热电联产对NO X排放量的估算和治理方法的商榷

热电联产对NOX排放量的估算和治理方法的商榷

钟史明

(东南大学 能源与环境学院，江苏 南京 210096)

摘要：通过摘录文献[1]各采暖方式计算结果、附表1、附表4和提出的结论，认为北京市采暖方式不宜“煤改气”。经过对不同采暖方式NOX排放量的分析和重新计算，得出的数据和结论显然不同。由此可见，改善空气质量的根本途径在于优化改变我国以燃煤为主的能源结构；除了燃煤火电机组“节能减排”升级外，对于在三北地区的特大城市，在天然气有保障的条件下，应采用燃气蒸汽联合循环热电厂，实现集中供热，热电联产。

关键词：热电联产；燃气蒸汽联合循环；PM2.5；NOX排放

收稿日期：2015-04-28

作者简介：钟史明(1927-)，男，福建上杭人，教授，中国电机工程学会热电专委会副主任，享受国家特殊津贴专家，主要从事热电动力系统的研究。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.001

中图分类号：X511

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)04-0289-08

Abstract：This article gives the conclusion that“coal to gas”is inappropriate to the heating system in Beijing through the calculating results from various extract literatures`([1]).The NOx emission has different result with different heating methods according to the analysis and recalculation.Therefore,the basic way to refine the air quality is to optimize the energy structure of priority to coal.Besides the coal plants go up “Energy Saving Emission Reducing”,the megalopolises in three north regions should develop the gas turbine combine cycle CHP plant to fulfill the centralized heating and cogeneration.

文献[1]作者对我国北京等地近来频发雾霾天气感到十分严峻，评论疾呼加速治理。经过分析研究计算后，建议北京市冬季采暖热源方式应采用我国自主研发的高效清洁技术的燃煤热电厂，其NOX的排放量，仅为燃气热电厂热源的13%左右，甚至低于天然气锅炉供热时的NOX排放量。因此，北京市冬季采暖方式不宜"煤改气"，这是符合我国国情的能源利用方式，不仅能高效、清洁地利用我国丰富的煤炭资源，而且大量减少NOX的排放量，从而降低二次颗粒物的数量，缓解严重的雾霾天气。

作出如此结论的关键是：采用哪种采暖方式所造成的NOX排放量最低？要核对计算可比条件是否在同一个起点上？原计算是否公平合理？这些问题值得商榷。

1文献[1]中各采暖方式的主要设定条件、计算结果和重点论点摘录

1.1设定条件与采暖方式比较系统

1)供热面积为1亿m2，设计热指标为50 W/m2。

2)第一种采暖方式是燃煤热电联产集中供热系统(如图1所示)通过抽凝式汽轮机抽汽供热。其设计工况下的发电功率为0.38万MW，采暖期瞬时燃料消耗量为1 367 tce/h，采暖期燃料总耗量为394万tce；NOX瞬时排量为2.7 t/h，采暖期NOX总排量为0.8万t。

3)第二种采暖方式是燃气热电联产集中供热系统(如图2所示)通过燃气蒸汽联合循环进行供热。在设计工况下，发电功率为0.70万MW，瞬时燃料消耗量为154万m3/h，NOX瞬时排量为2.3 t/h；采暖期燃料总耗量为44.4亿m3天然气，NOX总排量为0.7万t。

图1　燃煤热电联产集中供热系统

图2　燃气热电联产集中供热系统

1.2常规“煤改气”不可取

上述2种采暖方式“煤改气”后，热电厂在采暖期的NOX总排量为0.7万t，仅比燃煤热电联产方式少0.1万t。相较于燃煤热电联产，燃气热电联产并没有显著地减少NOX的排放量，对于缓解PM2.5造成雾霾天气的效果不显著。

