燃氣輪機組氮氧化物排放現狀及標準修訂建議

徐灝 袁靜娟 吳夢可 顧雅潔 丁得龍 張力

（1 浙江天地環(huán)保科技股份有限公司 浙江杭州 310003 2 浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責任公司 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，燃氣發(fā)電行業(yè)不斷壯大，燃氣發(fā)電裝機容量持續(xù)擴大。2021 年1 月18 日，東莞深能樟洋電力公司擴建工程項目首套發(fā)電機組168 h 滿負荷試運的完成，標志著我國氣電裝機容量突破1 億kW。然而，由于燃氣發(fā)電裝機容量的日益擴大，其氮氧化物（NOx）排放問題也日益引起社會重視。

國家現有的 《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）中規(guī)定，建設燃用天然氣的燃氣輪發(fā)電機組NOX排放限值為50 mg/m3，但在不采取尾部脫硝措施的情況下，目前大部分燃機電站的NOX排放濃度均低于國標，這不利于調動燃氣發(fā)電廠的減排積極性。因此，依據我國燃機電站實際情況與國家環(huán)境發(fā)展規(guī)劃，制定可有效控制NOX排放的新標準，對改善空氣質量具有十分重要的現實意義。

1 燃機行業(yè)規(guī)模及NOX 排放現狀

1.1 我國燃機行業(yè)規(guī)模及現狀

在國家“十五”規(guī)劃中，我國對天然氣能源策略進行較大調整?！笆濉币?guī)劃綱領明確“加快天然氣勘察、開發(fā)和利用，統(tǒng)籌生產基地，輸送管線和用氣工程建設，引用國外天然氣，提高天然氣消費比重”。隨后，天然氣資源得到了大規(guī)模開發(fā)利用。燃氣發(fā)電具有環(huán)境影響小、調峰能力高、能源轉換率高、碳排放強度低等優(yōu)點，燃氣發(fā)電裝機容量不斷擴大。

據統(tǒng)計，截至2020 年底，我國燃氣發(fā)電裝機的容量達到9 802 萬kW，占全國總裝機的4.45%。據前瞻產業(yè)研究院預測，到2025 年，中國天然氣發(fā)電裝機容量將超過1.43 億kW，約占總裝機比例6%［1］，詳見圖1。由圖1 可以看出，2020—2025 年燃氣裝機的平均增速在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NOX 排放現狀

2017 年6 月～7 月，江蘇省標準編制組分別對全省的13座在役燃機電廠和8 座主要在建燃機電廠的NOX排放狀況進行了調研，經過比較分析大量數據，得出了以下結果：多數燃機電廠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以下的機組分別占比27%、27%和46%［2］。

假設所有燃機年利用時間按5 500 h 計，燃機電廠的標準煙氣量約為5.6 m3/kWh。若以江蘇省燃機發(fā)電NOX排放情況來預測全國，則2020 年全國燃機NOX的排放量約為115 萬t；到2025 年，燃機NOx 的排放量將達到168 萬t，總量不容忽視。

2 燃機脫硝技術發(fā)展現狀

2.1 燃機脫硝技術概況

大量研究已證實，在煤、天然氣等燃燒過程中產生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NOX產生的主要途徑。熱力型NOX指空氣中的氮氣在高溫下被氧化分解而生成的NOX；快速型NOX指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團等發(fā)生反應而生成的NOX。根據燃機NOX的形成機理，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 的產生，即低氮燃燒技術；②在燃燒后對煙氣中的NOx 進行脫除，即尾部煙氣脫硝技術［4］。

（1）低氮燃燒技術。主要分為噴水或蒸汽、分級燃燒、均相預混燃燒等技術。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。分級燃燒即將空氣分多級送入，以降低燃燒過程中的火焰溫度，進而減少熱力型NOX的生成量。均相預混燃燒則是先將空氣和燃料氣預混后，再進入燃燒器，這樣就極大地避免了快速NOX的產生。（2）尾部煙氣脫硝技術。主要包括選擇性非催化還原（SNCR）和選擇性催化還原（SCR）技術。SNCR 技術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，該反應溫度條件為900 ℃～1 100 ℃。SCR 技術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)生氧化還原反應的適宜溫度為280 ℃～420 ℃。與SNCR 技術相比，SCR 技術的脫硝效率、還原劑利用率均較高，且反應溫度較低。基于以上原因，目前在燃氣發(fā)電廠使用比較普遍的脫硝技術是SCR 技術［5］。

2.2 燃機SCR 脫硝技術的應用實例

目前，國內已有部分燃氣發(fā)電廠加裝有SCR 脫硝系統(tǒng)。為了進一步了解燃機機組及其煙氣脫硝裝置運行的穩(wěn)定性和大氣污染物排放水平，本文以北京某燃氣熱電有限公司A 和天津某燃氣熱電有限公司B 為例進行分析。對于這2 家公司分別整理了其近一年的NOX的排放數據，如圖2 和圖3 所示。

