過(guò)燃料成分和煙氣成分計(jì)算得到，因此，采用該方法可有效解決大型燃燒設(shè)備（如電站鍋爐等）尾部煙氣流量難以準(zhǔn)確測(cè)量的困難。而過(guò)量空氣系數(shù)法和煙氣含氧量法也正是基于式（5）演變得到的，下文將展開(kāi)分析。

2.2.2 過(guò)量空氣系數(shù)折算法推導(dǎo)

過(guò)量空氣系數(shù)折算法推導(dǎo)過(guò)程如下：

單位燃料燃燒生成的干煙氣量一般根據(jù)式（6）計(jì)算得到：

式中：w(Car)、w(Har)、w(Oar)、w(Nar)、w(Sar)分別為燃料收到基中元素碳、氫、氧、氮、硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。若有條件，應(yīng)采用實(shí)際燃燒掉的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中：φ0(CO)、φ0(H2)、φ0(CmHn)、φ0(H2S)、φ0(O2)分別為氣體燃料中CO、H2、CmHn、H2S、O2的體積分?jǐn)?shù)（添加下標(biāo)“0”是為了將原始煤氣與尾部煙氣中的氣體成分進(jìn)行區(qū)分），%。

對(duì)式（6）進(jìn)行變換可得：

式中：χ為只與燃料成分相關(guān)的無(wú)量綱變量，本文將其定義為燃料成分因數(shù)。對(duì)于大多數(shù)常見(jiàn)燃料，理論干煙氣量和理論干空氣量比較接近，若忽略二者差值，則燃料特性因數(shù)χ=0，于是式（11）可簡(jiǎn)化為：

式（13）變形即可得到式（1）所示的基于過(guò)量空氣系數(shù)的大氣污染物排放濃度折算公式。

2.2.3 煙氣含氧量折算法推導(dǎo)

煙氣含氧量折算法推導(dǎo)過(guò)程如下：

燃料燃燒計(jì)算過(guò)程中，單位燃料對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣量ΔVgk可根據(jù)煙氣成分和煙氣量，按下式求解得到：

式中：ΔVgk為單位燃料對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣量，單位為m3/kg（固體或液體燃料）或m3/m3（氣體燃料）；φ(O2)、φ(CO)、φ(H2)、φ(CH4)分別為干煙氣中O2、CO、H2、CH4的體積分?jǐn)?shù)，%；。

若煙氣中CO 等可燃?xì)怏w的殘余量較少，可忽略不計(jì)，則式（14）可簡(jiǎn)化為：

將式（11）代入式（15）可得：

上式整理后可得過(guò)量空氣系數(shù)計(jì)算式：

式（17）為適用于所有燃料的過(guò)量空氣系數(shù)通用計(jì)算公式。

干煙氣量計(jì)算公式（6）可演變?yōu)椋?/p>

式（15）變形即可得到式（2）所示的基于煙氣含氧量的大氣污染物排放濃度折算公式。

2.2.4 排氣量折算法推導(dǎo)

排氣量折算法的推導(dǎo)非常簡(jiǎn)單：假定污染物生成量不變，則污染物排放濃度與排氣量成反比，由此可得式（3）所示的折算公式。

3 結(jié)果與討論

3.1 各折算方法適用性分析

3.1.1 過(guò)量空氣系數(shù)折算法適用性分析

由2.2.2 節(jié)分析可知，基于過(guò)量空氣系數(shù)的大氣污染物排放濃度折算方法是建立在燃料成分因數(shù)χ可近似取值為0（即理論干空氣量和理論干煙氣量近似相等）的基礎(chǔ)上的，理論干空氣量和理論干煙氣量的差值越小則折算結(jié)果越精確。

為此，本文以燃煤、生物質(zhì)、垃圾、燃油、燃?xì)獾瘸Ｒ?jiàn)燃料為例，結(jié)合燃料成分?jǐn)?shù)據(jù)［52～55］，分別計(jì)算其理論干空氣量、理論干煙氣量和燃料成分因數(shù)，結(jié)果匯總于表1～5。