1.3清洁高效燃煤技术热电厂

在采用上海外高桥第三发电厂自主研发的先进、高效的清洁燃煤技术后，2台1 000 MW超超临界机组发电效率高约45%(273.3 g/kW·h)。配置高效湿法脱硫装置，SO2排放仅为0.47 kg/tce。锅炉配置低NOX同轴燃烧系统，增加煤粉细度的制粉系统和SCR脱硝系统，使NOX排放量仅为0.37 kg/tce，远低于国家目标环保标准4.5 kg/tce。将该技术运用到热电联产中，经计算，供热量相同，发电功率不同，NOX排放量将大幅减少。基于上海外高桥电厂技术的燃煤热电联产，采暖期燃料消耗总量为553万tce，采暖期NOX总排量为0.2万t，低于燃气热电联产方式。

1.4扩大低温余热利用吸收式换热技术

在上海外高桥的清洁高效燃烧技术用于热电联产的基础上，加上部分提取循环冷却水(冷源损失)吸收式换热技术，可以减少系统的换热不可逆损失，提高管网的热输送能力，充分回收电厂乏汽余热最佳方案。经计算，在设计工况下的发电功率为0.16万MW，供热量相同，瞬态燃料消耗量为878 tce/h，采暖期消耗总量为253万tce，NOX瞬时排量为0.33 t/h，NOX总排量为0.09万t。该系统的NOX排放量远低于燃气热电联产方式，仅为普通燃煤热电联产的11%，燃气热电联产的13%及燃气锅炉的45%。

这样，一来能够高效利用我国供应充足的煤炭资源，符合我国能源结构；二来能大幅降低NOX的排放量，达到改善大气质量，缓解严重雾霾现象，因此，北京不宜进行热电联产“煤改气”。

1.5附原表1、原表4

不同采暖方式单位燃料NOX的排放强度如表1(原表1)所示，不同采暖方式的能耗和排综合比较如表2(原表4)所示。

表1中列举出不同采暖方式单位燃料(同样热量的燃料)的NOX的排放强度。大型燃煤锅炉热电联产方式的NOX排放量为2 kg/tce，相当于每m3烟气中NOX的含量为200 mg。大型天然气锅炉的NOX排放强度是0.8 kg/tce，而天然气热电联产因为需要燃气蒸气联合循环，为了保证较高的发电效率，其燃烧温度较高，所以NOX排放强度高于天然气锅炉，为1.2 kg/tce，相当于每m3烟气中NOX的含量为50 mg。由此可见，在消耗同样热量的燃料时，燃气热电联产NOX的排放量为常规大型燃煤热电联产的60%。

表1　原表1不同采暖方式单位燃料NO X的排放强度

表2　原表4不同采暖方式的能耗和排放的综合比较

2热电联产产生的NOX估算

2.1化成可比条件使之公平合理

原文对不同采暖方式的计算是基于供热量相等(采暖面积为1亿m2)、投入燃料量和发电量不同、在同一时间段估算得出NOX的排放量列于原表4。其中指出，在一个采暖期内NOX的总排量：

方式一：常规大型燃煤热电联产方式投入394万tce，NOX的总排量为0.8万t；

方式三：燃气热电联产方式投入天然气44.4亿m3，NOX的总排量为0.7万t；

方式四：外高桥技术燃煤热电联产方式投入标553万tce，NOX的总排量为0.2万t。

燃气热电联产投入NG量折成标煤量为521万tce，远大于常规燃煤热电394万tce，而方式四与方式一的供热量相同，发电功率为0.34万MW<0.38万MW，投入的燃煤量方式四为553万tce>方式一的394万tce，显然有矛盾，表明方式四的计算结果不可信。

因此，应按热电联产可行性研究计算方法进行估算：不同采暖方式均与某年全国6 MW及以上热电机组平均(发电)供电标煤耗、平均供热标煤耗进行比较。为使投入能源量相同，多投入量必须从节能量中扣除，然后计算得出的节能量和污染物减排量再与比较方案中的对应参数进行比较，以此得出的结果来评价燃气热电联产与燃煤热电联产的NOX排放量，才是可信的。

