基准氧含量在大气固定源污染物排放标准中的应用与启示

刘力敏，谢剑锋，张承舟

1.河北省生态环境工程评估中心，河北 石家庄 050031 2.河北省生态环境监测中心，河北 石家庄 050037 3.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012

大气固定源污染物排放标准是污染源烟气监测结果达标与否的主要判断依据，也是污染源监测中应用最广泛的标准。随着大气污染防治工作的深入推进，环境保护相关法律法规、技术体系不断完善，环境标准尤其是大气固定源污染物排放标准在促进污染物减排、产业结构优化、经济发展方式转变等方面发挥了重要作用，取得了显著成效[1]。基于生产工艺、设备和污染防治技术的发展，以及人民群众对环境质量改善的迫切要求，国家和地方相继制修订了一系列大气固定源污染物排放标准，大幅提高了对主要污染物的控制要求。在调整大气污染物排放种类、排放限值的同时，也对与达标判断密切相关的烟气氧含量指标作出了重新规定[2-5]。

烟气氧含量是指燃料燃烧时，烟气中含有的多余的自由氧[6]。在实际生产中，一般都会通过鼓风机向锅炉和工业炉窑中加入过量空气，以确保燃料充分燃烧利用，而过量空气的存在对污染源烟气中颗粒物、气态污染物浓度及排放参数的测定具有一定干扰。要得到真实的污染物排放浓度，就必须有一个统一的换算方法，将实测排放浓度值折算为一定氧含量状态下的浓度值，以消除过量空气的影响[7-8]。因此，在大气固定源污染物排放标准中，对于需要补充空气(氧气)的工业炉窑，一般要规定其对应的基准氧含量或过量空气系数，两者均代表了在当时的设备和运行技术水平下，燃料完全燃烧时比较节能和减排的最大允许经验值[9-10]。由此可见，烟气氧含量是计算污染物排放浓度的重要参数。对于燃烧方式为纯氧燃烧的工业炉窑，其基准氧含量或过量空气系数很难界定，故一般规定以基准排气量作为废气排放浓度的折算依据。

本研究在收集国家和地方相关标准的基础上，从污染源烟气监测的特点出发，对大气固定源污染物排放标准中关于基准氧含量和过量空气系数的规定情况进行了系统调研，并着重分析了基准氧含量指标的应用现状、趋势和效果，阐明了基准氧含量在不同工艺条件下的适用性，以及相关行业标准在制修订中存在的问题，为科学合理规定基准氧含量及其限值，推动大气固定源污染物排放标准优化提出了建议。

1 应用现状与发展趋势

1.1 烟气氧含量在大气固定源污染物排放标准中应用广泛

在对锅炉和工业炉窑的监测中，为了保证检测结果的代表性、准确性和可比性，需要消除监测分析过程中的系统误差。因此，在大气固定源污染物排放标准中，一般要对标准的适用范围、采样与监测方法、排气筒高度及采样位置、烟气标准状态等作出规定，还需要对烟气氧含量和烟气排放速率等作出规定。

大气污染物排放标准中对烟气氧含量的表达方式主要是基准氧含量和过量空气系数。根据《国家大气污染物排放标准制订技术导则》(HJ 945.1—2018)，基准氧含量是指“用于折算燃烧源大气污染物排放浓度而规定的氧含量的基准值”，表达为一个小于空气中氧含量(21%)的百分数[6]。而过量空气系数(α)是指燃料燃烧时空气实际需要量与理论需要量的比值[7]，是一个反映燃料与空气配合比的重要参数。由于炉窑各燃烧工艺对氧气量的需求不同，各标准中规定的基准氧含量或过量空气系数也就不同。

采用基准氧含量的折算公式[6]：

折算排放浓度=实测排放浓度×

(1)

采用过量空气系数的折算公式[7]：

折算排放浓度=实测排放浓度×

(2)

其中，实测过量空气系数的计算公式[7]为

(3)

由此可见，基准氧含量和过量空气系数均是用来标准化一定工况下的污染物排放浓度的重要指标，都需要通过现场测量烟气的氧含量，再按照公式把污染物浓度实测值折算为实际的污染物排放浓度值，从而消除固定污染源烟气监测中的燃烧设备运行工况差异和人为因素影响，使得数据具有可比性。

