国内外燃机电厂氮氧化物排放标准对比浅析

白尊亮

上海市节能减排中心有限公司

0 引言

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的转型。由于燃烧温度高、过量空气系数大等工艺特点，燃机电厂在生产过程中产生大量的“热力型”NOx[1]，该NOx往往比燃煤电厂具有更高的氮氧化物排放强度。相比国外发达经济体，我国对燃机电厂氮氧化物的控制起步较晚，在目前装机规模不断扩大、地区环境容量受限的发展背景下，需密切关注燃机电厂氮氧化物排放问题，并借鉴国外的发展经验。

1 各地区和国家燃机氮氧化物排放标准

1.1 我国燃机电厂氮氧化物排放标准

目前，适用于我国燃机电厂大气污染物排放的标准是《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)。在此标准中，燃气轮机组氮氧化物排放限值按燃料类型设定，以油、天然气和其他气体为燃料的，氮氧化物排放限值分别为150 mg/m3、50 mg/m3和 120 mg/m3，限值形式为单一的浓度限值，即干烟气在标准状态下的数值。此外，实测的排放值需先折算为在15%基准氧含量条件下的排放值，然后再与限值数据对比。

《火电厂大气污染物排放标准》于1991年首次发布，之后，于1996年、2003年和2011年进行了3次修订[2][3][4]，各版本对氮氧化物的排放限制在逐步改变。1991初版标准并未对氮氧化物的排放进行限制。1996年修订版本首次规定了氮氧化物标准限值，但仅针对额定蒸发量大于1 000 t/h的煤粉锅炉。2003年修订版本则有较大的变化，主要有三部分：一是扩大了覆盖范围，涵盖了额定蒸发量在65 t/h以上的所有锅炉，即基本上所有火电厂的锅炉都被纳入标准限值范围内了；二是首次对燃气轮机氮氧化物的排放提出了明确的要求；三是燃料方面的分类更为细致，增加了燃油、燃气和燃用不同挥发分含量煤炭的火电厂的氮氧化物排放限值。而2011年修订版本除进一步提高氮氧化物排放标准外，还增加了重点地区的标准要求。重点地区是指国土开发密度高、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》中燃机电厂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

1.2 美国燃机电厂氮氧化物排放标准

1970年，美国通过了第一部关于空气污染控制的法规《清洁空气法》(Clean Air Act)，从法律上规定了由美国环保署USEPA制定全国统一的新建工业污染源排放标准。据此，美国环保署制定了《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。该标准制定的各排放限值基于“最佳示范技术”，同时规定在考虑技术和运营水平的基础上可适度严格，从而给联邦各州精细化管理留有足够的灵活度。

对燃机电厂的排放，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、2005年2月18日之前建造的燃机机组；KKKK子部分则涵盖了2005年2月18日之后开始建造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，其中，在2005年修订的版本中，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）或排放量/机组输入的热量（ng/J）的形式，同时，也保留了以浓度形式给定的排放限值，表达为污染物在15%氧含量条件下百万分之体积浓度（ppmv）的形式。标准允许燃机电厂业主选择遵守基于绩效或基于浓度的排放限值。

固定式燃气轮机NOX排放限值见表2。

1.3 欧盟燃机电厂氮氧化物排放标准

1988年，欧盟前身欧共体制定了《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，并根据燃料类型制定了排放限值。该指令于1994年和2001年进行了两次修订。目前执行的标准为《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 plants 2001/80/EC）[6]，该指令主要针对2000年以后新建的或改建的、装机容量超过50 MW的大型燃烧企业，其中，天然气燃气轮机组NOX排放限值为50 mg/m3、其他气态燃料和燃油机组NOx排放限值为120 mg/m3。NOx排放限值定义为烟气含氧量在15%、机组负荷在70%及以上时的排放限值，详见表3。同时，该指令规定，欧盟各成员国参考该指令标准制定本国标准，但本国标准不得低于该指令标准，当本国政府还未制定出自己的标准时则使用该标准。

表3 欧盟燃气轮机NOx排放限值

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。

表2 美国固定式燃气轮机NOX排放限值

1.4 日本燃机电厂氮氧化物排放标准

1968年，日本在原有《煤烟排放控制法》的基础上制定了《大气污染防治法》。1971年7月,日本成立了环境省，加大对环境污染的管理力度和范围。1972年和1973年又进一步修订了《大气污染防治法》,新修订的法案除单个污染源排放限值外，还开始实施总量控制，规定了区域允许的排放总量。

1973年8月的《大气污染防治法》制定了日本燃机电厂NOx排放标准，对燃烧器燃料消耗量在501 t/h以上的燃气轮机的NOx排放做了规定[7]，期间,对此标准进行了若干次强化，具体排放标准见表4。

2 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的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，各个国家NOx排放限值对比见表5。从表中可看出，各个国家标准中规定的基准氧含量条件基本一致，我国GB13223标准中NOx的限值严于大部分国外标准，仅较美国部分标准略为宽松，意味着我国NOx排放标准已向国际标准看齐，并达到国际领先水平。

表4 日本燃气轮机组NOx排放标准

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

3 国外经验借鉴

从NOx排放限值看，我国是目前世界上主要经济体中最严格的，然而，从排放控制方式和衡量指标上看，和其他国家和地区仍存在一些差异。

1）美国标准充分考虑了受控对象的实际情况，如按燃料、受控单元的建设类型、输出功率甚至使用位置的不同，执行多种形式的排放限值。而我国标准在制、修订过程中缺乏完善的技术和成本—效益分析支撑，仅按燃料种类和燃机运行年龄进行分类，“一刀切”的做法虽然执行简单，但容易造成受控电厂受到与自身不匹配的“超前”限值规定，导致因环保压力的增大而增加额外的成本。

2）美国火电厂排放标准中采用的排放限值以基于产出的绩效限值为主，包括基于热量输入、功率输出的绩效限值，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，鼓励受控对象采用诸如提高燃烧效率、回收有用热量提高燃机整体热效率等方式来减少化石燃料的使用，体现了节约能源与保护环境兼顾的先进理念，有利于减少受控对象的合规成本。

3）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，各个国家和地区均以排放浓度作为衡量手段。经过多年发展，欧洲在80年代就同时进行了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。反观我国尚未对类似燃机电厂的工业固定排放源总量目标进行规定。

4 结语

我国现有燃气轮机电厂氮氧化物排放标准在限值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的同时，氮氧化物排放不断增加的问题随之出现。仅对燃机电厂实行简单的浓度排放标准难以改善和缓解环境压力，因此需借鉴国外类似经验制定标准，在后续标准修订时应考虑绩效排放标准，有机结合污染物减排和电厂节能提效，明确受控对象氮氧化物排放总量控制目标等，实现火电污染物减排目标和电力供应保障目标的双赢。