2.2按可行性研究热电联产节能减排算法估算

比较的对象：2013年6 MW及以上火电机组全国平均发电标煤耗率为311 g/kW·h、平均供电标煤耗率为321 g/kW·h及其热电联产供热标煤耗为39.8 kg/GJ；

一个采暖期：5月×30 d/月×24 h/d=3 600 h；

年均负荷率：80%。

1)燃气联合循环热电厂

SGT5-4000F(上海西门子)、M701FA(东方三菱)和PG931FA/FB(哈尔滨奇异)是当今我国使用较多的F级联合循环热电机组。当天然气低位热值为34 535 kJ/Nm3时，在设计工况下，年均发电气耗为0.146 Nm3/kW·h，折算成年均发电热耗率为0.146×34 535=5 042.11 kJ/kW·h，折算成标煤耗率为172.2 g/kW·h，发电效率高达71%左右。

①发电节能ΔB电

一个采暖期燃气热电联产发电量为

W电=0.7万MW3 600×0.8=2 016万 MW·h=20.16 GkW·h

ΔB电=(0.311-0.172 2)W电=2 798 108t≈279.8万tce

②供热节能ΔB热

由于供热热效率为锅炉热效率与热纲效率的乘积，F级燃机三压再热系统余热锅炉效率在90%左右，厂内热网效率在98%左右，供热效率为88%左右，取87%，所以供热标煤耗率为34.5 kg/GJ÷供热热效率=34.5/0.88=39.2 kg/GJ。

采暖期供热量为50 w/m2×1亿m2×3 600 h×0.8×3 600 kJ/kW·h=5 184万GJ。

供热节标煤ΔB热为ΔB热=供热量×(39.8-39.2)=3.11万t。

③热电总节能ΔB

ΔB=ΔB电+ΔB热=279.8+3.11=282.91万tce≈282.9万tce

2)燃煤蒸汽循环热电厂

①发电节能ΔB电

当今大型燃煤电厂功率都在600～1 000 MW，超临界或超超临界机组的供电标煤耗在290～300 g/kW·h。大型燃煤热电联产的热电比为1.32，热电厂的发电效率为50%，发电标煤耗为240 g/kW·h，则

ΔB电=(0.311-0.240)W电=77.702万tce

②供热节能ΔB热

在供热面积与供热量相同的条件下，大型锅炉的供热热效率和热网基本相似，取大型锅炉效率为92%，热网效率为98%，供热效率为90%左右(取90%)，供热标煤耗为34.5 kg/GJ÷供热热效率=34.5/0.9=38.3 kg/GJ，则ΔB热供热量×(39.8-38.3)=7.776万tce。

③热电总节能ΔB

ΔB=ΔB电+ΔB热=85.478万tce

3)与燃煤热电厂相比，燃气联合循环的节能(节标煤)计算

①燃气比燃煤热电厂多投入标煤ΔB0为

ΔB0=44.4×104×[24 535/(7 000×4.181 6)]-394=129.2万tce

②燃气与燃煤热电厂在投入相同、产出热量相同、发电量不同时，燃气的节标煤为

ΔB气=282.9-129.2=153.7万tce

③燃气比燃煤热电厂多的节标煤为

ΔB可比=153.7-85.478=68.222万tce

4)燃用不同燃料产生的NOX估算

当今大型机组在低氮燃烧与脱硝技术支持下都能达到环保要求，但目前仍有差别。F级大型燃机的烟气中，NOX浓度的实际排放量可控制在12 PPm以下，最低可达6 PPm，其排放强度在0.4～0.6 kg/tce之间。国家标准为25 PPm、1.2 kg/tce，北京标准为15 PPm、0.7 kg/tce，故取0.56 kg/tce。而超临界和超超临界大型燃煤机组经脱硝技术处理后，NOX排放强度在1～3 kg/tce，取2 kg/tce。则燃气比燃煤热电联产相比，NOX减排量△NOX为

