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大气污染源监测信息解读之三: 氮氧化物排放控制——如何解决“历史欠账”
admin 2014/06/30

1.    前言

氮氧化物应该是涉及环境问题最多的污染物[1]:首先,氮氧化物直接或间接生成二氧化氮,二氧化氮本身是一种大气污染物;其次,氮氧化物与水结合形成硝酸根,是酸雨的主要成分之一;第三,氮氧化物中的氮通过沉降等作用可导致水体富营养化;最后,氮氧化物被认为是细颗粒物(PM2.5)和臭氧的前体物,不但会导致雾霾的产生,也会诱发光化学污染。

“十二五”规划提出全国氮氧化物(NOx)排放量到2015年底之前与2010年相比要降低10%,如今制定下一个五年计划也日益临近,那么“十二五”前三年减排目标完成情况如何呢?实际上,2011-2013年,全国氮氧化物排放较2010年水平仅减少2%,根据环保部确定的2014年年度减排任务目标,二氧化硫、化学需氧量和氨氮排放量与2013年相比分别要减少2%,氮氧化物排放量减少5%。考虑到目前现有工业设施,特别是燃煤发电厂,运行脱硝设施的比例很低,大概在10%左右,只要在今明两年提高燃煤发电的脱硝设施运行比例,到2015年,氮氧化物减排实现10%的目标仍有较大可能。 与控制氮氧化物相比,同期控制二氧化硫、化学需氧量和氨氮的排放均减排了7%以上,这三项指标与减排既定目标在时间进度上是基本匹配的。“十一五”期间,大部分燃煤电厂都装了脱硫设备,二氧化硫排放控制效果显著。但2006-2010年,控制氮氧化物排放并没有得到重视。以致于“十一五”期间,工业燃煤量和发电燃煤的大幅增长,水泥和钢铁行业的迅速扩张,以及机动车数量超常规的增长,导致氮氧化物排放急剧增加,直至2011年达到了排放峰值,2012年开始下降(如图1所示)。假设氮氧化物和二氧化硫排放一起控制,我们当前面临的空气污染状况可能没有如此糟糕。

2.    氮氧化物排放趋势

据估计,氮氧化物在1995年的总排放量仅为1100万吨左右, 2006年环保部环境统计数据公开结果也仅为1524万吨,2011年一下就从2010年的1852万吨升至2404万吨,一年增长了30%(如图1)。如此高的排放总量给总量控制目标带来巨大压力。尽管从2012年开始政府在空气治理行动中加大了治理氮氧化物排放的力度,例如政府设定的2015年燃煤机组脱硝效率目标是超过75%[2],但鉴于氮氧化物排放源较多(见图2和表1),和“十一五”二氧化硫控制重视火电轻视其他行业的经验,我们认为应当设定涉及全行业和较长时间目标的氮氧化物减排目标。

1:全国废气中主要污染物排放量 (单位:万吨)

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数据来源:环保部污染排放总量控制司环境统计年报

注:我国从2006年才开始统计氮氧化物排放量,而且环境统计数据与污染普查数据并不一致;2010年污染普查数据为2273.7万吨,减排的基准数据是用的普查数据;2013年的值为估计值。

3.    氮氧化物排放来源

下图列出了我国2012年氮氧化物的排放量以及分布情况,污染物的主要来源包括工业源、机动车以及城镇生活源。2012年,全国氮氧化物排放量为2337.8万吨,较2011年减少2.77%。工业源氮氧化物排放量为1658.1万吨,较2011年减少4.1%,占全国氮氧化物排放总量的70.9%。其次的重要排放源是来自机动车,2012年的氮氧化物排放量为640.0万吨,比上年增加0.4%,占全国氮氧化物排放总量的27.4%。所以,工业和机动车来源的氮氧化物排放占了总排放的98.3%(图2)。

2:2012年全国氮氧化物按来源的排放量(万吨)

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数据来源:环保部污染排放总量控制司环境统计年报

氮氧化物的工业排放源中,排放量位于前3位的行业依次为火电、水泥和钢铁(表1),三个行业2012年共排放氮氧化物1336.9万吨,占整个工业源排放量的80.6%,全国氮氧化物排放总量的57.2%。

1:2012年工业源中主要氮氧化物排放行业(万吨)