在现行大气固定源污染物排放标准中，实际排放浓度的折算方法仍然是采用基准氧含量和采用过量空气系数两种方式并存。但无论是采用基准氧含量还是延续既往的采用过量空气系数，都体现了烟气氧含量这一参数对于排放浓度计算的重要性。

1.2 基准氧含量取代过量空气系数趋势明显

在我国较早的大气固定源污染物排放标准中，锅炉、工业炉窑相关排放标准对烟气氧含量的规定大多采用过量空气系数，只有与焚烧炉相关的《危险废物焚烧污染控制标准》(GB 18484—2001)、《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485—2001)和《燃油式火化机大气污染物排放限值》(GB 13801—2009)等3项国标(均已被新版标准替代)规定使用基准氧含量进行折算。

本研究收集了2021年1月1日以前发布且现行有效的51项大气固定源污染物排放国家标准，经整理分析发现：共有26项国家标准(含标准修改单)对基准氧含量进行了规定，约占51%；有5项国家标准对过量空气系数(均为2011年之前发布)进行了规定，约占10%；而未规定烟气氧含量(基准氧含量或过量空气系数)的标准有20项，约占39%。

在进行大气固定源污染物监测时，如果采用过量空气系数，需要先根据烟气中的氧含量计算出过量空气系数，再将实测的烟气排放浓度折算为标准规定的过量空气系数下的排放浓度。而采用基准氧含量时，可以利用测量出的烟气氧含量直接折算出标准规定的基准氧含量下的排放浓度，无需进行二次折算，计算过程简便，错误几率更低，工作效率更高，在污染源监测中更具技术可行性和经济合理性。因此，在大气固定源污染物排放标准中，使用基准氧含量替代过量空气系数的趋势越来越明显。

2011年是我国大气固定源污染物排放标准制修订中的一个重要时间节点。从该年度发布的《平板玻璃工业大气污染物排放标准》(GB 26453—2011)开始，基准氧含量在国标中逐渐替代了过量空气系数，从而占据主导地位。由图1可见，发布日期在2011年之后的24项国家标准全部采用了基准氧含量。其中，生态环境部于2020年12月发布的《铸造工业大气污染物排放标准》(GB 39726—2020)等6项标准(含标准修改单)，均对窑炉烟气的基准氧含量作出了规定或修改。

图1 国标中基准氧含量的应用趋势Fig.1 Application trend of referenceoxygen content in national standards

近年来，随着对精准治污、超低排放的要求越来越高，工业窑炉工艺装备和环境监测技术也在不断发展，大气固定源污染物排放标准的制修订进入快速发展期。在地方相关标准的制修订中，引入基准氧含量或以基准氧含量替代过量空气系数的趋势也日益明显。以河北省为例，2011年以来发布的13项大气固定源污染物排放地方标准中，有11项对基准氧含量作出了规定。目前，基准氧含量主要应用于生产设备中包含锅炉或工业炉窑的火电、钢铁、水泥等行业的大气固定污染源排放标准。

2 应用效果分析

2.1 基准氧含量保证了达标判定的公正性

为了保证污染物监测数据计算处理的“归真”，以及达标判定的可比性，相关标准对烟气氧含量和烟气排放速率等也要作出规定，用来校准或折算污染物的实测值，以解决烟气中的过量空气对污染物的稀释问题。以石灰窑焙烧烟气监测为例，当实际监测到的氧含量为8.5%、颗粒物排放浓度为20 mg/m3时，按8%、9%、10%、16%的基准氧含量进行折算后，颗粒物排放浓度分别为20.8、19.2、17.6、8.0 mg/m3(图2)。由此可以看出，当实际排放浓度确定时，规定的基准氧含量越小，折算后的排放浓度越大，基准氧含量对折算后排放浓度的影响明显。

注：实线为根据标准实际计算得到的数值的连接线，虚线为理论趋势线。图2 不同氧含量的烟气排放浓度变化Fig.2 Variation of fume emission concentrationwith different oxygen content

