大气污染源排放浓度折算公式推导及应用注意事项

摘 要：在一定浓度下，含氧量和基准含氧量的组合可以产生较大的折算变化幅度。目前，公开的资料没有此计算公式的推导，本文基于稀释定理推导折算公式，同时也可以推断折算出的数值均为稀释前浓度值，并不会因为实际过量空气引入的不同而放大这个数值，从而产生数值失真。在实际应用中，根据不同的行业和场景，折算公式的应用需要遵从一定的规则限制。

关键词：基准含氧量；浓度折算；公式推导

中图分类号：X 823 文献标志码：A

我国的大气污染物排放控制标准要求对燃烧过程产生的烟尘和烟气污染物进行浓度折算，以折算浓度进行排放浓度达标评价，计算公式以浓度值和含氧量值完成计算。

1 基准含氧量的历史

浓度折算的做法早在20世纪90年代已经执行，当时标准中使用空气过剩系数的方式，空气过剩系数和基准含氧量互为换算关系，为了简化计算和精准反应燃烧过程指标，使用含氧量更方便。从2014年开始，生态环境部出台相关标准开始使用基准含氧量。基准氧浓度通常指燃料恰好充分燃烧时烟气中含有的过剩氧浓度[1]。2014年发布的《锅炉大气污染物排放标准》（GB 13271—2014）首次引入基准含氧进行浓度折算，但这个专用名词在此标准中并未给出其定义。直到2018年发布的《国家大气污染物排放标准制订技术导则》（HJ 945.1—2018）“术语和定义部分”中首次正式对这一名词进行定义，基准氧含量是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。

2 折算公式的计算表现

目前，全部执行的大气污染物控制标准中基于基准含氧量进行浓度折算的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中： C0为折算成基准含氧量时的颗粒物或气态污染物排放浓度，mg/m3；Cx为标准状态干烟气状态下颗粒物或气态污染物实测浓度，mg/m3；Xo2 为在测点实测的干基含氧量，%； o2为有关排放标准中规定的基准含氧量，%。

按此计算，可以推断当实测含氧量Xo2大于基准含氧量o2时，折算得到的浓度将大于实测浓度。为考察折算的变化影响程度，根据公式（1）可以进一步得到折算浓度相对实测浓度的变化幅度，如公式（2）所示。

（2）

式中：dc%为折算浓度相对实测浓度的变化幅度，%。

图1为折算浓度相对实测浓度表化幅度随实测含氧量变化曲线图，由图1可知，浓度变化幅度随实测含氧量增大而增大，基准含氧量越小变化越显著；根据基准含氧量的不同，当实测含氧量达到12%～16%时，浓度表化幅度开始超过1倍，即此时折算浓度为实测浓度的2倍。

表1进一步列出了当基准含氧量不同、实测含氧量大于基准含氧量一定值（按照二者差值）时，折算处理浓度的变化幅度，由表1可知，针对不同基准含氧量值，如果实测含氧量和基准含氧量差值为1%，那么变化幅度最小为5%；如果实测含氧量和基准含氧量差值为4%，那么变化幅度最小为26%。当基准含氧量为9%，实测含氧量和基准含氧量差值为7%，那么变化幅度达到140%。由此可见，当在含氧量数值超出基准含氧量后，浓度的变化幅度很明显。

表1中的数值可以作为折算时的速算系数，当基准含氧量为3%、实测含氧量对基准含氧量的差值为3%（即实测含氧量为6%）时，折算结果相对实测浓度值的增大幅度为0.2（即20%）；同样的基准含氧量，当实测含氧量对基准含氧量差值为4%（即实测含氧量为7%）时，折算结果相对实测浓度值的增大幅度为0.28（即28%）。

3 基于稀释定理的公式推导

3.1 计算公式推导

鉴于折算前后浓度变化较大，实际应用中也遇到折算前不超标而折算后超标的案例。笔者也一度质疑这个公式的正确性和公正性。目前发行的标准没有给出这个公式的介绍，通过查询公开出版的技术资料或者教科书也不能找到这个计算公式的推导来历，大多数讨论的为含氧量值测量方面的问题[1-3]。由此可见对此公式进行分析推导具有重要意义。

一般认为，计算折算浓度的目的是为了消除在燃烧过程中过量引入空气引起的浓度变化，也就是说折算浓度是从稀释后的浓度来推算稀释前的浓度。引入过量空气为纯物理过程，该过程遵从稀释定理，其中氧气为溶质，假定温度、气压不变，根据稀释定理稀释前后氧气总体积为恒等。从这个逻辑出发，可以尝试基于稀释定理来推导稀释前后的浓度关系。下面推导当燃烧过程引入过量的空气后污染物浓度稀释后的浓度。

