基于燃燒理論的大氣污染物排放濃度折算方法研究

江文豪，張學超，楊智勇，王 雷，夏文靜

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇南京 210019）

1 引言

環保部門在進行大氣污染物排放控制時，一般將折算后的排放濃度作為排放是否達標的依據，這樣做的好處在于，一方面，各臺設備的運行條件存在差異，只有將排放濃度折算至規定的同一基準條件下，才能滿足不同工況數據的可比性；另一方面，這樣處理可以避免由于過量空氣系數增大、尾部煙道漏風加劇或人為稀釋等原因造成污染物排放濃度較低，但是總排放量卻高居不下的現象。

當前各項大氣污染物排放標準中，涉及的污染物濃度折算方法有多種，且每種方法在不同標準規范中均有應用［1-45］。另外，即使是同一個標準，也可能會出現折算方法隨版本升級而變更的情況。例如，GB 13223-2003《火電廠大氣污染物排放標準》中采用的是過量空氣系數折算法［1］，而在GB 13223-2011 采用的是煙氣含氧量折算法［2］。GB 13271《鍋爐大氣污染物排放標準》等其他一些規范亦是如此。目前，關于大氣污染物排放濃度方面的研究主要聚焦于預測方法、時空分布特征等方面［46-51］，與排放濃度折算方法相關的研究則鮮見報道。而這些折算方法如使用不合理，很可能會導致結果失真。因此，對各種排放濃度折算方法的折算邏輯和適用條件進行梳理，分析各折算方法的區別特征，對于本領域從業人員來說是十分必要的工作?；诖?，本文從大氣污染物排放濃度的折算機理出發，對各種折算方法的由來及其適用條件進行研究，以期為大氣污染物排放濃度折算方法的合理選取提供參考。

2 研究方法

2.1 折算方法介紹

經統計，現行44項大氣污染物排放標準中［2-45］，用到的大氣污染物排放濃度折算方法包括過量空氣系數折算法、煙氣含氧量折算法、排氣量折算法，其中煙氣含氧量折算法應用最多（占比22/44），過量空氣系數折算法次之（占比7/44），基準排氣量折算法最少（占比6/44）。此外，目前還存在部分行業，其大氣污染物排放濃度暫不進行折算（占比9/44），直接以實測排放濃度作為排放是否達標的依據。另有一種適用于鑄造沖天爐的摻風系數折算法，該方法與過量空氣系數折算法相近，鑒于鑄造沖天爐屬于已逐漸被淘汰的落后產品，故本文不對該方法展開分析。

上述三種常用折算方法具體如下：

1）過量空氣系數折算法即通過基準過量空氣系數與實測過量空氣系數對排放濃度進行折算，具體公式如下：

式中：ρ為折算后的大氣污染物排放濃度，mg/m3；ρ'為實測的大氣污染物排放濃度，mg/m3；α'為實測的過量空氣系數；α為規定的過量空氣系數。

2）煙氣含氧量折算法即通過基準煙氣含氧量與實測煙氣含氧量對排放濃度進行折算，具體公式如下：

式中：φ(O2)為基準含氧量，%；φ'(O2)為實測的含氧量，%。

3）排氣量折算法即通過基準排氣量與實測排氣量對排放濃度進行折算，具體公式如下：

式中：Q總為實測排氣總量，m3；Yi為第i種產品產量，t；Qi基為第i種產品的單位產品基準排氣量，m3/t。

2.2 折算方法推導

2.2.1 大氣污染物排放濃度折算原理

現行排放標準中，大氣污染物排放濃度均以標準狀態下的干氣體（干煙氣）為基準，可通過式（4）進行求解：

式中：ρ為大氣污染物排放濃度，mg/m3；G為污染物排放量，mg/s；V為干基氣體（煙氣）排放量，m3/s。

為了更加科學地評價和判斷大氣污染物排放狀況，避免由于人為稀釋等原因造成的排放達標假象，有必要將實測排放濃度折算至基準條件下的排放濃度，并以此作為排放是否達標的最終依據。

