根據(jù)電力“十三五”規(guī)劃，預計到2020年，國內氣電裝機將達到110GW，東部沿海發(fā)達地區(qū)燃機比重更高[2]。以江蘇省為例，到2020年，江蘇省燃機裝機容量將接近20 GW，約占江蘇省火電裝機容量的20%。因此，為持續(xù)改善環(huán)境質量，有必要提出更嚴格的固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準。本文通過對NOx、SO2、顆粒物等常規(guī)大氣污染物的來源、標準現(xiàn)狀、排放現(xiàn)狀、監(jiān)測方法等方面進行分析，根據(jù)江蘇省固定式燃氣輪機改造的技術可行性、標準先進性與可實施性、經濟環(huán)境效益，提出江蘇省固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準限值，為今后我國及其他地區(qū)的固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準的制定提供參考；而以高爐、焦爐煤氣以及其他煤制氣等為燃料的固定式燃氣輪機實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，應該加以鼓勵，建議此類機組仍然采用我國標準。
1 國內外燃氣輪機排放標準現(xiàn)狀
1.1 歐盟
現(xiàn)行的歐盟標準是歐洲議會和理事會于2010年11月發(fā)布的2010/75/EU指令（即工業(yè)排放—綜合污染預防和控制），其中規(guī)定，2016年1月1日之后投入使用的燃氣輪機NOx排放限值執(zhí)行50 mg/m3，但顆粒物及SO2無排放控制要求[3]。
2006年首次發(fā)布了《關于大型燃燒設備的較佳可用技術（BAT）參考文件（BREF）》。2017年7月，歐洲綜合污染防治局（EIPPCB）進行了修訂，要求企業(yè)優(yōu)先達到文件規(guī)定的排放限值，以此作為發(fā)放排污許可證的依據(jù)。其中，NOx排放水平可達到10~50 mg/m3，但未對顆粒物與SO2排放提出要求。
1.2 美國
美國對固定式燃氣輪機的排放標準要求較高，其污染物排放先進需滿足新源性能標準（new source performance standard，NSPS）。聯(lián)邦法規(guī)第60部分（40 CFR Part 60，2012年修訂）中規(guī)定：大于250 MW的固定式燃氣輪機機組NOx排放體積濃度應低于1.5×10–5（質量濃度約為30 mg/m3）[5]。為獲得相關運營執(zhí)照，在此基礎上還需采用較佳可行控制技術（BACT）或較低可得排放速率（LAER）進一步降低NOx排放。以加州地區(qū)為例，聯(lián)合循環(huán)和簡單循環(huán)固定式燃氣輪機采用低氮燃燒+SCR的技術路線后，NOx排放水平分別可達2.5×10–6、5 ×10-6（即約5、10 mg/m3）水平。對美國102臺燃機的數(shù)據(jù)進行分析，其中有71臺燃機執(zhí)行2.5×10–6（即約5 mg/m3）及以下的排放標準。
1.3 日本
日本2012年4月對《大氣污染防治法》進行了修訂，要求燃氣輪機一般地區(qū)和重點地區(qū)的煙塵排放質量濃度分別達到50、40 mg/m3，NOx排放體積濃度低于7.0×10–5（即質量濃度約為143.8 mg/m3）[7]。該標準中未對燃料進行說明與區(qū)分。但是根據(jù)《大氣污染防治法》第4條第1項的規(guī)定，部分地區(qū)可以提高排放標準。以東京為例（2019年3月4日更新），燃氣輪機發(fā)電額定輸出功率＞50 MW時，NOx排放限值執(zhí)行1.0×10–5（約20 mg/m3）。
1.4 國內
（1）我國標準。GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規(guī)定了燃氣輪機組大氣污染物排放標準限值，但沒有單獨分類，與“以氣體為燃料的發(fā)電鍋爐”合并在一起，籠統(tǒng)地執(zhí)行燃氣發(fā)電鍋爐的排放限值，因此規(guī)定NOx、SO2、顆粒物的排放限值分別為50、35、5 mg/m3。
（2）北京。北京市DB 11/847—2011《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》中規(guī)定，固定式燃氣輪機顆粒物、SO2及NOx的排放限值分別為5、20和30 mg/m3。
（3）天津。天津市DB 12/810—2018《火電廠大氣污染物排放標準》中規(guī)定，現(xiàn)有、新建燃氣輪機組NOx的排放限值均為30 mg/m3，未對顆粒物、SO2排放濃度進行限定。