表1 典型燃煤的燃料成分因數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.1 The calculation results of fuel composition factor for typical coal

表3 典型垃圾的燃料成分因數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 The calculation results of fuel composition factor for typical solid waste

表4 典型燃油的燃料成分因數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.4 The calculation results of fuel composition factor for typical oil

表5 典型燃?xì)獾娜剂铣煞忠驍?shù)計(jì)算結(jié)果Tab.5 The calculation results of fuel composition factor for typical gas

由表1～表5可見(jiàn)：

1）對(duì)于燃煤、生物質(zhì)、垃圾等常見(jiàn)固體燃料，燃燒理論干空氣量和理論干煙氣量非常接近，燃料成分因數(shù)χ處于-0.04～0 范圍內(nèi)，平均值僅為-0.019，按式（12）簡(jiǎn)化計(jì)算煙氣量的相對(duì)誤差約為0～2%，因此，對(duì)于這些固體燃料，通過(guò)過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)折算大氣污染物排放濃度是可行的，計(jì)算精度較高。

2）對(duì)于常見(jiàn)燃油，燃燒理論干空氣量和理論干煙氣量的差值要稍高于燃煤和生物質(zhì)燃料，燃料成分因數(shù)χ處于-0.07～-0.06 范圍內(nèi)，平均值約為-0.061，按式（12）簡(jiǎn)化計(jì)算煙氣量的相對(duì)誤差約為4%～6%，因此，對(duì)于液體燃料油，通過(guò)過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)折算大氣污染物排放濃度的誤差略大，不宜采用。

3）對(duì)于常見(jiàn)氣體燃料，燃燒理論干空氣量和理論干煙氣量的差值分化明顯，不同燃?xì)獾娜剂铣煞忠驍?shù)χ差別較大，其中礦井氣的χ僅為-0.01左右；沼氣、油田伴生氣、天然氣、焦?fàn)t煤氣的χ稍高，約為-0.06～0.11；而發(fā)生爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣的χ則大幅升高，分別為0.47、0.48、1.35，按式（12）簡(jiǎn)化計(jì)算煙氣量的相對(duì)誤差可達(dá)40%～120%，誤差非常大。因此，對(duì)于大部分燃?xì)?，尤其是發(fā)生爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣，不能通過(guò)過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)折算大氣污染物排放濃度，否則會(huì)導(dǎo)致結(jié)果嚴(yán)重失真。

3.1.2 煙氣含氧量折算法適用性分析

由2.2.3 節(jié)內(nèi)容可知，煙氣含氧量折算法主要是建立在煙氣中CO 等可燃?xì)怏w殘余量可忽略不計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)干煙氣量與過(guò)量空氣系數(shù)、過(guò)量空氣量之間的關(guān)系，通過(guò)嚴(yán)密推導(dǎo)得到的。整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程未進(jìn)行除可燃?xì)怏w外的其他條件假定，也未涉及燃料特性簡(jiǎn)化。因此，煙氣含氧量折算法是通用公式，可適用于所有燃料。換而言之，無(wú)論燃燒哪種燃料，只要燃燒設(shè)備運(yùn)行合理，使得煙氣中可燃?xì)怏w成分較少，則該折算方法即是可靠的。

對(duì)于煙氣中的可燃?xì)怏w含量（一般以CO為主），其允許限值或者由其造成的折算誤差與煙氣含氧量的大小密切相關(guān)。同樣的可燃?xì)怏w含量下，煙氣含氧量越高，對(duì)應(yīng)的折算誤差越大?？偟膩?lái)說(shuō)，無(wú)論哪種燃燒設(shè)備，尾部煙氣中的未燃盡氣體含量只要低于0.1%（1 000 ppm），均能保證較高的折算精度。