為簡化實測工況至基準工況的燃燒污染物折算過程，一般對設備運行狀況做如下假設：

1）折算前后，爐內燃燒狀況（包括污染物生成量、燃料燃盡率等）不變；

2）折算前后，尾部煙氣凈化系統的處理效率（包括除塵器的除塵效率、脫硫系統的脫硫效率、脫硝裝置的脫硝效率）不變。

由此，燃燒污染物排放濃度的折算公式可演變為：

式中：V'gy為實測工況下單位燃料燃燒生成的干煙氣量，單位為m3/kg（固體或液體燃料）或m3/m3（氣體燃料）；Vgy為基準條件下單位燃料燃燒生成的干煙氣量，單位為m3/kg（固體或液體燃料）或m3/m3（氣體燃料）；B為燃料量，單位為kg/s（固體或液體燃料）或m3/s（氣體燃料）。

由式（5）可見，污染物排放濃度可通過單位燃料燃燒生成的干煙氣量進行折算。由于單位燃料燃燒生成的干煙氣量可通過燃料成分和煙氣成分計算得到，因此，采用該方法可有效解決大型燃燒設備（如電站鍋爐等）尾部煙氣流量難以準確測量的困難。而過量空氣系數法和煙氣含氧量法也正是基于式（5）演變得到的，下文將展開分析。

2.2.2 過量空氣系數折算法推導

過量空氣系數折算法推導過程如下：

單位燃料燃燒生成的干煙氣量一般根據式（6）計算得到：

式中：w(Car)、w(Har)、w(Oar)、w(Nar)、w(Sar)分別為燃料收到基中元素碳、氫、氧、氮、硫的質量分數，%。若有條件，應采用實際燃燒掉的碳元素質量分數。

式中：φ0(CO)、φ0(H2)、φ0(CmHn)、φ0(H2S)、φ0(O2)分別為氣體燃料中CO、H2、CmHn、H2S、O2的體積分數（添加下標“0”是為了將原始煤氣與尾部煙氣中的氣體成分進行區分），%。

對式（6）進行變換可得：

式中：χ為只與燃料成分相關的無量綱變量，本文將其定義為燃料成分因數。對于大多數常見燃料，理論干煙氣量和理論干空氣量比較接近，若忽略二者差值，則燃料特性因數χ=0，于是式（11）可簡化為：

式（13）變形即可得到式（1）所示的基于過量空氣系數的大氣污染物排放濃度折算公式。

2.2.3 煙氣含氧量折算法推導

煙氣含氧量折算法推導過程如下：

燃料燃燒計算過程中，單位燃料對應的過量空氣量ΔVgk可根據煙氣成分和煙氣量，按下式求解得到：

式中：ΔVgk為單位燃料對應的過量空氣量，單位為m3/kg（固體或液體燃料）或m3/m3（氣體燃料）；φ(O2)、φ(CO)、φ(H2)、φ(CH4)分別為干煙氣中O2、CO、H2、CH4的體積分數，%；。

若煙氣中CO 等可燃氣體的殘余量較少，可忽略不計，則式（14）可簡化為：

將式（11）代入式（15）可得：

上式整理后可得過量空氣系數計算式：

式（17）為適用于所有燃料的過量空氣系數通用計算公式。

干煙氣量計算公式（6）可演變為：

式（15）變形即可得到式（2）所示的基于煙氣含氧量的大氣污染物排放濃度折算公式。

2.2.4 排氣量折算法推導

排氣量折算法的推導非常簡單：假定污染物生成量不變，則污染物排放濃度與排氣量成反比，由此可得式（3）所示的折算公式。

3 結果與討論

3.1 各折算方法適用性分析

3.1.1 過量空氣系數折算法適用性分析

由2.2.2 節分析可知，基于過量空氣系數的大氣污染物排放濃度折算方法是建立在燃料成分因數χ可近似取值為0（即理論干空氣量和理論干煙氣量近似相等）的基礎上的，理論干空氣量和理論干煙氣量的差值越小則折算結果越精確。

為此，本文以燃煤、生物質、垃圾、燃油、燃氣等常見燃料為例，結合燃料成分數據［52～55］，分別計算其理論干空氣量、理論干煙氣量和燃料成分因數，結果匯總于表1～5。

表1 典型燃煤的燃料成分因數計算結果Tab.1 The calculation results of fuel composition factor for typical coal

表3 典型垃圾的燃料成分因數計算結果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數計算結果Tab.4 The calculation results of fuel composition factor for typical oil