（4）深圳。2018年4月深圳出臺了《2018年“深圳藍”可持續(xù)行動計劃》（簡稱《計劃》），要求燃氣電廠2018年11月前通過改造達到《計劃》要求。《深圳市大氣環(huán)境質量提升補貼辦法（2018—2020年）》（深人環(huán)〔2018〕581號文）中明確提出NOx排放質量濃度不高于15 mg/m3。
1.5 國內外標準限值及監(jiān)測要求對比分析
（1）標準限值。國內外及地方標準對比分析如表1所示。從表1中可以看出，國內國標中NOx排放限值與國外的國標相當，但是與國內外先進標準（如美國BACT或LEAR）仍有較大差距，國內以深圳地區(qū)要求較為嚴格。國外僅美國對SO2有排放限值要求，其他我國均未對顆粒物、SO2提出排放限值要求，國內天津市在新的排放標準中也取消了相關限值要求。
（2）監(jiān)測要求。國內HJ 820—2017《排污單位自行監(jiān)測技術指南—火力發(fā)電及鍋爐》以及《火電行業(yè)排污許可證申請與核發(fā)技術規(guī)范》中均規(guī)定：14 MW或20 t/h以上燃用天然氣的鍋爐或燃氣輪機只需自動監(jiān)測NOx，SO2、顆粒物不需要自動監(jiān)測，手工監(jiān)測頻次為按季度監(jiān)測；14 MW或20 t/h以下的天然氣鍋爐或燃氣輪機不要求設置自動監(jiān)測，手動監(jiān)測頻次NOx按月監(jiān)測，SO2、顆粒物等按年監(jiān)測?！侗本┦泄潭ㄎ廴驹醋詣颖O(jiān)控管理辦法》（京環(huán)發(fā)〔2018〕7號）規(guī)定，使用天然氣的固定式燃氣輪機的廢氣排放口可以暫不監(jiān)測SO2和顆粒物；《天津市固定污染源自動監(jiān)控管理辦法》（津環(huán)規(guī)范〔2019〕7號）規(guī)定，使用天然氣的電力企業(yè)發(fā)電機組的廢氣排放口可暫不監(jiān)測SO2和顆粒物。
歐盟在2010/75/EU指令中指出燃天然氣電廠不需要連續(xù)監(jiān)測SO2與顆粒物，但是至少每6個月監(jiān)測1次[4]，需要連續(xù)監(jiān)測NOx。在較佳可用技術參考文件中，則認為SO2和顆粒物排放質量濃度正常情況下分別在5 mg/m3、10 mg/m3以下且沒有任何相應治理設施，因此，燃氣電廠不需要對SO2和顆粒物進行連續(xù)監(jiān)測[5]。
美國新源性能標準中要求采用在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）監(jiān)測SO2、NOx，未提及顆粒物的監(jiān)測要求，但是要求CEMS測得的1 h平均SO2排放率必須采用ng/J（或以輸入熱量）表示，且SO2的濃度不得修正到15%O2[5]，即不根據(jù)氧量折算而采用實測濃度。
2 NOx排放限值的確定及依據(jù)
2.1 燃機NOx來源
燃燒過程中生成的NOx主要有燃料型、熱力型及快速型。天然氣燃料中氮元素可以忽略不計，因此，一般認為固定式燃氣輪機排放的NOx中，熱力型NOx占絕大部分，其次是快速型NOx。
熱力型NOx一般不會在火焰面上生成，而是在火焰下游的高溫區(qū)生成，與氧氣濃度、火焰溫度及在高溫區(qū)的停留時間成正比[9-11]。快速型NOx由空氣中的N2與燃料中的碳氫離子團（CH等）反應產生，因此，只有燃燒區(qū)處于較低空燃比時才會大量生成。影響NOx排放濃度的因素主要有燃機型號和低氮燃燒技術、機組啟動狀態(tài)（冷態(tài)、溫態(tài)或熱態(tài)）、機組負荷、燃燒模式（不同燃空比）、燃料成分與溫度、空氣溫濕度、制造安裝質量、設備老化、燃燒運行控制水平，此外CEMS會影響NOx測量的準確性。
2.2 國內外標準現(xiàn)狀
國內外標準中NOx的排放限值如表1所示，國外以美國BACT標準要求較嚴（可達5 mg/m3甚至更低）。目前國內以深圳市的標準較嚴格，體現(xiàn)在3個方面：（1）標準限值較低，15 mg/m3排放質量濃度比北京和天津的地方標準要更加嚴格；（2）標準是針對現(xiàn)役機組，且深圳8個燃機電廠中有7個是1997—2007年投運的，存在燃燒器老化和未預留SCR改造空間等問題；（3）改造時間短，要求約半年的時間內就完成改造。
2.3 NOx排放及改造現(xiàn)狀
（1）排放現(xiàn)狀。江蘇省大部分已經建成投運的固定式燃氣輪機未安裝SCR脫硝裝置。對已經投運電廠的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，E級和F級機組的NOx排放質量濃度可分別穩(wěn)定達到30和50 mg/m3以下[13]。
