燃气与燃煤电厂主要大气污染排放物的对比分析

何璞祯，吴尚平

(1 北京服装学院材料设计与工程学院，北京 100029；2 大唐国际发电股份有限公司北京高井热电厂，北京 100041)

近年来，以雾霾为主的复合型重污染天气的频繁出现使北京成为北方城市污染的典型代表。雾霾的构成主要是悬浮颗粒物，其中PM2.5粒径小，能够携带微生物，在大气中长时间留存，对人体呼吸系统、心血管系统、免疫系统等产生损伤作用，给人体健康带来巨大的危害和致病风险。同时，在PM2.5的成分中，有害化学物质含量较高，对人体造成的危害很大[1-2]。大量的PM2.5来自于人类活动，包括燃煤、机动车尾气等排放的一次污染物及其在空气中发生化学反应而生成的二次粒子。大气环境污染问题越来越引起公众空前的关注，相关的研究随之展开[3-5]。目前全球电力很大程度上依靠燃煤提供，化石燃料的高比例使用是大气污染的重要原因，有研究认为以燃煤为主的火力发电和工业锅炉是导致污染的主要原因之一。有专家提出在大型企业中开展煤电近零排放或超低排放的技术研究和创新实践，对清洁煤电和燃气发电进行了对比分析，核心问题聚焦于煤电近零排放的环保性和经济性[6]，同时燃气电厂氮氧化物排放物是造成环境污染的主要物质之一，需要对其控制技术进行改造分析[7]。

燃煤锅炉改造，是北京市治理PM2.5的重要举措之一，削减燃煤，调高电力、天然气等清洁能源的供应力度，推动燃气热电联产替代燃煤热电联产等，目前，北京城区内全面关停燃煤电厂，城区的四家主力热电厂(化电、国华、石景山和高井)都已改成了天然气热电联产。文中所列NOx、SO2和烟尘等主要污染排放物数据均来自北京高井热电厂，通过数据的对比分析，来说明燃气热电联产的环保价值。

1 研究方法

由于环保意识的增强，全国范围建立了严格的电厂排放标准，采用了有效的污染物控制技术，北京制定了更为严格的地方标准，表1是国家标准《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)和北京市地方标准《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》(DB11/847-2011)的具体限值，北京的燃气电厂均需执行此标准。

表1 大气污染物最高允许排放浓度

本文所选取的数据时间跨度长，以供暖期与非供暖期来划分，分别是2012年11月-2013年3月、2013年4月-10月，2017年11月-2018年3月和2018年3月-10月，对比以煤为燃料和以天然气为燃料时电厂排放的NOx、SO2和烟尘三种主要污染物，同时相应对比同一时期内大气中PM2.5含量，根据PM2.5空气质量规定，PM2.5日均浓度(/立方米)划分如下等级，0～50为优，50～100为良，100～150为轻度污染，150～200为中度污染，200～300为重度污染，大于300及以上为严重污染，所列PM2.5数据来自中国气象局网站。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5数据

图1选取PM2.5数据为2012年11月-2013年3月燃煤供暖期和2017年11月-2018年3月燃气供暖期的，按具体日期来分析，通过图中空气质量显示，在2012年11月-2013年3月冬春供暖总天数151天期间，PM2.5浓度在中度污染以上天数为118天，占比达到78%，而在2017年11月-2018年3月冬春供暖季期间，中度污染以上天数仅为17天，占比降到11%。同时从图1中看到，使用燃气燃料后空气中PM2.5的数值远远低于燃煤期。2012-2013年燃煤供暖期的PM2.5数据变化波动大，在2013年1月数据偏高，这可能与北方此时进入严寒期，路面上机动车源增多且由于气温低燃油不充分，导致空气质量受影响明显。而在燃气供暖期，每个月的曲线波动不大，说明在天然气供暖方式下，天然气的有效利用率高，空气质量受到的影响小。

图1 2012-2013年和2017-2018年供暖期PM2.5数据图

图2选取PM2.5数据为2013年4月-10月燃煤非供暖期和2018年4月-10月燃气非供暖期的，通过图2中空气质量显示，在2013年夏秋非供暖期，PM2.5浓度在中度以上污染天数占比为56%，重度污染天数占比小，2018年非供暖期，中度以上污染天数占比仅为0.7%。在非供暖期，电厂由于刚经历过高负荷的供暖期，部分设备需要停机检修，所以设备没有全负荷运转，从图中看到，在使用两种燃料的情况下，每个月的曲线波动不大，说明在非供暖期，空气质量受燃料的影响较小。

图2 2013年和2018年非供暖期PM2.5数据图

2.2 NOx、SO2和烟尘数据

无论是燃煤电厂还是燃气电厂，NOx、SO2和烟尘都是主要考虑的污染排放物，燃料的差异以及燃煤电厂锅炉与燃气电厂燃气轮机组的差异，使得污染物的具体排放情况有所差异。图3所列数据为2012年11月-2013年3月和2017年11月-2018年3月供暖期、2013年4月-10月和2018年3月-10月非供暖期电厂燃煤与燃气烟尘排放、SO2、氮氧化物排放浓度月平均值比较图。