表5 典型燃氣的燃料成分因數計算結果Tab.5 The calculation results of fuel composition factor for typical gas

由表1～表5可見：

1）對于燃煤、生物質、垃圾等常見固體燃料，燃燒理論干空氣量和理論干煙氣量非常接近，燃料成分因數χ處于-0.04～0 范圍內，平均值僅為-0.019，按式（12）簡化計算煙氣量的相對誤差約為0～2%，因此，對于這些固體燃料，通過過量空氣系數來折算大氣污染物排放濃度是可行的，計算精度較高。

2）對于常見燃油，燃燒理論干空氣量和理論干煙氣量的差值要稍高于燃煤和生物質燃料，燃料成分因數χ處于-0.07～-0.06 范圍內，平均值約為-0.061，按式（12）簡化計算煙氣量的相對誤差約為4%～6%，因此，對于液體燃料油，通過過量空氣系數來折算大氣污染物排放濃度的誤差略大，不宜采用。

3）對于常見氣體燃料，燃燒理論干空氣量和理論干煙氣量的差值分化明顯，不同燃氣的燃料成分因數χ差別較大，其中礦井氣的χ僅為-0.01左右；沼氣、油田伴生氣、天然氣、焦爐煤氣的χ稍高，約為-0.06～0.11；而發生爐煤氣、轉爐煤氣、高爐煤氣的χ則大幅升高，分別為0.47、0.48、1.35，按式（12）簡化計算煙氣量的相對誤差可達40%～120%，誤差非常大。因此，對于大部分燃氣，尤其是發生爐煤氣、轉爐煤氣、高爐煤氣，不能通過過量空氣系數來折算大氣污染物排放濃度，否則會導致結果嚴重失真。

3.1.2 煙氣含氧量折算法適用性分析

由2.2.3 節內容可知，煙氣含氧量折算法主要是建立在煙氣中CO 等可燃氣體殘余量可忽略不計的基礎上，根據干煙氣量與過量空氣系數、過量空氣量之間的關系，通過嚴密推導得到的。整個推導過程未進行除可燃氣體外的其他條件假定，也未涉及燃料特性簡化。因此，煙氣含氧量折算法是通用公式，可適用于所有燃料。換而言之，無論燃燒哪種燃料，只要燃燒設備運行合理，使得煙氣中可燃氣體成分較少，則該折算方法即是可靠的。

對于煙氣中的可燃氣體含量（一般以CO為主），其允許限值或者由其造成的折算誤差與煙氣含氧量的大小密切相關。同樣的可燃氣體含量下，煙氣含氧量越高，對應的折算誤差越大?？偟膩碚f，無論哪種燃燒設備，尾部煙氣中的未燃盡氣體含量只要低于0.1%（1 000 ppm），均能保證較高的折算精度。

為此，一些排放標準，如GB 13223《火電廠大氣污染物排放標準》和GB 13271《鍋爐大氣污染物排放標準》等，在版本更新時將原折算方法（過量空氣系數折算法）變更為煙氣含氧量折算法，也是比較合理的。

需要說明的是，工程上普遍采用式（20）所示的簡化計算公式來求解過量空氣系數：

將式（20）帶入式（1），也能得到式（2）所示的基于煙氣含氧量的折算公式，結果雖然一致，但是其內在邏輯是不盡合理的。

3.1.3 排氣量折算法適用性分析

與過量空氣系數和煙氣含氧量折算法的全工況覆蓋有所不同，排氣量折算法主要用于單位產品實際排氣量高于基準排氣量的情況（實際排氣量低于基準排氣量時不執行），此時，按式（3）將實測大氣污染物濃度折算為大氣污染物基準排氣量排放濃度，并以大氣污染物基準排氣量排放濃度作為判定排放是否達標的依據。

進行上述換算時，排氣總量一般按一個工作日內的產品消耗量和排氣量進行統計。當單位產品實際排氣量低于基準排氣量時，不用進行折算。

此外，在企業生產設施同時生產兩種以上產品、可適用不同排放控制要求或不同行業國家污染物排放標準，且生產設施產生的廢氣混合處理排放的情況下，也要通過排氣量進行排放濃度折算。此時，應執行排放標準中規定的最嚴格的濃度限值，并按式（3）折算成大氣污染物基準排氣量排放濃度。