因此，在大气污染物排放标准中，通过科学规定基准氧含量或过量空气系数，可以避免由基准氧含量过小造成的烟气浓缩，防止出现人为超标；或者由基准氧含量过大造成的稀释排放，防止出现虚假达标。标准中对基准氧含量的规定，可以消除燃烧设备运行工况的差异和人为稀释因素的影响，完善大气污染物排放标准的内容，体现标准的科学性、严谨性和公平性。折算后的排放浓度才能真实反映污染物的排放状况，才能对同一行业不同企业的排放浓度采用统一的标准进行监管，从而保证监测数据的可比性和达标判定的公平性。

2.2 基准氧含量推进了精细化分类管理的实现

涉及大气污染的锅炉和工业窑炉种类多样。对于不同行业、不同用途甚至不同工序的炉窑，其设计原理、设备结构、工艺特点、燃烧方式等均可能存在很大的差异，对应的污染防治技术和排放状况也是千差万别。因此，在污染源监测和污染评价中，必然要分门别类地予以区别对待。在不同行业的大气污染物排放标准中规定不同的基准氧含量，可以充分体现炉窑工艺和设备的差异及特点。

近年来，国家环境标准体系不断完善，大气污染物排放相关标准和技术规范呈现出行业细分、工艺细化的特点，而综合排放标准的适用范围逐步收缩，有被行业排放标准替代的趋势。“十三五”期间，我国共完成制修订并发布污染物排放国家标准37项，其中包含大气污染物排放标准14项[11]。研究分析这些标准可以发现两个显著特点：一是行业标准占据主导地位。对于大气主要污染物排放量大、对空气质量影响较大的行业门类，相关部门基本上都有针对性地制定了该行业的大气污染物排放标准，并通过设定不同的基准氧含量指标，体现出对不同行业的差异化管理。二是大气污染物排放标准不断细化。一些行业标准在规定基准氧含量时，对不同生产工序、生产工艺等均做了综合考虑，对不同生产设备规定了不同的基准氧含量指标。

以钢铁企业球团生产工艺为例，球团焙烧的方法主要有竖炉焙烧法、带式焙烧机焙烧法和链篦机-回转窑焙烧法3种[12]。与竖炉生产工艺不同，链篦机-回转窑和带式焙烧机需要将球团冷却段的余热回收以进行原料预热，导致焙烧烟气中的氧含量比较高。为此，2020年发布的《〈钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准〉(GB 28662—2012)修改单》将烧结机和球团竖炉焙烧干烟气基准氧含量规定为16%，而将链篦机-回转窑和带式球团焙烧机焙烧干烟气基准氧含量规定为18%。对同一行业不同工艺特点的生产设备规定不同的基准氧含量，体现了标准的差异性和科学性，反映出大气污染防治精细化管理的要求。

2.3 基准氧含量促进了污染防治水平的提升

在大气污染物排放标准中，基准氧含量与污染物排放限值是一对密切相关的参数。基准氧含量的微小调整，可能导致折算后排放浓度的倍量增减，进而影响达标判定的结果。近年来，随着大气污染防治工作的深入，国家和地方出台的大气污染物排放标准中的排放限值更加严格，基准氧含量也更趋于科学精准。2019年4月生态环境部、国家发改委等部门联合印发《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(环大气〔2019〕35号)，明确规定焦炉烟囱对应的基准氧含量为8%。相关举措极大地促进了大气污染治理技术的推广应用，提高了大气污染防治水平。由此可见，对精准治污、深度治理的要求越高，在标准制定中就更需要合理规定基准氧含量，并把基准氧含量与排放限值作为一个整体统筹确定，从而确保标准的技术可行性和经济合理性。

目前，河北、山东等省份钢铁行业地方标准对各个工序的颗粒物排放浓度基本控制在10 mg/m3。在污染物排放限值日益严格的背景下，湿式静电除尘、覆膜滤料袋式除尘、滤筒除尘等先进除尘工艺，以及烟气脱硫增容提效技术，烟气活性炭(焦)脱硝技术，烟气选择性催化还原(SCR)高效脱硝技术，高炉煤气、焦炉煤气精脱硫技术，烧结机头烟气循环利用技术等一大批先进、适用的节能减排工艺和技术得到广泛应用，推动了超低排放目标的实现。