△NOX=394万tce×(2-0.56)=5 673.6 t

5)基于上海外高桥技术燃煤热电联产

原文表4中指出：投入燃料不同，供热量相同，发电量不同。常规燃煤热电联产在一个采暖期的燃料消耗量为394万tec、供热量为5 184万GJ、发电量为13.68 GkW·h。而基于外高桥技术燃料热电联产的燃料消耗量为553万tec、供热量5 184万GJ、发电量仅有0.34万MW3 600 h0.89.792 GkW·h，反而比常规燃煤热电联产少。估计原作者对外高桥技术热电联产燃料投入太多有误？553-394=159万tcc，而发电功率比燃煤热电联产少，0.34-0.38=-0.04万MW，在供热相同的情况下，效率比常规燃煤电厂又高，为何燃煤投入反而这样多？值得商榷，宜不作估算为妥。

3节能减排估算结果与分析

3.1对比估算结果

表3　投入相同、产出供热量相同、发电量不同时的节能减排参数

表4　投入相同、产出供热相同、发电量不同时

3.2结果分析

1)从表4中可见，在一个采暖期，燃气比燃煤热电联产节标煤68.222万t，可使北京市NOX减排3 070 t，加上投入相同热量394万tce，燃用天然气比燃煤可使NOX的减排量达到5 673.6 t，两项合计为8 743.6 t，超过了原文表4燃煤热电厂在一个采暖期的NOX总排放量。

2)方式三投入的瞬时燃料消耗量为1 922 tce/h，采暖期为553万tce过多，而发电功率仅为0.34万MW。而方式二的瞬时燃料消耗量为1 367 tce/h，采暖期仅为394万tce，但发电功率为0.38万MW，比3方式多0.04万MW，而投入的燃料反而少159万tce，两者对比，显然有误，故方式一与方式三的节能量和减排量不宜作对比。

4据原作者表4中数据测算燃气与燃煤热电联产NOX

1)燃气热电联产方式的燃料耗量为NG44.4亿m3，折算成标煤为523.2万t，发电量为20.16 GkW·h，供热量为5 184万GJ，NOX总排量为0.7万t(国标)；而燃煤热电联产方式的燃料耗量为394万tce，发电量为10.944 GkW·h，供热量为5 184万GJ，NOX总排量为0.8万t。

ΔNOX1=NOX煤-NOX气=0.8万t-0.7万t=0.1万t

2)燃气热电联产多发电量由燃煤电厂供应折耗标煤量：

ΔW=20.16 GkW·h-10.944 GkW·h=9.216 GkW·h

ΔB=ΔW×b供=9.216 GkW·h×0.321 kg/kW·h=295.9万tce

3)扣除燃气比燃煤多投入燃料的节煤量ΔB′：

ΔB′=ΔB-(523.2-394)=295.9-129.2=166.7万tce

4)燃气热电联产多发电量使燃煤电厂少耗标煤NOX减排量：

①按国家环保标准(4.5 kg/tce)计算：

NOX2=ΔB′×4.5=166.7×4.5=750.15×104kg=7 501.5 t

②按上海外高桥电厂技术标准(0.37 kg/tce)计算：

③按当今运行燃煤电厂脱硝SCR技术标准(2 kg/tce)计算：

NO″X2=ΔB′×2=166.7×2=333.4 万kg=3 334 t

5)燃气对比燃煤热电联产NOX减排量：

ΔNOX=ΔNOX1+ΔNOX2=1 000+7 501.5=8 501.5 t

6)小结

按原作者附表3、附表4中数据估算结果：按国家标准，燃气比燃煤热电联产△NOX减排量为8 501.5 t；按上海外高桥电厂技术减排标准的减排量为1 616.79 t；按当今运行电厂SCR脱硝技术标准的减排量为4 334 t，减排量也很可观。

