基于燃烧理论的大气污染物排放浓度折算方法研究

2023-12-28江文豪张学超杨智勇夏文静

电力科技与环保 2023年6期

江文豪，张学超，杨智勇，王雷，夏文静

（中冶华天工程技术有限公司，江苏南京 210019）

1 引言

环保部门在进行大气污染物排放控制时，一般将折算后的排放浓度作为排放是否达标的依据，这样做的好处在于，一方面，各台设备的运行条件存在差异，只有将排放浓度折算至规定的同一基准条件下，才能满足不同工况数据的可比性；另一方面，这样处理可以避免由于过量空气系数增大、尾部烟道漏风加剧或人为稀释等原因造成污染物排放浓度较低，但是总排放量却高居不下的现象。

当前各项大气污染物排放标准中，涉及的污染物浓度折算方法有多种，且每种方法在不同标准规范中均有应用［1-45］。另外，即使是同一个标准，也可能会出现折算方法随版本升级而变更的情况。例如，GB 13223-2003《火电厂大气污染物排放标准》中采用的是过量空气系数折算法［1］，而在GB 13223-2011 采用的是烟气含氧量折算法［2］。GB 13271《锅炉大气污染物排放标准》等其他一些规范亦是如此。目前，关于大气污染物排放浓度方面的研究主要聚焦于预测方法、时空分布特征等方面［46-51］，与排放浓度折算方法相关的研究则鲜见报道。而这些折算方法如使用不合理，很可能会导致结果失真。因此，对各种排放浓度折算方法的折算逻辑和适用条件进行梳理，分析各折算方法的区别特征，对于本领域从业人员来说是十分必要的工作。基于此，本文从大气污染物排放浓度的折算机理出发，对各种折算方法的由来及其适用条件进行研究，以期为大气污染物排放浓度折算方法的合理选取提供参考。

2 研究方法

2.1 折算方法介绍

经统计，现行44项大气污染物排放标准中［2-45］，用到的大气污染物排放浓度折算方法包括过量空气系数折算法、烟气含氧量折算法、排气量折算法，其中烟气含氧量折算法应用最多（占比22/44），过量空气系数折算法次之（占比7/44），基准排气量折算法最少（占比6/44）。此外，目前还存在部分行业，其大气污染物排放浓度暂不进行折算（占比9/44），直接以实测排放浓度作为排放是否达标的依据。另有一种适用于铸造冲天炉的掺风系数折算法，该方法与过量空气系数折算法相近，鉴于铸造冲天炉属于已逐渐被淘汰的落后产品，故本文不对该方法展开分析。

上述三种常用折算方法具体如下：

1）过量空气系数折算法即通过基准过量空气系数与实测过量空气系数对排放浓度进行折算，具体公式如下：

式中：ρ为折算后的大气污染物排放浓度，mg/m3；ρ'为实测的大气污染物排放浓度，mg/m3；α'为实测的过量空气系数；α为规定的过量空气系数。

2）烟气含氧量折算法即通过基准烟气含氧量与实测烟气含氧量对排放浓度进行折算，具体公式如下：

式中：φ(O2)为基准含氧量，%；φ'(O2)为实测的含氧量，%。

3）排气量折算法即通过基准排气量与实测排气量对排放浓度进行折算，具体公式如下：

式中：Q总为实测排气总量，m3；Yi为第i种产品产量，t；Qi基为第i种产品的单位产品基准排气量，m3/t。

2.2 折算方法推导

2.2.1 大气污染物排放浓度折算原理

现行排放标准中，大气污染物排放浓度均以标准状态下的干气体（干烟气）为基准，可通过式（4）进行求解：

式中：ρ为大气污染物排放浓度，mg/m3；G为污染物排放量，mg/s；V为干基气体（烟气）排放量，m3/s。

为了更加科学地评价和判断大气污染物排放状况，避免由于人为稀释等原因造成的排放达标假象，有必要将实测排放浓度折算至基准条件下的排放浓度，并以此作为排放是否达标的最终依据。

为简化实测工况至基准工况的燃烧污染物折算过程，一般对设备运行状况做如下假设：

1）折算前后，炉内燃烧状况（包括污染物生成量、燃料燃尽率等）不变；

2）折算前后，尾部烟气净化系统的处理效率（包括除尘器的除尘效率、脱硫系统的脱硫效率、脱硝装置的脱硝效率）不变。

由此，燃烧污染物排放浓度的折算公式可演变为：

式中：V'gy为实测工况下单位燃料燃烧生成的干烟气量，单位为m3/kg（固体或液体燃料）或m3/m3（气体燃料）；Vgy为基准条件下单位燃料燃烧生成的干烟气量，单位为m3/kg（固体或液体燃料）或m3/m3（气体燃料）；B为燃料量，单位为kg/s（固体或液体燃料）或m3/s（气体燃料）。