燃料在燃烧器中充分燃烧，此时燃烧后废气中的含氧量等于基准含氧量。在此基础下引入过量空气，设废气本底流量（即未引入过量空气前）为Q0，本底污染物浓度为C0，本底含氧量为O2等于基准含氧量，引入过量空气占废气体积比例为Pi，引入空气的含氧量为21%（在计算式中为0.21），那么可以根据稀释定理对经过混合稀释后的污染物浓度和含氧量进行计算。

根据稀释定理，稀释前后溶质的质量不变，在这个稀释过程中，氧气和污染物为溶质。对氧气来说，质量可以用体积来换算，由此，可以建立稀释前后含氧量体积的等式，即稀释前废气中含氧量和引入空气中含氧量之和等于稀释后废气中的含氧量，如公式（3）所示。污染物如公式（4）所示。

Q0·O2+0.21·Pi·Q0=Xo2·（1+Pi）·Q0 （3）

Q0·C0=Cx·（1+Pi）·Q0 （4）

分别对公式（3）、公式（4）进行变换，即可得到稀释后的含氧量和污染物浓度，如公式（5）、公式（6）所示。

（5）

（6）

将公式（6）转换就得到将稀释后的浓度（即测定浓度或实测浓度）转换为稀释前的浓度公式，如公式（7）所示。

c0=（1+pi）*cx " " " " "（7）

式中： Xo2为稀释后含氧量，含义等同于公式（1）中Xo2值，%；cx为稀释后污染物浓度，mg/m3。

公式（7）就是基于稀释定理推导的污染物测定浓度的折算计算公式，可以认定这个计算结果是准确的。为了检查当前标准中使用的计算公式（公式（1））结果是否存在偏差，可以把公式（7）与公式（1）的结果进行比较。当使用公式（1）计算时，实测含氧量Xo2使用公式（5）的结果代入计算。为比较方便，定义折算系数为折算浓度和实测浓度的比值，对于公式（1）和公式（7）可以得到折算系数分别为k1 = 以及 k2 =（1+pi），定义折算系数比值为折算后和折算前浓度值的比值。

表2取基准含氧量分别为16%、10%、6%以及3%，稀释空气占比为0.05～0.2（中间按照增加步长为0.05）的计算共计16种组合，计算结果显示折算系数比值均为1。这些有限的计算案例一定程度揭示了按照基准含氧量计算的结果原理上与稀释定理推导计算一致。笔者最初是想通过两种计算评估存在的差别，以评判折算计算公式的误差，但表2表现提示有必要探求2种计算公式的内部关联系。为了从定量计算公式角度判定二者关系，利用数学代数式代入，即把公式（5）代入公式（1），经过变换，确认了公式（1）的最终变换结果为c0=（1+pi）·cx，这与公式（7）的计算公式一致。证明基于基准含氧量的浓度折算公式就是根据稀释定理推导出来的，折算浓度准确指示了在稀释前废气中污染物的浓度。上述的推导逻辑是通过已知稀释空气占比来求出稀释后的含氧量，为了推导公式（1），将上述逻辑反过来，应用稀释定理，通过稀释后的含氧量来求出稀释空气占比值，然后利用该值再次应用稀释定理得到稀释前的浓度计算式。

3.2 计算公式探讨

折算浓度还原了在足量空气补给燃烧的工艺条件下废气污染物的排放浓度。从折算浓度本质可以得出以下3条结论。1）折算浓度的应用是针对燃烧工艺的，前提是出现过量气体引入导致的污染物浓度稀释场景，另外场景所采用稀释气体为空气而不是纯氧气。2）无论空气的过量幅度多大，折算出的数值均为稀释前浓度，并不会因为实际过量空气引入的不同而放大这个数值，从而产生数值失真。在现实应用中，一方面采取过量空气稀释试图来降低折算浓度的做法是徒劳的；另一方面，理论上厂家无须担心过量空气会导致算出的浓度放大“失真”而产生不公正的评价结果。当然，从前面基于稀释定理的推导可知，监测点的实际值能否代表充分混合稀释效应会影响上述计算公式中cx的表现，从而影响折算值，现实中可能会导致出现“失真”。从这个角度，为了保证折算结果的完全公正，实际工艺过程在保证充分燃烧的前提下尽量不要过度稀释。3）根据公式计算原理，基准含氧量标准值是计算的关键因素，决定了一定现场条件下折算结果的大小，因此各个发布的污染物排放标准中设置基准含氧量是一个关键而复杂的步骤，需要根据具体燃烧工艺原理和行业水平制定此值。随着燃烧物质组成燃烧器及工艺水平的不断发展和应用普及，不断修正这一设置值的是可能的。