對北京某燃氣熱電有限公司A 和天津某燃氣熱電有限公司B 近一年的NOX排放數據，進行了最小值、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，采用燃機脫硝技術后，2 個燃機電廠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 家燃機電廠NOX的排放濃度基本都在15 mg/m3以下；且北京某燃氣熱電有限公司A 的NOX排放濃度更低，約有42.58%分布在10 mg/m3以下；而天津某燃氣熱電有限公司B 的NOX排放濃度基本集中在10 mg/m3～15 mg/m3。相比北京某燃氣熱電有限公司A，天津某燃氣熱電有限公司B 的NOX排放控制有一定提升空間。2家公司的脫硝實例說明SCR 脫硝技術有望將燃機NOX排放濃度控制在15 mg/m3以下。

表1 不同燃機電廠近一年NOx 排放統(tǒng)計

表2 不同燃機電廠NOx 排放濃度不同區(qū)間占比 （%）

圖2 北京某燃氣熱電有限公司A 的NOX 排放數據

圖3 天津某燃氣熱電有限公司B 的NOX 排放數據

3 國內外燃氣輪機組大氣污染物排放標準對比分析

3.1 國內標準

中國現有的 《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）規(guī)定了天然氣燃氣輪機組顆粒物、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重視，北京、天津和深圳等地政府在國家標準的基礎上，制定了更為嚴格的NOX排放標準。

北京市 《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》（DB 11/847—2011）中明文規(guī)定新建燃用天然氣的燃氣輪機組顆粒物、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準》（DB 12/810—2018）中明文規(guī)定現有、新建燃用天然氣的燃氣輪機組NOx 的排放限值分別為35 mg/m3、30 mg/m3。2018 年4 月深圳出臺了《2018 年“深圳藍”可持續(xù)行動計劃》，要求所有燃氣電廠在2018 年11月前進行整改，所有機組NOX排放均達到15 mg/m3以下。江蘇省 《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》（DB 32/3967—2021）中規(guī)定現有、新建燃用天然氣的燃氣輪機組NOx 的排放限值分別為15 mg/m3、10 mg/m3。

3.2 國外標準

目前歐盟施行的標準是2010 年11 月發(fā)布的2010/78/EU指令（即工業(yè)排放-綜合污染預防和控制），規(guī)定了2016 年1 月1 日后投入商業(yè)使用的燃氣輪機組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，針對該指令歐盟出臺了一些行業(yè)的最佳可行技術（BAT）參考文件（BREE），規(guī)定了新建燃氣輪機組NOx 排放限值為10 mg/m3～50 mg/m3［7］。

美國施行的《新污染源排放標準》（NSPS）規(guī)定了燃氣輪機組NOx 排放限值為30 mg/m3［8］，并在此基礎上要求使用最佳可行控制技術（BACT）或最低可得排放速率（LAER）進一步降低NOx 排放。以加州為例，1999 年加州空氣資源理事會（ABR）通過了《電廠選址和最佳可行控制技術指導》，規(guī)定簡單循環(huán)、聯合循環(huán)燃氣輪機組NOX的排放限值分別為5 mg/m3、10mg/m3［9］。

日本于2012 年4 月對《大氣污染防治法》作出了修改，要求燃氣輪機一般地區(qū)和重點地區(qū)NOX排放濃度低于143.8 mg/m3［10］。

3.3 國內外標準限值對比分析

國內外的燃氣輪機組大氣污染物排放標準對比如表3 所示，可以看出，中國國標中NOX排放限值與國外的國標相當，但與國際領先標準（美國BACT 或LAER）仍有一定差距。國內地方標準以江蘇省最為嚴格，其僅次于美國BACT 或LAER 標準，與國內外其他標準相比，具有一定的先進性。

表3 國內外燃氣輪機組大氣污染物排放標準對比［11］ 單位：mg／m3

4 結論

隨著燃氣發(fā)電裝機容量的不斷增長，預計2025 年燃機NOX排放總量將達到168 萬t，其對環(huán)境的影響不容忽視。盡管當前我國國標NOX排放限值與國外標準基本相當，但對我國的燃氣輪機組來說，國標排放限值過于寬松，目前大部分燃氣輪機排放濃度都低于國標排放限值，不需要加裝脫硝設施。顯然，目前的國標與燃氣輪機發(fā)展現狀和形勢不匹配，也不符合我國綠色低碳循環(huán)經濟發(fā)展戰(zhàn)略。通過對燃機脫硝技術的調研和實例分析，表明燃機NOX控制技術已經相當成熟。因此，建議在充分調研和技術論證的基礎上，適時修訂國家標準中對燃機NOX排放限值，以適應中國環(huán)保形勢的發(fā)展。