由式（5）可见，污染物排放浓度可通过单位燃料燃烧生成的干烟气量进行折算。由于单位燃料燃烧生成的干烟气量可通过燃料成分和烟气成分计算得到，因此，采用该方法可有效解决大型燃烧设备（如电站锅炉等）尾部烟气流量难以准确测量的困难。而过量空气系数法和烟气含氧量法也正是基于式（5）演变得到的，下文将展开分析。

2.2.2 过量空气系数折算法推导

过量空气系数折算法推导过程如下：

单位燃料燃烧生成的干烟气量一般根据式（6）计算得到：

式中：w(Car)、w(Har)、w(Oar)、w(Nar)、w(Sar)分别为燃料收到基中元素碳、氢、氧、氮、硫的质量分数，%。若有条件，应采用实际燃烧掉的碳元素质量分数。

式中：φ0(CO)、φ0(H2)、φ0(CmHn)、φ0(H2S)、φ0(O2)分别为气体燃料中CO、H2、CmHn、H2S、O2的体积分数（添加下标“0”是为了将原始煤气与尾部烟气中的气体成分进行区分），%。

对式（6）进行变换可得：

式中：χ为只与燃料成分相关的无量纲变量，本文将其定义为燃料成分因数。对于大多数常见燃料，理论干烟气量和理论干空气量比较接近，若忽略二者差值，则燃料特性因数χ=0，于是式（11）可简化为：

式（13）变形即可得到式（1）所示的基于过量空气系数的大气污染物排放浓度折算公式。

2.2.3 烟气含氧量折算法推导

烟气含氧量折算法推导过程如下：

燃料燃烧计算过程中，单位燃料对应的过量空气量ΔVgk可根据烟气成分和烟气量，按下式求解得到：

式中：ΔVgk为单位燃料对应的过量空气量，单位为m3/kg（固体或液体燃料）或m3/m3（气体燃料）；φ(O2)、φ(CO)、φ(H2)、φ(CH4)分别为干烟气中O2、CO、H2、CH4的体积分数，%；。

若烟气中CO 等可燃气体的残余量较少，可忽略不计，则式（14）可简化为：

将式（11）代入式（15）可得：

上式整理后可得过量空气系数计算式：

式（17）为适用于所有燃料的过量空气系数通用计算公式。

干烟气量计算公式（6）可演变为：

式（15）变形即可得到式（2）所示的基于烟气含氧量的大气污染物排放浓度折算公式。

2.2.4 排气量折算法推导

排气量折算法的推导非常简单：假定污染物生成量不变，则污染物排放浓度与排气量成反比，由此可得式（3）所示的折算公式。

3 结果与讨论

3.1 各折算方法适用性分析

3.1.1 过量空气系数折算法适用性分析

由2.2.2 节分析可知，基于过量空气系数的大气污染物排放浓度折算方法是建立在燃料成分因数χ可近似取值为0（即理论干空气量和理论干烟气量近似相等）的基础上的，理论干空气量和理论干烟气量的差值越小则折算结果越精确。

为此，本文以燃煤、生物质、垃圾、燃油、燃气等常见燃料为例，结合燃料成分数据［52～55］，分别计算其理论干空气量、理论干烟气量和燃料成分因数，结果汇总于表1～5。

表1 典型燃煤的燃料成分因数计算结果Tab.1 The calculation results of fuel composition factor for typical coal

表3 典型垃圾的燃料成分因数计算结果Tab.3 The calculation results of fuel composition factor for typical solid waste

表4 典型燃油的燃料成分因数计算结果Tab.4 The calculation results of fuel composition factor for typical oil

表5 典型燃气的燃料成分因数计算结果Tab.5 The calculation results of fuel composition factor for typical gas

由表1～表5可见：

1）对于燃煤、生物质、垃圾等常见固体燃料，燃烧理论干空气量和理论干烟气量非常接近，燃料成分因数χ处于-0.04～0 范围内，平均值仅为-0.019，按式（12）简化计算烟气量的相对误差约为0～2%，因此，对于这些固体燃料，通过过量空气系数来折算大气污染物排放浓度是可行的，计算精度较高。

2）对于常见燃油，燃烧理论干空气量和理论干烟气量的差值要稍高于燃煤和生物质燃料，燃料成分因数χ处于-0.07～-0.06 范围内，平均值约为-0.061，按式（12）简化计算烟气量的相对误差约为4%～6%，因此，对于液体燃料油，通过过量空气系数来折算大气污染物排放浓度的误差略大，不宜采用。

3）对于常见气体燃料，燃烧理论干空气量和理论干烟气量的差值分化明显，不同燃气的燃料成分因数χ差别较大，其中矿井气的χ仅为-0.01左右；沼气、油田伴生气、天然气、焦炉煤气的χ稍高，约为-0.06～0.11；而发生炉煤气、转炉煤气、高炉煤气的χ则大幅升高，分别为0.47、0.48、1.35，按式（12）简化计算烟气量的相对误差可达40%～120%，误差非常大。因此，对于大部分燃气，尤其是发生炉煤气、转炉煤气、高炉煤气，不能通过过量空气系数来折算大气污染物排放浓度，否则会导致结果严重失真。

