燃气轮机组氮氧化物排放现状及标准修订建议

徐灏 袁静娟 吴梦可 顾雅洁 丁得龙 张力

（1 浙江天地环保科技股份有限公司 浙江杭州 310003 2 浙江浙能镇海发电有限责任公司 浙江宁波 315000）

0 引言

近年来，随着中国天然气资源的大量利用，国家“西气东输”、近海天然气利用以及海外液化天然气引入等工作全面启动，燃气发电行业不断壮大，燃气发电装机容量持续扩大。2021 年1 月18 日，东莞深能樟洋电力公司扩建工程项目首套发电机组168 h 满负荷试运的完成，标志着我国气电装机容量突破1 亿kW。然而，由于燃气发电装机容量的日益扩大，其氮氧化物（NOx）排放问题也日益引起社会重视。

国家现有的 《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）中规定，建设燃用天然气的燃气轮发电机组NOX排放限值为50 mg/m3，但在不采取尾部脱硝措施的情况下，目前大部分燃机电站的NOX排放浓度均低于国标，这不利于调动燃气发电厂的减排积极性。因此，依据我国燃机电站实际情况与国家环境发展规划，制定可有效控制NOX排放的新标准，对改善空气质量具有十分重要的现实意义。

1 燃机行业规模及NOX 排放现状

1.1 我国燃机行业规模及现状

在国家“十五”规划中，我国对天然气能源策略进行较大调整。“十五”规划纲领明确“加快天然气勘察、开发和利用，统筹生产基地，输送管线和用气工程建设，引用国外天然气，提高天然气消费比重”。随后，天然气资源得到了大规模开发利用。燃气发电具有环境影响小、调峰能力高、能源转换率高、碳排放强度低等优点，燃气发电装机容量不断扩大。

据统计，截至2020 年底，我国燃气发电装机的容量达到9 802 万kW，占全国总装机的4.45%。据前瞻产业研究院预测，到2025 年，中国天然气发电装机容量将超过1.43 亿kW，约占总装机比例6%［1］，详见图1。由图1 可以看出，2020—2025 年燃气装机的平均增速在9.2%，仍处于快速增长阶段。

图1 2015—2025 年我国天然气发电装容量及增长速率

1.2 燃机NOX 排放现状

2017 年6 月～7 月，江苏省标准编制组分别对全省的13座在役燃机电厂和8 座主要在建燃机电厂的NOX排放状况进行了调研，经过比较分析大量数据，得出了以下结果：多数燃机电厂NOX平均排放浓度在50 mg/m3以下，NOX排放浓度为40 mg/m3～50 mg/m3、30 mg/m3～40 mg/m3和20 mg/m3～30 mg/m3以下的机组分别占比27%、27%和46%［2］。

假设所有燃机年利用时间按5 500 h 计，燃机电厂的标准烟气量约为5.6 m3/kWh。若以江苏省燃机发电NOX排放情况来预测全国，则2020 年全国燃机NOX的排放量约为115 万t；到2025 年，燃机NOx 的排放量将达到168 万t，总量不容忽视。

2 燃机脱硝技术发展现状

2.1 燃机脱硝技术概况

大量研究已证实，在煤、天然气等燃烧过程中产生NOx 的主要途径有3 种，即燃料型、热力型和快速型［3］，其中热力型和快速型是燃机NOX产生的主要途径。热力型NOX指空气中的氮气在高温下被氧化分解而生成的NOX；快速型NOX指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团等发生反应而生成的NOX。根据燃机NOX的形成机理，可通过以下2 种方法来减少NOX的排放：①在燃烧过程中减少NOx 的产生，即低氮燃烧技术；②在燃烧后对烟气中的NOx 进行脱除，即尾部烟气脱硝技术［4］。

（1）低氮燃烧技术。主要分为喷水或蒸汽、分级燃烧、均相预混燃烧等技术。喷水或蒸汽是指在天然气燃烧过程中，向高温燃烧区喷水或蒸汽来降低燃烧的温度，从而降低热力型NOx 的生成量。分级燃烧即将空气分多级送入，以降低燃烧过程中的火焰温度，进而减少热力型NOX的生成量。均相预混燃烧则是先将空气和燃料气预混后，再进入燃烧器，这样就极大地避免了快速NOX的产生。（2）尾部烟气脱硝技术。主要包括选择性非催化还原（SNCR）和选择性催化还原（SCR）技术。SNCR 技术是指在无催化剂条件下，向烟气中喷入还原剂氨或尿素，使NOX被还原成N2和H2O，该反应温度条件为900 ℃～1 100 ℃。SCR 技术原理为在催化剂作用下，向烟气中喷入还原剂，将NOx 还原成N2和H2O。由于催化剂可以降低反应活化能，所以在催化剂存在的条件下，NOx 和氨等还原剂发生氧化还原反应的适宜温度为280 ℃～420 ℃。与SNCR 技术相比，SCR 技术的脱硝效率、还原剂利用率均较高，且反应温度较低。基于以上原因，目前在燃气发电厂使用比较普遍的脱硝技术是SCR 技术［5］。