目前，排氣量折算法主要用于硝酸、硫酸、橡膠、稀土等工業領域，大氣污染物多為原生有害氣體而非燃燒所產生的煙氣，故直接通過排氣量進行折算。該方法對于排氣筒（或排氣管道）的形狀規則度和直段長度均有較高要求，否則很難保證結果的真實度和可靠性。

3.2 各折算方法的比較

結合前述分析，將幾種污染物排放濃度折算方法進行比較，結果匯總于表6。

表6 幾種折算方法對比Tab.6 Comparison of several conversion methods

3.3 關于污染物排放濃度折算基準值

3.3.1 排放標準中基準值的制定

由于各生產設施的運行條件存在一定差異，因此對于不同設備，其大氣污染物排放濃度折算參數的基準值（包括基準氧含量、基準過量空氣系數或基準排氣量等）也不盡相同，具體應結合設備自身特點分別制定。

當前，各標準中規定的基準值均是根據該類設備的燃燒工藝和當前技術現況，通過實際生產調研數據綜合分析得到的較優結果。

3.3.2 折算過程中基準值的選取

對于大多數生產設施，其大氣污染物排放濃度折算參數的基準值直接按照相關規范上的要求取值即可。但是，對于一些特殊設備，如多種燃料混合燃燒的設備，其污染物排放濃度折算參數的基準值則應根據設備具體特征進行取值。

以鋼廠自備電站煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐為例，其基準氧含量的取值宜結合鍋爐爐型加以區分：煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐分為兩種類型，一種是基于煤粉鍋爐結構下摻燒少量煤氣的爐型，另一種是基于煤氣鍋爐結構下摻燒少量煤粉的爐型，以前者居多。由于現行標準只規定了單一燃料鍋爐的基準氧含量，并未對混合燃料鍋爐作單獨規定，故煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐只能按燃煤鍋爐或燃氣鍋爐歸類。對于第一種混燒鍋爐，其基準氧含量應按照煤粉鍋爐取值；對于第二類混燒鍋爐，其基準氧含量按照煤氣鍋爐取值更為合理。

此外，按照鍋爐容量大小劃分，單臺出力65 t/h以上的混燒鍋爐應執行標準GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》［2］，單臺出力65 t/h 及以下的混燒鍋爐則執行標準GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》［5］，而GB 13223 和GB 13271 中對于基準含氧量的規定也有一定差異。

綜合上述因素，鋼廠自備電站煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐基準含氧量建議參考表7進行取值。

表7 煤粉與高爐煤氣混燒鍋爐基準含氧量參考值Tab.7 The reference value of benchmark oxygen content for mixedly-burned boiler

同樣，包括電廠重油與天然氣混燒鍋爐、鋼廠重油與煤氣混燒加熱爐、煉油廠油氣混燒加熱爐等多種燃料混燒設備，也存在類似情況。

4 結論

大多數污染物排放標準均要求將實測的大氣污染物排放濃度折算至基準條件下，并以此作為排放是否達標的最終依據。本文基于燃燒原理，從大氣污染物排放濃度的折算機理出發，對各種折算方法進行推導和分析，結果表明：

1）過量空氣系數折算法和煙氣含氧量折算法用于燃燒產生煙氣的污染物控制，而排氣量折算法則主要用于原生有害氣體的直接排放（無燃燒）。

2）過量空氣系數折算法和煙氣含氧量折算法在所有測試工況下均執行，而且排氣量折算法則只在實際排氣量高于基準排氣量時執行?？梢?，在低于基準參數條件下，采用排氣量折算法對污染物排放的控制更為嚴格。

3）過量空氣系數折算法是基于假定燃料條件下（燃料成分因數近似為零）的簡化計算，適用于燃煤、生物質、垃圾等燃燒理論干空氣量與理論干煙氣量十分接近的燃料；而煙氣含氧量折算法是基于假定燃燒條件下（煙氣中殘余可燃氣體較少）的簡化計算，適用于任何燃料。

4）對于常規單一燃料燃燒設備，大氣污染物排放濃度折算參數的基準值直接按相應標準規范選取即可，但是對于多種燃料混合燃燒設備，其基準值的選取則應根據設備具體特征加以區分。