為此，一些排放標(biāo)準(zhǔn)，如GB 13223《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB 13271《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等，在版本更新時(shí)將原折算方法（過(guò)量空氣系數(shù)折算法）變更為煙氣含氧量折算法，也是比較合理的。

需要說(shuō)明的是，工程上普遍采用式（20）所示的簡(jiǎn)化計(jì)算公式來(lái)求解過(guò)量空氣系數(shù)：

將式（20）帶入式（1），也能得到式（2）所示的基于煙氣含氧量的折算公式，結(jié)果雖然一致，但是其內(nèi)在邏輯是不盡合理的。

3.1.3 排氣量折算法適用性分析

與過(guò)量空氣系數(shù)和煙氣含氧量折算法的全工況覆蓋有所不同，排氣量折算法主要用于單位產(chǎn)品實(shí)際排氣量高于基準(zhǔn)排氣量的情況（實(shí)際排氣量低于基準(zhǔn)排氣量時(shí)不執(zhí)行），此時(shí)，按式（3）將實(shí)測(cè)大氣污染物濃度折算為大氣污染物基準(zhǔn)排氣量排放濃度，并以大氣污染物基準(zhǔn)排氣量排放濃度作為判定排放是否達(dá)標(biāo)的依據(jù)。

進(jìn)行上述換算時(shí)，排氣總量一般按一個(gè)工作日內(nèi)的產(chǎn)品消耗量和排氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)單位產(chǎn)品實(shí)際排氣量低于基準(zhǔn)排氣量時(shí)，不用進(jìn)行折算。

此外，在企業(yè)生產(chǎn)設(shè)施同時(shí)生產(chǎn)兩種以上產(chǎn)品、可適用不同排放控制要求或不同行業(yè)國(guó)家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，且生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)生的廢氣混合處理排放的情況下，也要通過(guò)排氣量進(jìn)行排放濃度折算。此時(shí)，應(yīng)執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最嚴(yán)格的濃度限值，并按式（3）折算成大氣污染物基準(zhǔn)排氣量排放濃度。

目前，排氣量折算法主要用于硝酸、硫酸、橡膠、稀土等工業(yè)領(lǐng)域，大氣污染物多為原生有害氣體而非燃燒所產(chǎn)生的煙氣，故直接通過(guò)排氣量進(jìn)行折算。該方法對(duì)于排氣筒（或排氣管道）的形狀規(guī)則度和直段長(zhǎng)度均有較高要求，否則很難保證結(jié)果的真實(shí)度和可靠性。

3.2 各折算方法的比較

結(jié)合前述分析，將幾種污染物排放濃度折算方法進(jìn)行比較，結(jié)果匯總于表6。

表6 幾種折算方法對(duì)比Tab.6 Comparison of several conversion methods

3.3 關(guān)于污染物排放濃度折算基準(zhǔn)值

3.3.1 排放標(biāo)準(zhǔn)中基準(zhǔn)值的制定

由于各生產(chǎn)設(shè)施的運(yùn)行條件存在一定差異，因此對(duì)于不同設(shè)備，其大氣污染物排放濃度折算參數(shù)的基準(zhǔn)值（包括基準(zhǔn)氧含量、基準(zhǔn)過(guò)量空氣系數(shù)或基準(zhǔn)排氣量等）也不盡相同，具體應(yīng)結(jié)合設(shè)備自身特點(diǎn)分別制定。

當(dāng)前，各標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基準(zhǔn)值均是根據(jù)該類設(shè)備的燃燒工藝和當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)況，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)調(diào)研數(shù)據(jù)綜合分析得到的較優(yōu)結(jié)果。

3.3.2 折算過(guò)程中基準(zhǔn)值的選取

對(duì)于大多數(shù)生產(chǎn)設(shè)施，其大氣污染物排放濃度折算參數(shù)的基準(zhǔn)值直接按照相關(guān)規(guī)范上的要求取值即可。但是，對(duì)于一些特殊設(shè)備，如多種燃料混合燃燒的設(shè)備，其污染物排放濃度折算參數(shù)的基準(zhǔn)值則應(yīng)根據(jù)設(shè)備具體特征進(jìn)行取值。