3 存在的问题

3.1 规定过量空气系数的部分标准与经济技术发展水平不相适应

标准制修订的重要原则是要保持标准的适用性、先进性、统一性和协调性。标准只有与经济、技术的发展水平和相关方的承受能力相匹配，才具有科学性和可实施性。研究发现，目前有5项大气固定源污染物排放标准规定以过量空气系数进行折算，详见表1。

表1 规定过量空气系数的国家标准Table 1 List of national standards specifying excess air coefficient

从表1可以看出，这部分标准存在3个方面的问题：一是颁布实施时间长。5项标准的实施时间均已在10年以上。与标准制定之初相比，当前的炉窑技术、污染防治技术已经有了很大的发展和提高，因此，旧标准难以全面衡量当前的工艺水平和排放状况，其符合性有待重新调研评估。二是个别标准的适用范围过大。如1996年颁布的《工业炉窑大气污染物排放标准》(GB 9078—1996)，其实施时间已长达25年。在此期间，相关部门针对许多大气污染重点行业制定了专门的行业标准，新标准的指向性和适用条件比综合性标准更加细致、精准。而《工业炉窑大气污染物排放标准》未能得到及时的修订更新，特别是在适用范围上未能得到及时的细化调整。三是部分标准中规定的过量空气系数限值的合理性有待评估。如《钒工业污染物排放标准》(GB 26452—2011)规定的基准过量空气系数为1.6，其他4项标准规定的过量空气系数均为1.7(折合基准氧含量8.6%)。在使用相关标准进行监测时，对于标准中的过量空气系数与窑炉生产过程中的实际氧含量是否相符，需要进一步的验证。因此，标准的约束效力和技术引领作用未能得到真正发挥。

3.2 个别行业排放标准中未规定基准氧含量

焦炉是焦化工业的主要生产设备，属于工业炉窑的一种。焦炉的生产过程需要补充空气(氧气)，因此，在污染物排放标准中，应该规定其对应的基准氧含量。但《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB 16171—2012)规定，在国家未规定生产设施单位产品基准排气量之前，以实测浓度作为判定大气污染物排放是否达标的依据。这一规定表明，该标准关注到了烟气氧含量对污染物排放浓度监测结果的干扰和影响，但并没有做出进一步的要求。显然，在目前的标准制定工作中，由于各种原因，仍然存在着“重排放限值，轻基准氧含量”的倾向。如果标准中只规定了排放限值而没有规定基准氧含量，不同设备的烟气监测数据就不具有可比性，甚至为个别企业在设备工况和治理设施运行方式上弄虚作假留出了空间，难以保证标准的客观公正性。由此可见，尽早修订《炼焦化学工业污染物排放标准》并科学规定基准氧含量，将有力规范焦炉烟气污染排放，促进焦化工业的节能减排。

3.3 部分标准对工艺设备的管理分类不够精准

以《工业炉窑大气污染物排放标准》(GB 9078—1996)为例，该标准适用的炉窑共包括熔炼炉、熔化炉、加热炉、干燥炉(窑)等10大类近20种炉型，而各种炉窑的炉型结构、燃烧方式、排放特点等差异很大。由于其对炉窑类型的划分不够精细，在统一规定的过量空气系数或基准氧含量下折算出的数据，必然与部分炉窑的实际状况不符，影响标准的执行效果。同样，根据《轧钢工业大气污染物排放标准》(GB 28665—2012)，热处理炉包括加热炉、退火炉、正火炉、回火炉、保温炉(坑)、淬火炉、固溶炉、时效炉、调质炉等热工设备。虽然上述设备均是用于钢铁行业的轧钢工序，但其工艺特点和用途明显不同。该标准中规定的热处理炉的基准氧含量为8%，但据统计，加热炉的氧含量平均值为8%～12%，其他热处理炉的氧含量平均值为15%～20%，差距较大。再以热镀锌退火炉为例，为保证产品表面镀层质量，连续退火炉设有无氧化段、还原段、缓冷段和快冷段等工序，每个阶段对氧含量的要求不同，而退火炉将各个阶段的烟气统一收集排放，造成烟气中的氧含量较高。因此，有研究者提出，热处理炉不同炉型、不同阶段的氧含量差异较大，需细化工艺、分类管理[13]。2020年发布的《〈轧钢工业大气污染物排放标准〉(GB 28665—2012)修改单》将热处理炉区分为轧钢加热炉和轧钢热处理炉(其他热处理炉)两大类，并分别规定了基准氧含量，初步解决了这一问题。