4 折算浓度使用注意事项

4.1 排放放速率计算不使用折算浓度

在实际工作中，往往需要计算排放速率，排放速率通过烟气流量和烟气中污染物浓度得到。实际工作中的烟气流量监测值为监测点的实测流量，即引入稀释空气后的实际流量值，因此，计算排放速率就需要使用稀释后的烟气浓度（即实测浓度）。在《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测技术规范》（HJ 75-2017）中规定的排放速率的计算公式中，用于计算排放速率的排放浓度为实测浓度[4]。

4.2 无燃料燃烧的焙烧炉废气无需进行浓度折算

浓度折算的本质是消除引入过量空气导致的浓度稀释效应，其适用需要同时具备2个条件：1）有燃烧过程。2）有过量的空气引入。有些工业炉窑中的发生反应是分解反应，并没有氧气的参与，这样的反应废气是无需进行浓度折算的（生态环境部部长信箱对这一问题的答复[5]）。

4.3 不断适应行业燃烧技术发展放调整折算要求

纯氧助燃工艺可从源头显著降低氮氧化物的产生量，氮氧化物控制效果与末端高效脱硝技术相当。但纯氧助燃后烟气含氧量较高，因此《玻璃工业大气污染物排放标准》中对纯氧燃烧玻璃熔窑不执行按照基准含氧量折算，而是以按基准排气量进行折算。2021年1月1日实施的《无机化学工业污染物排放标准》（GB 31573—2015）修改单规定对纯氧助燃工艺也做出同样调整[6]。

4.4 基准含氧量设置值调整

根据燃烧技术的发展，2021年1月1日实施的《砖瓦工业大气污染物排放标准》（GB 29620—2013）修改单中，直接引入了按照基准含氧量进行折算，同时设置基准含氧量数值为18%（修改前为相当于基准含氧量8.6%）[6]。

5 应用折算浓度计算的调整动态

2019年7月实施的 《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822—2019）中，明确了不必要折算的情形，例如在 10.3.3 节规定“进入VOCs 燃烧（焚烧、氧化）装置中废气含氧量可满足自身燃烧、氧化反应需要，不需另外补充空气的（燃烧器需要补充空气助燃的除外），以实测质量浓度作为达标判定依据，但装置出口烟气含氧量不得高于装置进口废气含氧量”。参照这一调整思路，刘忠生等[2]建议在对《合成树脂工业污染物排放标准》（GB31570）等3项标准修订时，对焚烧法、非焚烧法要求一致，即只要没有人为稀释就不必按基准氧浓度进行折算，目前生态环境部已经就此在2023年8月发布的征询意见中采纳此调整[7]。

6 结语

基准含氧量的折算计算公式是基于稀释定理推导的，其计算的数值为充分燃烧后污染物的初始浓度，如果存在引用过量空气稀释，那么计算过程还原出稀释前的污染物浓度值，这个数值不会因为引入过量空气幅度的不同而出现数值“失真”。实际应用需要注意不同行业、不同场景的不适用情景，避免应用错误。

参考文献

[1]李强生，赵春竹，刘坤.热工测试中空气过剩系数计算方法的比较[J].冶金能源，2012，31（5）：57-59.

[2]刘忠生，王乐，王宽岭，等.炼化VOCs控制标准中氧浓度折算问题分析和建议[J].当代石油石化，2019，27（1）：47-51.

[3]江文豪，张学超，杨智勇，等.基于燃烧理论的大气污染物排放浓度折算方法研究[J].电力科技与环保，2023，39（6）：533-542.

[4]环境保护部科技标准司.固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）排放连续监测技术规范：HJ 75-2017[S].北京：中国环境科学出版社，2018：32-33.

[5]部长信箱来信选登.关于无机化学标准中炉窑氧含量折算问题的回复[EB/OL].（2021-09-13）[2024-7-19].https：//www.mee.gov.cn/hdjl/hfhz/202109/t20210913_936691.shtml.

[6]大气固定源环境管理.《铸造工业大气污染物排放标准》等7项标准或修改单解读[EB/OL].（2020-12-29）[2024-7-19]. https：//www.mee.gov.cn/ywgz/dqhjbh/dqgdyhjgl/202012/t20201229_815152.shtml.

[7]生态环境部办公厅.关于公开征求《石油炼制工业污染物排放标准》等3项国家标准修改单（征求意见稿）意见的通知[EB/OL].（2023-8-2）[2024-7-19].https：//www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk06/202308/t20230802_1037925.html.