雖然國內燃機SCR改造早期照搬燃煤機組的設計方式導致運行效率普遍不高，但隨著脫硝精細化改造技術的推廣和應用，SCR的設計與運行水平等方面能力明顯提高。國內通過新型低氮燃燒器或SCR改造可以實現(xiàn)15 mg/m3甚至更低的排放指標。深圳燃機在2018年底NOx排放達到15 mg/m3的排放要求，其中9臺GE的PG9171E機型燃機由于改造時間短且未預留SCR空間，均采用DLN1.0+低氮燃燒器升級改造。北京燃機2017年前后SCR優(yōu)化改造后NOx排放質量濃度大多穩(wěn)定在15 mg/m3以下，甚至低于10 mg/m3。
國外固定式燃氣輪機通過低氮燃燒器改造、加裝SCR、控制天燃氣品質等多種方式，NOx基本可實現(xiàn)10 mg/m3甚至5 mg/m3的排放標準[4]。但國內天燃氣品質與穩(wěn)定性與美國有一定差距，因此，要穩(wěn)定實現(xiàn)5 mg/m3指標的難度較大。
（2）江蘇省燃機改造現(xiàn)狀。江蘇省2015年后新建和改建機組預留有SCR改造空間，燃燒器更為先進和高效，在NOx減排改造方面具有很好的條件。除早期建設的6臺E級機組未預留SCR位置且為立式余熱鍋爐，采用SCR改造難度很大，但可參考深圳燃機改造方式，即采用低氮燃燒器及輔助改造方式實現(xiàn)15 mg/m3的排放要求；其他電廠可參考深圳等地經驗，采用余熱鍋爐入口直噴氨方案等技術，實現(xiàn)15 mg/m3排放標準。
2.4 監(jiān)測方法與標準現(xiàn)狀
（1）手工監(jiān)測方法。現(xiàn)行NOx監(jiān)測方法有：GB 13223—2011與DB 11/847—2011采用HJ/T 42、HJ/T 43中的監(jiān)測方法；DB 12/810—2018采用HJ/T 42、HJ/T 43、HJ 692、HJ 693中的監(jiān)測方法。因此，現(xiàn)行標準中采用的監(jiān)測方法主要有HJ/T 42、HJ/T 43、HJ 692、HJ 693中的方法。
HJ/T 42《固定污染源排氣中NOx的測定—紫外分光光度法》規(guī)定的分析方法檢出限為10 mg/m3，定量測定的質量濃度范圍為34~730 mg/m3。
HJ/T 43《固定污染源排氣中NOx的測定—鹽酸萘乙二胺分光光度法》規(guī)定的分析方法定性檢出質量濃度為0.7 mg/m3，定量測定的質量濃度范圍為2.4~208 mg/m3。
HJ 692《固定污染源廢氣NOx的測定—非分散紅外吸收法》與HJ 693《固定污染源廢氣NOx的測定—定電位電解法》規(guī)定的分析方法的檢出限均為3 mg/m3，測定下限均為12 mg/m3。
因此，現(xiàn)行監(jiān)測方法中HJ/T 43、HJ 692、HJ 693適用于低濃度NOx手工監(jiān)測分析要求。
（2）在線監(jiān)測方法。HJ 75—2017《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范》中規(guī)定，當NOx質量濃度<41 mg/m3時，誤差不超過12 mg/m3。需要注意的是，目前燃氣電廠的NOx排放普遍未檢測NO2，部分電廠采用5%的折算。實際上煙氣中NO2的比例明顯要高于5%，因此，建議現(xiàn)有CEMS中NOx檢測儀器應具備NO、NO2的檢測器，或者需要更換改造。
2.5 排放限值的確定
排放限值的確定需要考慮到經濟性、可行性和環(huán)境效益等因素。
（1）技術可行性。從國內目前的投運業(yè)績看，實現(xiàn)10 mg/m3的排放標準是可行的。但是老型燃機或者重型燃機的出口NOx質量濃度峰值接近甚至超過50 mg/m3，實現(xiàn)10 mg/m3排放標準有一定難度，存在氨逃逸超標的風險。除立式未預留SCR空間的燃機，均可采用SCR技術實現(xiàn)15 mg/m3排放標準，但未預留空間的燃機改造成本更高、難度更大一些。因此，要求江蘇省所有燃機實現(xiàn)15 mg/m3的排放標準更加可行。
（2）經濟性與環(huán)境效益。采用SCR技術實現(xiàn)15 mg/m3或更寬松標準的投資成本差距并不明顯，前者運行費用略高，但噸減排費用前者效益更佳。據(jù)測算，400 MW級F級機組單位發(fā)電量成本增加約0.4 分/(kW·h)，200 MW級E級機組單位發(fā)電量成本增加0.37~0.52 分/(kW·h)，100 MW級及以下的F級機組單位發(fā)電量成本增加約0.5 分/(kW·h)，低于煤電超低排放改造的噸減排費用。改造后，NOx減排約1.67萬t，減排成本約為2萬元/t。
（3）監(jiān)測可行性。目前在線監(jiān)測與手工監(jiān)測的標準難以滿足對NOx質量濃度在10 mg/m3左右時的準確測量，過于嚴格的排放標準會存在數(shù)據(jù)失真和執(zhí)法風險。綜合考慮江蘇省燃機的實際情況、低氮燃燒器和SCR改造的技術現(xiàn)狀、江蘇省對重點大氣污染物減排的需要、環(huán)保改造的環(huán)境與經濟效益以及一定的前瞻性，建議現(xiàn)有和新建燃機NOx排放均執(zhí)行15 mg/m3的限值。