5基于外高桥技术再采用吸收式换热技术的燃煤热电厂

作者提出基于外高桥技术，再采用吸收式换热技术的燃煤热电联产方式，是最完美的采暖方式。但应郑重提出：对于燃气蒸汽联合循环热电厂，F级底部循环采用三压再热式余热利用，其蒸汽轮机亦完全可以同样采用吸收式换热技术，以减小整个系统的换热不可逆损失，降低热网温度(从60 ℃降到20 ℃)，充分回收电厂乏汽余热，减少冷源损失，节约燃料。

由于该系统参数不清楚，且基于上海外高桥技术的燃煤热电联产，投入的燃料过大(比燃煤热电厂)有误，此方案也迷惑，故不作对比估算。

6不同供热热源在同一标准框架下排放NOX计算的比较

即便以文献[1]不同供热热源基于供热量相同、投入燃料量和发电量不同，在同一采暖时间段估算得出NOX的排放量，也应遵循同一标准下进行比较。如同以国标，或北京标准，或国内最先进指标计算，而不是燃气方面采用国标，燃煤方面却采用最新试运行的记录进行跨越式对照。

以9F级燃气供热机组和燃煤热电机组分别在国标和目前国内最先进指标的条件下，取其相同采暖时间段估算得出NOX的排放量，列于表5。其中，F级采用 “二拖一”燃气—蒸汽联合循环供热机组，机组效率为89.33%(供热工况，性能保证工况)，每台燃气轮机出力为323.24 MW，余热锅炉为三压、无补燃式，汽轮机为三压、再热、双缸、可背压、可纯凝式，出力为153.73 MW(供热工况)，燃气低位发热量(LHV)约为35.386 8 MJ/m3。

由表5所列结果可以看出，9F燃气热电联产与燃煤热电联产在供应相同热量的情况下，无论是以国家标准、北京标准(燃煤热电联产取岳光溪院士的数据)还是以国内最新技术指标作为计算参照，9F燃气热电联产在采暖期的NOX总排放量总是具有优势的。因此，热电联产“煤改气”工程要比维持现状或“煤改煤”工程不仅能实现预期的NOX减排效果，同时能大幅提高能效，还可以节约大量的用水。

表5　不同采暖方式的能耗和排放在不同标准下的比较

7大型燃机实现现代大型城市热电联产的优势

7.1燃用NG“F”级燃机的NOX排放近况

F级燃机燃用的天然气含H2S量较低，排放的SO2量较少，几乎无烟尘排放，而含N2仅占V(%)1.151。燃机制造厂在燃用NG时，采用干式低氮燃烧设备DLN和干氨催化还原装置SCR来将NOX的浓度控制在12 ppm以下，减少燃烧过程中NOX排放量。在重点控制区，在天然气有保障的条件下，特大城市(如北京市)建议采用此方案，使实际排放浓度控制在24 mg/Nm3左右，低于国标(50 mg/Nm3)一倍以上。

当今燃机联合循环NOX排放的最优指标是：国内为深圳、南山燃机电厂的9 PPm，国外为日本东京燃机电厂的5 PPm。

7.2采用天然气“煤改气”热电联产是改变发电能源结构提高节能改造升级版的举措

2013年我国能源消费结构：石油18.2%、天然气5.1%、煤67.1%、核能0.9%、水电7.2%、可再生能源1.5%。天然气在全球占一次能源消费的23.7%，全球NG产量增长1.1%，消费量增长了1.4%。除欧洲和欧亚大陆以外，其他各地区的增长值均低于平均水平。美国的NG生产增加了1.3%，仍是世界上最大的NG生产国，俄罗斯增加了2.4%，中国增加了9.5%。