从供暖期电厂燃煤与燃气的烟尘、SO2和NOx排放浓度比较图中看出，11月和12月，燃煤排放的三种污染物浓度均超过国家标准的最高允许排放浓度，其中烟尘在11月排放月均值最大为110 mg/m3，NOx和SO2在12月月均排放浓度均达到最高值，分别为833 mg/m3和426 mg/m3。从1、2和3月份燃煤电厂的烟尘排放、SO2和NOx排放浓度明显变低，均低于国家最高允许排放浓度。这是因为在11和12月份供暖开始，需要燃烧大量煤来提供暖气，进入到1月份后，随着春节临近，外来务工人员大量返乡，停产的工厂也增多，这样使得供暖的需求减弱，燃烧煤的量也逐渐减少。从非供暖期电厂燃煤与燃气的烟尘、SO2和NOx排放浓度比较中看出，三者的月均排放浓度均低于国家最高允许排放值。与燃煤机组相比，燃气轮机组环保排放指标好，在不安装除尘、脱硫装置情况下，烟尘和二氧化硫排放基本可以忽略不计，燃煤电厂排放的二氧化硫主要是煤在燃烧过程中，所有可燃硫受热从煤中析出氧化生成。燃气电厂的二氧化硫是由天然气中极其微量的硫化氢H2S与氧气反应产生的，相对于燃煤电厂燃气电厂的二氧化硫排放量几乎为零。

图3 2012-2013年和2017-2018年供暖与非供暖期烟尘、SO2和NOx数据图

有专家指出[8]，大气雾霾主要来自细颗粒物PM2.5，包括工业、建筑、交通等以及天然源等直接排放的一次细颗粒物和二次细颗粒物是由各种人为排放的污染气体被大气氧化剂(O3和OH等)氧化生成，包括二次有机颗粒物、硫酸盐颗粒物、硝酸盐颗粒物、铵盐颗粒物等，大气中的NOx和挥发性有机物VOC参与反应导致周围大气的氧化性显著增强，形成了大量二次PM2.5，由此造成恶劣天气，所以，NOx和挥发性有机物VOC只要控制其中一种，便可以阻止反应的发生，抵制大气氧化性增强，遏制严重雾霾天气的形成。从实际的空气质量控制和雾霾天气防治来说，最切实可行的措施便是控制各种排放源的NOx排放量。图3表明，燃气热电联产的氮氧化物浓度可控制在30 mg/m3以内，而且在燃气电厂的供暖与非供暖期，NOx排放浓度数值接近，没有大的波动。这是由于燃气电厂主要燃料是天然气，是在燃气轮机的燃烧室里燃烧的，主要是空气中的氮气参与氮氧化物的形成。而燃煤电厂氮氧化物生成机理复杂，受到炉型、装机容量、燃烧方式、煤种等多种因素影响。通过燃气热电联产工程的实施，该电厂与同等发电能力且加装脱硫脱硝装置的燃煤机组相比，每年约可减少二氧化硫排放量1350吨、氮氧化物排放量2200吨、二氧化碳排放量195万吨，烟尘排放几乎为零。

3 结论与展望

3.1 结 论

(1)在2012年11月-2013年3月冬春供暖天期间，PM2.5浓度在中度污染以上天数为118天，占比达到78%，而在2017年11月-2018年3月冬春供暖季期间，中度污染以上天数仅为17天，占比降到11%。在2013年夏秋非供暖期，PM2.5浓度在中度以上污染天数占比为56%，重度污染天数占比小，2018年非供暖期，中度以上污染天数占比仅为0.7%。在非供暖期，燃煤或燃气情况下每个月的PM2.5曲线波动不大，说明在非供暖期，空气质量受燃料的影响较小。

(2)燃煤锅炉在供暖初期，烟尘、SO2和NOx月均排放浓度非常高，均高出国家标准3～8倍，而燃气轮机组环保排放指标好，在不安装除尘、脱硫装置情况下，烟尘和二氧化硫排放基本可以忽略不计，在燃气电厂的供暖与非供暖期，NOx排放浓度数值稳定，均可控制在30 mg/m3以内。

3.2 展 望

煤改气具有一定的环保价值，是环境的需求，但是在改造实施过程中，不能一刀切，要根据不同地区和社会生态等各方面进行综合考虑，项目应使用在对经济有一定承受力的地区，否则很容易出现一些弊端。一方面，天然气消费量激增，而我国是天然气资源贫乏的国度，天然气主要依靠进口，气源紧张，价格高涨，燃气电厂的运行受限于燃气的供应矛盾凸显。另一方面，燃气机叶片制造和修理技术被国外控制，长期制约中国燃气轮机发展的瓶颈还未被打破。2019年7月，国家发改委发布征求《关于解决“煤改气”“煤改电”等清洁供暖推进过程中有关问题的通知》意见的函， 该函件主要是针对“煤改气”、“煤改电”等清洁供暖推进过程中出现的典型共性问题提出解决应对办法，采用清洁煤技术，改造火电厂，更新燃煤工业锅炉，实现煤炭的清洁利用。在成本核算中，环境成本是没有包括进去的，大气治理是利国利民的好事，在后续进程中要分析已出现的问题，多种治理措施并用，循序渐进、科学规划，处处呈现绿水青山。

随着经济社会的发展，全球变暖已经带来了相当大的危害，而引起全球变暖的主要因素是温室气体的排放。CO2是温室气体的主要组成部分，燃煤电厂和燃气电厂是CO2的集中排放源，CO2排放强度大，研究CO2的排放和捕集是当前的一份重要工作[9]，是实现碳减排最有效的途径之一，捕集后的二氧化碳浓缩提纯后用于生产工业级或食品级二氧化碳产品、生产尿素、可降解塑料等。吸收法捕集浓缩电厂烟气中二氧化碳后用于生产二氧化碳产品和尿素具有一定市场前景，生产可降解塑料具有较好环保效果，其应用领域需进一步拓展，应加大对CO2捕集技术研究的扶持力度，促进其发展与成熟，使其能够更早的得到普及。