2.2 燃机SCR 脱硝技术的应用实例

目前，国内已有部分燃气发电厂加装有SCR 脱硝系统。为了进一步了解燃机机组及其烟气脱硝装置运行的稳定性和大气污染物排放水平，本文以北京某燃气热电有限公司A 和天津某燃气热电有限公司B 为例进行分析。对于这2 家公司分别整理了其近一年的NOX的排放数据，如图2 和图3 所示。

对北京某燃气热电有限公司A 和天津某燃气热电有限公司B 近一年的NOX排放数据，进行了最小值、最大值、平均值和浓度分布区间分析，见表1 和表2。从图2 和图3 可以看出，采用燃机脱硝技术后，2 个燃机电厂NOX排放浓度平均值基本在10 mg/m3上下。从表1 和表2 可以看出，2 家燃机电厂NOX的排放浓度基本都在15 mg/m3以下；且北京某燃气热电有限公司A 的NOX排放浓度更低，约有42.58%分布在10 mg/m3以下；而天津某燃气热电有限公司B 的NOX排放浓度基本集中在10 mg/m3～15 mg/m3。相比北京某燃气热电有限公司A，天津某燃气热电有限公司B 的NOX排放控制有一定提升空间。2家公司的脱硝实例说明SCR 脱硝技术有望将燃机NOX排放浓度控制在15 mg/m3以下。

表1 不同燃机电厂近一年NOx 排放统计

表2 不同燃机电厂NOx 排放浓度不同区间占比 （%）

图2 北京某燃气热电有限公司A 的NOX 排放数据

图3 天津某燃气热电有限公司B 的NOX 排放数据

3 国内外燃气轮机组大气污染物排放标准对比分析

3.1 国内标准

中国现有的 《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）规定了天然气燃气轮机组颗粒物、SO2及NOX排放限值分别为5 mg/m3、35 mg/m3和50 mg/m3。由于NOX的污染问题日益引起社会重视，北京、天津和深圳等地政府在国家标准的基础上，制定了更为严格的NOX排放标准。

北京市 《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》（DB 11/847—2011）中明文规定新建燃用天然气的燃气轮机组颗粒物、SO2及NOx 的排放限值分别为5 mg/m3、20 mg/m3和30 mg/m3。天津市《火电厂大气污染物排放标准》（DB 12/810—2018）中明文规定现有、新建燃用天然气的燃气轮机组NOx 的排放限值分别为35 mg/m3、30 mg/m3。2018 年4 月深圳出台了《2018 年“深圳蓝”可持续行动计划》，要求所有燃气电厂在2018 年11月前进行整改，所有机组NOX排放均达到15 mg/m3以下。江苏省 《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》（DB 32/3967—2021）中规定现有、新建燃用天然气的燃气轮机组NOx 的排放限值分别为15 mg/m3、10 mg/m3。

3.2 国外标准

目前欧盟施行的标准是2010 年11 月发布的2010/78/EU指令（即工业排放-综合污染预防和控制），规定了2016 年1 月1 日后投入商业使用的燃气轮机组NOX排放限值为50 mg/m3［6］。2008 年1 月，欧盟发布了综合污染防治指令，针对该指令欧盟出台了一些行业的最佳可行技术（BAT）参考文件（BREE），规定了新建燃气轮机组NOx 排放限值为10 mg/m3～50 mg/m3［7］。

美国施行的《新污染源排放标准》（NSPS）规定了燃气轮机组NOx 排放限值为30 mg/m3［8］，并在此基础上要求使用最佳可行控制技术（BACT）或最低可得排放速率（LAER）进一步降低NOx 排放。以加州为例，1999 年加州空气资源理事会（ABR）通过了《电厂选址和最佳可行控制技术指导》，规定简单循环、联合循环燃气轮机组NOX的排放限值分别为5 mg/m3、10mg/m3［9］。

日本于2012 年4 月对《大气污染防治法》作出了修改，要求燃气轮机一般地区和重点地区NOX排放浓度低于143.8 mg/m3［10］。

3.3 国内外标准限值对比分析

国内外的燃气轮机组大气污染物排放标准对比如表3 所示，可以看出，中国国标中NOX排放限值与国外的国标相当，但与国际领先标准（美国BACT 或LAER）仍有一定差距。国内地方标准以江苏省最为严格，其仅次于美国BACT 或LAER 标准，与国内外其他标准相比，具有一定的先进性。

表3 国内外燃气轮机组大气污染物排放标准对比［11］ 单位：mg／m3

4 结论

随着燃气发电装机容量的不断增长，预计2025 年燃机NOX排放总量将达到168 万t，其对环境的影响不容忽视。尽管当前我国国标NOX排放限值与国外标准基本相当，但对我国的燃气轮机组来说，国标排放限值过于宽松，目前大部分燃气轮机排放浓度都低于国标排放限值，不需要加装脱硝设施。显然，目前的国标与燃气轮机发展现状和形势不匹配，也不符合我国绿色低碳循环经济发展战略。通过对燃机脱硝技术的调研和实例分析，表明燃机NOX控制技术已经相当成熟。因此，建议在充分调研和技术论证的基础上，适时修订国家标准中对燃机NOX排放限值，以适应中国环保形势的发展。