3.1.2 烟气含氧量折算法适用性分析

由2.2.3 节内容可知，烟气含氧量折算法主要是建立在烟气中CO 等可燃气体残余量可忽略不计的基础上，根据干烟气量与过量空气系数、过量空气量之间的关系，通过严密推导得到的。整个推导过程未进行除可燃气体外的其他条件假定，也未涉及燃料特性简化。因此，烟气含氧量折算法是通用公式，可适用于所有燃料。换而言之，无论燃烧哪种燃料，只要燃烧设备运行合理，使得烟气中可燃气体成分较少，则该折算方法即是可靠的。

对于烟气中的可燃气体含量（一般以CO为主），其允许限值或者由其造成的折算误差与烟气含氧量的大小密切相关。同样的可燃气体含量下，烟气含氧量越高，对应的折算误差越大。总的来说，无论哪种燃烧设备，尾部烟气中的未燃尽气体含量只要低于0.1%（1 000 ppm），均能保证较高的折算精度。

为此，一些排放标准，如GB 13223《火电厂大气污染物排放标准》和GB 13271《锅炉大气污染物排放标准》等，在版本更新时将原折算方法（过量空气系数折算法）变更为烟气含氧量折算法，也是比较合理的。

需要说明的是，工程上普遍采用式（20）所示的简化计算公式来求解过量空气系数：

将式（20）带入式（1），也能得到式（2）所示的基于烟气含氧量的折算公式，结果虽然一致，但是其内在逻辑是不尽合理的。

3.1.3 排气量折算法适用性分析

与过量空气系数和烟气含氧量折算法的全工况覆盖有所不同，排气量折算法主要用于单位产品实际排气量高于基准排气量的情况（实际排气量低于基准排气量时不执行），此时，按式（3）将实测大气污染物浓度折算为大气污染物基准排气量排放浓度，并以大气污染物基准排气量排放浓度作为判定排放是否达标的依据。

进行上述换算时，排气总量一般按一个工作日内的产品消耗量和排气量进行统计。当单位产品实际排气量低于基准排气量时，不用进行折算。

此外，在企业生产设施同时生产两种以上产品、可适用不同排放控制要求或不同行业国家污染物排放标准，且生产设施产生的废气混合处理排放的情况下，也要通过排气量进行排放浓度折算。此时，应执行排放标准中规定的最严格的浓度限值，并按式（3）折算成大气污染物基准排气量排放浓度。

目前，排气量折算法主要用于硝酸、硫酸、橡胶、稀土等工业领域，大气污染物多为原生有害气体而非燃烧所产生的烟气，故直接通过排气量进行折算。该方法对于排气筒（或排气管道）的形状规则度和直段长度均有较高要求，否则很难保证结果的真实度和可靠性。

3.2 各折算方法的比较

结合前述分析，将几种污染物排放浓度折算方法进行比较，结果汇总于表6。

表6 几种折算方法对比Tab.6 Comparison of several conversion methods

3.3 关于污染物排放浓度折算基准值

3.3.1 排放标准中基准值的制定

由于各生产设施的运行条件存在一定差异，因此对于不同设备，其大气污染物排放浓度折算参数的基准值（包括基准氧含量、基准过量空气系数或基准排气量等）也不尽相同，具体应结合设备自身特点分别制定。

当前，各标准中规定的基准值均是根据该类设备的燃烧工艺和当前技术现况，通过实际生产调研数据综合分析得到的较优结果。

3.3.2 折算过程中基准值的选取

对于大多数生产设施，其大气污染物排放浓度折算参数的基准值直接按照相关规范上的要求取值即可。但是，对于一些特殊设备，如多种燃料混合燃烧的设备，其污染物排放浓度折算参数的基准值则应根据设备具体特征进行取值。

以钢厂自备电站煤粉与高炉煤气混烧锅炉为例，其基准氧含量的取值宜结合锅炉炉型加以区分：煤粉与高炉煤气混烧锅炉分为两种类型，一种是基于煤粉锅炉结构下掺烧少量煤气的炉型，另一种是基于煤气锅炉结构下掺烧少量煤粉的炉型，以前者居多。由于现行标准只规定了单一燃料锅炉的基准氧含量，并未对混合燃料锅炉作单独规定，故煤粉与高炉煤气混烧锅炉只能按燃煤锅炉或燃气锅炉归类。对于第一种混烧锅炉，其基准氧含量应按照煤粉锅炉取值；对于第二类混烧锅炉，其基准氧含量按照煤气锅炉取值更为合理。

此外，按照锅炉容量大小划分，单台出力65 t/h以上的混烧锅炉应执行标准GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》［2］，单台出力65 t/h 及以下的混烧锅炉则执行标准GB 13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》［5］，而GB 13223 和GB 13271 中对于基准含氧量的规定也有一定差异。

综合上述因素，钢厂自备电站煤粉与高炉煤气混烧锅炉基准含氧量建议参考表7进行取值。