以鋼廠自備電站煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐為例，其基準(zhǔn)氧含量的取值宜結(jié)合鍋爐爐型加以區(qū)分：煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐分為兩種類型，一種是基于煤粉鍋爐結(jié)構(gòu)下?lián)綗倭棵簹獾臓t型，另一種是基于煤氣鍋爐結(jié)構(gòu)下?lián)綗倭棵悍鄣臓t型，以前者居多。由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了單一燃料鍋爐的基準(zhǔn)氧含量，并未對(duì)混合燃料鍋爐作單獨(dú)規(guī)定，故煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐只能按燃煤鍋爐或燃?xì)忮仩t歸類。對(duì)于第一種混燒鍋爐，其基準(zhǔn)氧含量應(yīng)按照煤粉鍋爐取值；對(duì)于第二類混燒鍋爐，其基準(zhǔn)氧含量按照煤氣鍋爐取值更為合理。

此外，按照鍋爐容量大小劃分，單臺(tái)出力65 t/h以上的混燒鍋爐應(yīng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［2］，單臺(tái)出力65 t/h 及以下的混燒鍋爐則執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［5］，而GB 13223 和GB 13271 中對(duì)于基準(zhǔn)含氧量的規(guī)定也有一定差異。

綜合上述因素，鋼廠自備電站煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐基準(zhǔn)含氧量建議參考表7進(jìn)行取值。

表7 煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐基準(zhǔn)含氧量參考值Tab.7 The reference value of benchmark oxygen content for mixedly-burned boiler

同樣，包括電廠重油與天然氣混燒鍋爐、鋼廠重油與煤氣混燒加熱爐、煉油廠油氣混燒加熱爐等多種燃料混燒設(shè)備，也存在類似情況。

4 結(jié)論

大多數(shù)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)均要求將實(shí)測(cè)的大氣污染物排放濃度折算至基準(zhǔn)條件下，并以此作為排放是否達(dá)標(biāo)的最終依據(jù)。本文基于燃燒原理，從大氣污染物排放濃度的折算機(jī)理出發(fā)，對(duì)各種折算方法進(jìn)行推導(dǎo)和分析，結(jié)果表明：

1）過(guò)量空氣系數(shù)折算法和煙氣含氧量折算法用于燃燒產(chǎn)生煙氣的污染物控制，而排氣量折算法則主要用于原生有害氣體的直接排放（無(wú)燃燒）。

2）過(guò)量空氣系數(shù)折算法和煙氣含氧量折算法在所有測(cè)試工況下均執(zhí)行，而且排氣量折算法則只在實(shí)際排氣量高于基準(zhǔn)排氣量時(shí)執(zhí)行?？梢?jiàn)，在低于基準(zhǔn)參數(shù)條件下，采用排氣量折算法對(duì)污染物排放的控制更為嚴(yán)格。

3）過(guò)量空氣系數(shù)折算法是基于假定燃料條件下（燃料成分因數(shù)近似為零）的簡(jiǎn)化計(jì)算，適用于燃煤、生物質(zhì)、垃圾等燃燒理論干空氣量與理論干煙氣量十分接近的燃料；而煙氣含氧量折算法是基于假定燃燒條件下（煙氣中殘余可燃?xì)怏w較少）的簡(jiǎn)化計(jì)算，適用于任何燃料。

4）對(duì)于常規(guī)單一燃料燃燒設(shè)備，大氣污染物排放濃度折算參數(shù)的基準(zhǔn)值直接按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選取即可，但是對(duì)于多種燃料混合燃燒設(shè)備，其基準(zhǔn)值的選取則應(yīng)根據(jù)設(shè)備具體特征加以區(qū)分。