在世界主要国家能源消费中，天然气所占比例在27%～30%，中国占5.1%，远低于23.7%的世界平均水平。中国煤炭消费占比为67.1%(比2012年68.5%有下降)，仍远高于25.8%的世界平均水平。可再生能源(不含水电)占比为2.2%，高于2011年的1.6%和2012年的1.9%，含水电在内的可再生能源占比为8.9%。可再生能源(不含水电)在能源消费结构中占比最高的国家为德国，分别为2012年的8.3%和2013年的9.1%。中国煤炭消费仍占据能源消费的主导地位，预计在未来20年内无法发生根本性地改变。为了改善空气质量，在有燃气的城镇，采暖方式采用燃气热电联产是必然的选择。

8结语

1)对于化石能源热电联产集中供热、节能减排方案的比较，一定要建立在公平合理的条件上，投入燃料不同时要按照可比性使之投入相等，才能在同一起点上进行对比，才是有意义的。

2)以北京市为例，核算了燃气联合循环热电厂和燃煤蒸汽循环热电厂在同一条件下、投入燃料折成标煤相等、供热量相等、发电量不等时的一个采暖期(5个月)的节能减排量，特别是对NOX、SO2和颗粒物进行了计算，得出了表3、表4，足见燃气热电联产对比常规燃煤热电厂可节标煤量68.222万tce，使污染大气造成PM2.5的元凶—NOX减少了3 010 t、SO2减少了1 364.4 t、颗粒物减少了341.1 t、温室气体CO2减少了199.6万t。加上燃气燃煤相同热值量燃烧可使NOX减排量达到5 673.6 t，两项合计可使NOX的减排量达到8 743.6 t，超过了原文表4中燃煤电厂一个采暖期的NOX总排量。同时，按原文表4中数据测算，燃气比燃煤热电联产可减排NOX：按国标估算为0.85万t，按上海外桥电厂技术估算为1 617 t，按当今运行电厂SCR脱硝技术估算为4 334 t，足见其显著地降低NOX排放量。按表3条件估算9F燃气比燃煤热电联产，在供热量相同时，在不同排放标准下比较可知：燃气比燃煤方式所产生的NOX排放量总是低的。所以，在PM2.5污染严重地区，在天然气有保障的条件下，采用燃气蒸汽联合循环方式新建或改建热电厂是必然的选择。

3)2013年世界主要国家能源消费中天然气占比在27%～30%，而我国只占5.1%，但燃煤占了67.1%。为改变能源结构，贯彻煤电节能减排升级版，实现“三降低、三提高”，即降低供电煤耗，降低污染物排放，降低煤炭占能源消费比重，提高安全运行质量，提高技术装备水平，提高电煤占煤炭消费比重。燃气蒸汽联合循环热电厂可降低供电煤耗，降低污染物排放，降低煤炭占能源消费的比重，提高安全运行质量和技术装备水平，为节能减排创造物质条件，为促进以低炭为中心的能源革命和人类世界可持续发展作贡献。

参考文献

[1]江亿，唐孝炎，倪维斗，等.北京PM2.5与冬季采暖热源的关系及治理措施[J].中国能源，2014,30(1)：7-12.

[2]康慧，黄晶晶，周喆.PM2.5问题与热电联产行业[J].中国能源，2014，30(3)：52-61.

[3]环境保护部国家质量监督检验检疫总局.GB 3095-2012.环境空气质量标准[S]，2012.

[4]环境保护部国家质量监督检验检疫总局.GB 13223-2011.火电厂大气污染排放标准[S],2011.

[5]钟史明.学习我国“能源生产和消费革命”[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2015,11(1)：1-4.

Discussion of Estimation and Treatment Method on

Lower NOXEmissions for CHP Plant

ZHONG Shi-ming

(College of Energy and Environmental,Southeast University,Nanjing 210096,Jiangsu Province)

Key words： CHP;gas-steam combined cycle;PM2.5;NOXemission

(责任编辑张凯校对佟金锴)