类别火电厂水泥钢铁冶炼其他
排放量1084.7197.954.3321.2

数据来源:环保部2012年环境统计年报

区域排放差异方面,由于数据零散,并没有系统整理。不过从卫星观测发现[3],最近几年特大城市氮氧化物排放的增长趋势有所放缓, 主要是因为特大城市的氮氧化物排放源主要为机动车, 而这些地区的机动车排放也应该说已经初步得到了控制。由于燃煤相关的氮氧化物的排放控制刚刚起步,所以这些区域的整体氮氧化物水平的降低更依赖于燃煤设施的氮氧化物控制。相比较,中型城市将会面临机动车源和工业源氮氧化物排放的双重压力。

4.    火电厂的氮氧化物排放强度

独立火电厂氮氧化物排放量为981.6万吨,占重点调查工业企业排放量的62.1%。独立火电厂氮氧化物排放量居前三位的省份依次为内蒙古、江苏和山东。独立火电厂单位发电量氮氧化物平均排放强度为2.6克/千瓦时,其中重庆、吉林和黑龙江三个省份的排放强度大于4.0克/千瓦时。

3:各地区氮氧化物排放量以及单位发电量排放强度

f3

来源:环保部2012年环境统计年报

将中国的单位发电量污染物排放强度同其他国家对比(表2),不难看出二氧化硫的排放强度已经低于北美,但是跟欧洲和日本还有不小的差距;氮氧化物的排放强度还是远高于西方国家。这里并没有获得自备电厂的排放强度数据,它们的单位排放一定是更高的(据下文估计)。

2:不同国家单位发电量氮氧化物平均排放强度/千瓦时

 美国日本加拿大英国德国印度中国
氮氧化物1.20.21.61.40.84.32.6
二氧化硫3.30.23.41.40.78.01.9

来源1. Calculated based on OECD, “OECD Environmental Data Compendium 2006/2007”; and IEA, “Energy Balances of OECD Countries 2010 Edition” http://www.tepco.co.jp/en/challenge/csr/initiatives/pollution-e.html2. Estimates of Emissions from Coal Fired Thermal Power Plants in India http://www.epa.gov/ttnchie1/conference/ei20/session5/mmittal.pdf3. 环保部2012年环境统计年报 

5.    氮氧化物去除率

独立火电厂2012年共去除氮氧化物111.6万吨,氮氧化物去除率为10.2%(表3),比上年提高4.1个百分点,比重点调查工业企业平均去除水平高出2.7个百分点,自备火电厂的氮氧化物去除率明显要低很多,仅为3.4%。 环保部最近表明要“完成4亿千瓦现役燃煤机组脱硝设施建设,对7000万千瓦燃煤机组实施低氮燃烧技术改造。到2015年燃煤机组脱硫效率达到95%,脱硝效率达到75%以上”[4]

3:2012年重点调查工业企业废气污染物的去除率

类别独立火电厂自备火电厂水泥制造钢铁冶炼平均去除率
氮氧化物10.2%3.4%1.9%1.2%7.5%
二氧化硫77.2%45.3%无数据20.4%68.9%
烟(粉)尘99.6%98.8%99.6%97.3%98.7%

数据来源:环保部2012年环境统计年报

很显然,我国对燃煤设施的氮氧化物排放控制尚处在初级阶段,大电厂和新建电厂虽然已经普及了低氮燃烧器, 但是大规模的废气脱硝才刚刚起步;其他工业燃煤设备的氮氧化物排放仍处于近乎无控的状态。如表3显示,在水泥和钢铁冶炼行业中,重点调查企业的氮氧化物去除率都不足2%,行业平均水平估计更低。

6.    工业排放源的氮氧化物排放标准

除了国家的减排目标之外,污染物排放标准的提升无疑会在全国范围内有效且均一地控制污染气体的排放。下表梳理了主要工业排放源的氮氧化物排放标准。

4:主要工业设施氮氧化物(NOx)现行排放标准[5]

最高允许排放浓度(以 NO2 计,mg/m3)新建及现有设施重点区域企业设施排放标准实施时间
火力发电燃煤锅炉2011年标准GB 13223—2011)100/200a100新建火力发电锅炉及燃气轮机组自 2012 年 1 月 1 日起执行该标准,现有的火电厂自 2014 年 7 月 1 日起执行。
水泥工业2013年标准GB 4915—2013)400300 b/320 c新建企业自 2014 年 3 月 1 日起执行该标准,现有企业自 2015 年 7 月 1 日起执行。
炼钢工业2012年标准GB 28664—2012)没有纳入NOx没有纳入NOx
炼铁工业(GB 286632012)300300新建企业自 2012年 10 月 1 日起执行该标准,现有企业自 2012 年 10月 1 日起执行。
轧钢工业2012年标准GB 28665—2012) 300/350d300新建企业自 2012年 10 月 1 日起执行该标准,现有企业自 2012年 10 月 1 日起执行350mg/m3, 2015 年 10月 1 日起执行300mg/m3

a特定炉型以及2003 年 12 月 31 日前建成投产的项目;b水泥窑及窑尾余热利用系统;c 烘干机、烘干磨、 煤磨及冷却机;d现有设施;