3.4 不同标准对同种设备的规定不一致

石灰窑在我国工业体系中广泛存在。除独立石灰企业外，钢铁、水泥、铝、碳酸钙等行业中也包含石灰生产工序及石灰窑生产设施。涉及石灰窑的国标和地标中，既有独立的石灰行业排放标准，也有其他行业的排放标准。表2所列4项排放标准适用的生产工序或设施中，均包含石灰窑。其中，《铝工业污染物排放标准》(GB 25465—2010)规定以实测浓度作为判定是否达标的依据，未规定基准氧含量。而在规定了基准氧含量的其他3项标准中，《炼钢工业大气污染物排放标准》(GB 28664—2012)中规定的基准氧含量为8%，限值最低；河北省《石灰行业大气污染物排放标准》(DB13/ 1641—2012)中规定的基准氧含量为16%，明显过高；山东省《建材工业大气污染物排放标准》(DB37/ 2373—2018)中规定的基准氧含量限值为10%。通过对比可以看出，虽然都是石灰生产设施，但对于不同行业、不同区域的石灰窑，不同标准中规定的基准氧含量限值却差别很大，缺乏可比性，也有违法律意义上的公平公正原则。

表2 国内相关标准规定的石灰窑基准氧含量Table 2 List of reference oxygen content of lime kiln process specified in corresponding domestic standards

3.5 对特殊设备的规定不全或适用条件不清

焚烧类有机废气处理装置可视为一种特殊的炉窑设施。用于焚烧有机废气的蓄热式热力焚化炉(RTO)等污染治理设备因工艺技术不同，对氧气的需求也不同。为保证燃烧充分，有的设备需补充空气(氧气)，而有的设备的废气中的氧含量即可满足自身燃烧、氧化反应的需要，不需额外补充空气(氧气)[14]。因此，对于利用燃烧(焚烧、氧化)方式处理的有机废气的排放浓度是否需要进行基准氧含量折算，需根据实际情况区分判定。同理，《合成树脂工业污染物排放标准》(GB 31572—2015)规定，焚烧类有机废气排放口的实测污染物排放浓度须换算成基准氧含量为3%的污染物基准排放浓度。该标准虽然规定了基准氧含量，但由于对适用条件的规定不够细致准确，也未做详细的解释说明，在执行中经常会造成困惑和疑虑，影响标准的实施效果。

4 结论与建议

基准氧含量是大气固定源污染物排放标准中的一项重要指标。科学规定基准氧含量，可以有效保证监测数据的可比性、评价结果的公平性及标准的权威性，提高监测工作效能。结合本文分析结果，提出以下建议：

1)对现有大气固定源污染物排放标准的实施效果进行评估。从现行管理需求出发，结合生产装备和污染防治技术发展水平，加快修订现行标准，以基准氧含量指标替代过量空气系数，并在规定排放限值的同时，科学规定基准氧含量；鼓励细分行业标准的研究制定，并逐步以其替代综合性排放标准，提高标准的适用性，实现污染防治分类管理；加快制定特殊行业、特殊工艺、特殊装置排放标准，完善大气标准体系，为环境监测和执法监督提供充分依据。

2)以炉窑设备为基本单元规定基准氧含量。全面分析各种工业炉窑的生产工艺、燃烧方式、污染治理措施等，逐一研究其烟气产生、收集、治理和排放的特点，分别规定基准氧含量。避免按照行业、产品、工序简单归类，杜绝同种类同型号设备不同规定的问题，确保相同的设备或设施在综合标准、行业标准中对应的基准氧含量的一致性，体现分类管理、精准治污的要求。

3)以科学方法合理测算并规定基准氧含量限值。对于标准中是否需要规定基准氧含量，以及基准氧含量的限值如何设定，必须结合该行业的燃烧工艺、燃料特点和当前的减排技术水平综合考虑。应以最新科研成果和足够的监测样本数据为依据，经过充分调研和数据分析来确定基准氧含量，避免直接引用、套用，避免随意加严排放限值或随意设定基准氧含量。标准既要体现约束力，也要发挥对先进技术的引领作用，以确保其科学性、合理性和可实施性。