何璞禎，吳尚平

(1 北京服裝學院材料設計與工程學院，北京 100029；2 大唐國際發(fā)電股份有限公司北京高井熱電廠，北京 100041)

近年來，以霧霾為主的復合型重污染天氣的頻繁出現(xiàn)使北京成為北方城市污染的典型代表。霧霾的構成主要是懸浮顆粒物，其中PM2.5粒徑小，能夠攜帶微生物，在大氣中長時間留存，對人體呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等產生損傷作用，給人體健康帶來巨大的危害和致病風險。同時，在PM2.5的成分中，有害化學物質含量較高，對人體造成的危害很大[1-2]。大量的PM2.5來自于人類活動，包括燃煤、機動車尾氣等排放的一次污染物及其在空氣中發(fā)生化學反應而生成的二次粒子。大氣環(huán)境污染問題越來越引起公眾空前的關注，相關的研究隨之展開[3-5]。目前全球電力很大程度上依靠燃煤提供，化石燃料的高比例使用是大氣污染的重要原因，有研究認為以燃煤為主的火力發(fā)電和工業(yè)鍋爐是導致污染的主要原因之一。有專家提出在大型企業(yè)中開展煤電近零排放或超低排放的技術研究和創(chuàng)新實踐，對清潔煤電和燃氣發(fā)電進行了對比分析，核心問題聚焦于煤電近零排放的環(huán)保性和經濟性[6]，同時燃氣電廠氮氧化物排放物是造成環(huán)境污染的主要物質之一，需要對其控制技術進行改造分析[7]。

燃煤鍋爐改造，是北京市治理PM2.5的重要舉措之一，削減燃煤，調高電力、天然氣等清潔能源的供應力度，推動燃氣熱電聯(lián)產替代燃煤熱電聯(lián)產等，目前，北京城區(qū)內全面關停燃煤電廠，城區(qū)的四家主力熱電廠(化電、國華、石景山和高井)都已改成了天然氣熱電聯(lián)產。文中所列NOx、SO2和煙塵等主要污染排放物數(shù)據(jù)均來自北京高井熱電廠，通過數(shù)據(jù)的對比分析，來說明燃氣熱電聯(lián)產的環(huán)保價值。

1 研究方法

由于環(huán)保意識的增強，全國范圍建立了嚴格的電廠排放標準，采用了有效的污染物控制技術，北京制定了更為嚴格的地方標準，表1是國家標準《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)和北京市地方標準《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》(DB11/847-2011)的具體限值，北京的燃氣電廠均需執(zhí)行此標準。

表1 大氣污染物最高允許排放濃度

本文所選取的數(shù)據(jù)時間跨度長，以供暖期與非供暖期來劃分，分別是2012年11月-2013年3月、2013年4月-10月，2017年11月-2018年3月和2018年3月-10月，對比以煤為燃料和以天然氣為燃料時電廠排放的NOx、SO2和煙塵三種主要污染物，同時相應對比同一時期內大氣中PM2.5含量，根據(jù)PM2.5空氣質量規(guī)定，PM2.5日均濃度(/立方米)劃分如下等級，0～50為優(yōu)，50～100為良，100～150為輕度污染，150～200為中度污染，200～300為重度污染，大于300及以上為嚴重污染，所列PM2.5數(shù)據(jù)來自中國氣象局網站。

2 結果與討論

2.1 PM2.5數(shù)據(jù)

圖1選取PM2.5數(shù)據(jù)為2012年11月-2013年3月燃煤供暖期和2017年11月-2018年3月燃氣供暖期的，按具體日期來分析，通過圖中空氣質量顯示，在2012年11月-2013年3月冬春供暖總天數(shù)151天期間，PM2.5濃度在中度污染以上天數(shù)為118天，占比達到78%，而在2017年11月-2018年3月冬春供暖季期間，中度污染以上天數(shù)僅為17天，占比降到11%。同時從圖1中看到，使用燃氣燃料后空氣中PM2.5的數(shù)值遠遠低于燃煤期。2012-2013年燃煤供暖期的PM2.5數(shù)據(jù)變化波動大，在2013年1月數(shù)據(jù)偏高，這可能與北方此時進入嚴寒期，路面上機動車源增多且由于氣溫低燃油不充分，導致空氣質量受影響明顯。而在燃氣供暖期，每個月的曲線波動不大，說明在天然氣供暖方式下，天然氣的有效利用率高，空氣質量受到的影響小。