因为燃煤发电是氮氧化物排放的主要来源,因此燃煤发电的氮氧化物的排放标准最严格,2014年7月1日起,新标准将开始执行。对于多数燃煤火电企业来说,挑战巨大,毕竟2012年燃煤火电的氮氧化物的去除率仅有10%左右。 l  火电厂大气污染物排放标准现行的火电厂大气污染物排放标准(GB 13223-2011 )于2011年颁布,2012年开始执行,该标准规定了火电厂大气污染物排放浓度限值、监测和监控要求。这个标准最初发布于 1991 年, 并于1996 年和2003 年进行了两次修订;相比较,2011年标准修订的排放限制是严格了很多。

5:火力发电燃煤锅炉的氮氧化物(NOx)排放标准的修订过程[6]

(mg/m3)1996年标准GB 13223—1996) 2003年标准GB 13223—2003) 2011年标准GB 13223—2011) 
最高允许排放浓度 (以 NO2 计)650,1000a450-1500b100,200c

a根据液态或固态排渣的不同;b根据干燥无灰基挥发分含量不同以及不同实施时间;c 根据炉型以及2003 年 12 月 31 日前或后建成投产的项目不同;

除了炉型和建成时间之外,2011年的标准还提到了重点区域,专指容易发生严重大气环境污染问题而需要严格控制大气污染物排放的地区。新标准要求新建火力发电锅炉及燃气轮机组自 2012 年 1 月 1 日起执行上表的标准,现有的火电厂自 2014 年 7 月 1 日起执行。

7.    小结

该系列文章的前两篇分别讨论了全国燃煤电厂的二氧化硫排放现状以及上海市控制燃煤发电企业二氧化硫排放方面的工作经验。本篇通过对氮氧化物排放趋势、排放源、去除率、排放强度以及行业排放标准的梳理,给出了中国氮氧化物排放的宏观图景,主要发现如下:

  • 减排目标:在燃煤火电、水泥和钢铁行业,脱硝设施普及率很低,脱硝潜力巨大,完成“十二五”10%的减排目标应该顺理成章。但10%的目标设定的是否太低,难以支持空气污染治理目标的实现?在设定“十三五”,甚至未来10年、20年的氮氧化物减排目标时,是否应当更为积极,充分发挥新标准的监管效力,将氮氧化物排放总量尽快降下来?这些都是值得深入探讨的问题。

  • 去除效率:脱硝设备运行的结果会反映在度电氮氧化物排放量上,也可以通过单位面积的排放量来反映地区的氮氧化物排放浓度;区域的分析更能体现出各地的脱硝效率而不是单单看全国的数据,这需要更深入的研究。

  • 标准:最近两年的新标准给出了氮氧化物在主要工业领域的排放限值。较为严格的燃煤发电氮氧化物排放标准必须配合有效的总量控制机制,才能使氮氧化物排放迅速下降。另外,除了燃煤发电,钢铁、水泥和交通行业的氮氧化物排放的控制也需要关注。


尾注:

[1]“十二五”规划要减10% 氮氧化物减排为何滞后http://news.xinhuanet.com/energy/2014-03/01/c_126207910.htm

[2] 国务院关于印发节能减排“十二五”规划的通知国发〔2012〕40号http://www.gov.cn/zwgk/2012-08/21/content_2207867.htm

[3]“卫星遥感观测中国1996~2010年氮氧化物排放变化” 张强 耿冠楠 王斯文 RICHTER Andreas 贺克斌 《科学通报》2012年第16期

[4]国务院关于印发节能减排“十二五”规划的通知国发〔2012〕40号http://www.gov.cn/zwgk/2012-08/21/content_2207867.htm

[5]环保部大气环境保护标准目录http://bz.mep.gov.cn/bzwb/dqhjbh/dqhjzlbz/200608/t20060825_91832.htm

[6]环保部大气环境保护标准目录http://bz.mep.gov.cn/bzwb/dqhjbh/dqhjzlbz/200608/t20060825_91832.htm


作者:林佳乔