圖1 2012-2013年和2017-2018年供暖期PM2.5數(shù)據(jù)圖

圖2選取PM2.5數(shù)據(jù)為2013年4月-10月燃煤非供暖期和2018年4月-10月燃氣非供暖期的，通過圖2中空氣質量顯示，在2013年夏秋非供暖期，PM2.5濃度在中度以上污染天數(shù)占比為56%，重度污染天數(shù)占比小，2018年非供暖期，中度以上污染天數(shù)占比僅為0.7%。在非供暖期，電廠由于剛經歷過高負荷的供暖期，部分設備需要停機檢修，所以設備沒有全負荷運轉，從圖中看到，在使用兩種燃料的情況下，每個月的曲線波動不大，說明在非供暖期，空氣質量受燃料的影響較小。

圖2 2013年和2018年非供暖期PM2.5數(shù)據(jù)圖

2.2 NOx、SO2和煙塵數(shù)據(jù)

無論是燃煤電廠還是燃氣電廠，NOx、SO2和煙塵都是主要考慮的污染排放物，燃料的差異以及燃煤電廠鍋爐與燃氣電廠燃氣輪機組的差異，使得污染物的具體排放情況有所差異。圖3所列數(shù)據(jù)為2012年11月-2013年3月和2017年11月-2018年3月供暖期、2013年4月-10月和2018年3月-10月非供暖期電廠燃煤與燃氣煙塵排放、SO2、氮氧化物排放濃度月平均值比較圖。

從供暖期電廠燃煤與燃氣的煙塵、SO2和NOx排放濃度比較圖中看出，11月和12月，燃煤排放的三種污染物濃度均超過國家標準的最高允許排放濃度，其中煙塵在11月排放月均值最大為110 mg/m3，NOx和SO2在12月月均排放濃度均達到最高值，分別為833 mg/m3和426 mg/m3。從1、2和3月份燃煤電廠的煙塵排放、SO2和NOx排放濃度明顯變低，均低于國家最高允許排放濃度。這是因為在11和12月份供暖開始，需要燃燒大量煤來提供暖氣，進入到1月份后，隨著春節(jié)臨近，外來務工人員大量返鄉(xiāng)，停產的工廠也增多，這樣使得供暖的需求減弱，燃燒煤的量也逐漸減少。從非供暖期電廠燃煤與燃氣的煙塵、SO2和NOx排放濃度比較中看出，三者的月均排放濃度均低于國家最高允許排放值。與燃煤機組相比，燃氣輪機組環(huán)保排放指標好，在不安裝除塵、脫硫裝置情況下，煙塵和二氧化硫排放基本可以忽略不計，燃煤電廠排放的二氧化硫主要是煤在燃燒過程中，所有可燃硫受熱從煤中析出氧化生成。燃氣電廠的二氧化硫是由天然氣中極其微量的硫化氫H2S與氧氣反應產生的，相對于燃煤電廠燃氣電廠的二氧化硫排放量幾乎為零。

圖3 2012-2013年和2017-2018年供暖與非供暖期煙塵、SO2和NOx數(shù)據(jù)圖

有專家指出[8]，大氣霧霾主要來自細顆粒物PM2.5，包括工業(yè)、建筑、交通等以及天然源等直接排放的一次細顆粒物和二次細顆粒物是由各種人為排放的污染氣體被大氣氧化劑(O3和OH等)氧化生成，包括二次有機顆粒物、硫酸鹽顆粒物、硝酸鹽顆粒物、銨鹽顆粒物等，大氣中的NOx和揮發(fā)性有機物VOC參與反應導致周圍大氣的氧化性顯著增強，形成了大量二次PM2.5，由此造成惡劣天氣，所以，NOx和揮發(fā)性有機物VOC只要控制其中一種，便可以阻止反應的發(fā)生，抵制大氣氧化性增強，遏制嚴重霧霾天氣的形成。從實際的空氣質量控制和霧霾天氣防治來說，最切實可行的措施便是控制各種排放源的NOx排放量。圖3表明，燃氣熱電聯(lián)產的氮氧化物濃度可控制在30 mg/m3以內，而且在燃氣電廠的供暖與非供暖期，NOx排放濃度數(shù)值接近，沒有大的波動。這是由于燃氣電廠主要燃料是天然氣，是在燃氣輪機的燃燒室里燃燒的，主要是空氣中的氮氣參與氮氧化物的形成。而燃煤電廠氮氧化物生成機理復雜，受到爐型、裝機容量、燃燒方式、煤種等多種因素影響。通過燃氣熱電聯(lián)產工程的實施，該電廠與同等發(fā)電能力且加裝脫硫脫硝裝置的燃煤機組相比，每年約可減少二氧化硫排放量1350噸、氮氧化物排放量2200噸、二氧化碳排放量195萬噸，煙塵排放幾乎為零。

3 結論與展望

3.1 結 論

(1)在2012年11月-2013年3月冬春供暖天期間，PM2.5濃度在中度污染以上天數(shù)為118天，占比達到78%，而在2017年11月-2018年3月冬春供暖季期間，中度污染以上天數(shù)僅為17天，占比降到11%。在2013年夏秋非供暖期，PM2.5濃度在中度以上污染天數(shù)占比為56%，重度污染天數(shù)占比小，2018年非供暖期，中度以上污染天數(shù)占比僅為0.7%。在非供暖期，燃煤或燃氣情況下每個月的PM2.5曲線波動不大，說明在非供暖期，空氣質量受燃料的影響較小。

(2)燃煤鍋爐在供暖初期，煙塵、SO2和NOx月均排放濃度非常高，均高出國家標準3～8倍，而燃氣輪機組環(huán)保排放指標好，在不安裝除塵、脫硫裝置情況下，煙塵和二氧化硫排放基本可以忽略不計，在燃氣電廠的供暖與非供暖期，NOx排放濃度數(shù)值穩(wěn)定，均可控制在30 mg/m3以內。

3.2 展 望

煤改氣具有一定的環(huán)保價值，是環(huán)境的需求，但是在改造實施過程中，不能一刀切，要根據(jù)不同地區(qū)和社會生態(tài)等各方面進行綜合考慮，項目應使用在對經濟有一定承受力的地區(qū)，否則很容易出現(xiàn)一些弊端。一方面，天然氣消費量激增，而我國是天然氣資源貧乏的國度，天然氣主要依靠進口，氣源緊張，價格高漲，燃氣電廠的運行受限于燃氣的供應矛盾凸顯。另一方面，燃氣機葉片制造和修理技術被國外控制，長期制約中國燃氣輪機發(fā)展的瓶頸還未被打破。2019年7月，國家發(fā)改委發(fā)布征求《關于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進過程中有關問題的通知》意見的函， 該函件主要是針對“煤改氣”、“煤改電”等清潔供暖推進過程中出現(xiàn)的典型共性問題提出解決應對辦法，采用清潔煤技術，改造火電廠，更新燃煤工業(yè)鍋爐，實現(xiàn)煤炭的清潔利用。在成本核算中，環(huán)境成本是沒有包括進去的，大氣治理是利國利民的好事，在后續(xù)進程中要分析已出現(xiàn)的問題，多種治理措施并用，循序漸進、科學規(guī)劃，處處呈現(xiàn)綠水青山。

隨著經濟社會的發(fā)展，全球變暖已經帶來了相當大的危害，而引起全球變暖的主要因素是溫室氣體的排放。CO2是溫室氣體的主要組成部分，燃煤電廠和燃氣電廠是CO2的集中排放源，CO2排放強度大，研究CO2的排放和捕集是當前的一份重要工作[9]，是實現(xiàn)碳減排最有效的途徑之一，捕集后的二氧化碳濃縮提純后用于生產工業(yè)級或食品級二氧化碳產品、生產尿素、可降解塑料等。吸收法捕集濃縮電廠煙氣中二氧化碳后用于生產二氧化碳產品和尿素具有一定市場前景，生產可降解塑料具有較好環(huán)保效果，其應用領域需進一步拓展，應加大對CO2捕集技術研究的扶持力度，促進其發(fā)展與成熟，使其能夠更早的得到普及。