2010~2015年中國燃煤電廠NOx排放特征

蔣春來,宋曉暉,鐘悅之,王彥超,雷 宇

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2010~2015年中國燃煤電廠NO排放特征

蔣春來,宋曉暉,鐘悅之,王彥超,雷 宇*

(環境保護部環境規劃院,北京 100012)

基于中國2011~2015年發電企業逐臺燃煤機組基礎信息、活動水平及控制技術等,建立了燃煤電廠NO排放量計算方法和排放數據庫.利用該方法,計算了2011~2015年逐個機組NO排放量,分析了2010~2015年中國燃煤電廠NO排放特征. 結果表明:中國燃煤電廠NO排放量自2010年的1073萬t增加到2011年的1132萬t,達到排放峰值,隨后逐年下降,到2015年下降到522萬t.燃煤電廠NO排放地區分布不均衡,2015年內蒙、山東、江蘇、江西、河南、河北、遼寧是排放量最大的省份,占中國燃煤電廠排放總量的48.8%.上海、江蘇、天津、寧夏、山東、浙江和山西是排放強度最大的省份.從機組規模來看,單臺容量在300~￡600MW之間的燃煤機組是NO排放的主要來源,當機組裝機容量從100MW提高到1000MW時,NO平均排放績效從2.91g/kWh降至0.48g/kWh,下降了近84%,這主要是由于裝機容量越大的燃煤發電機組,電力工業技術水平和污染治理水平越高,NO平均績效越低,環境行為越好.

電廠；NO；排放特征；排放清單；中國

一次顆粒物和二次顆粒物前體物(SO2、NO、VOCs、NH3)的大量排放是造成我國PM2.5、臭氧等區域復合型污染的主要原因,其中NO排放負荷巨大、活性強、具有跨區域的環境影響特征,既是衡量全國空氣質量的重要指標,也是導致區域復合型污染的關鍵因子[1-2].十二五期間中國對導致區域復合型污染的關鍵因子NO進行了總量控制,其中電廠、機動車及工業行業是減排重點.燃煤電廠是中國最大的煤耗部門,根據全國污染源普查數據統計,2010年NO排放約占中國的47%,且具有遠距離傳輸的特點,研究燃煤電廠NO的排放特征,對評估控制成效,制訂科學、合理的NO排放控制政策具有重要的意義.

高精度的燃煤電廠排放清單是評估NO排放控制成效的基礎,目前中國基于逐臺機組的燃煤電廠NO排放研究很少,大部分排放是采用逐省的煤炭消耗量進行宏觀估算或者基于排放系數和污染源重點調查相結合的方法進行估算,研究以全國尺度和區域尺度(京津冀、長三角以及珠三角)居多,在重點地區以地級市研究居多[3-7].以機組為單元的自下而上的全國燃煤電廠排放量估算很少,Zhao等[8]估算了中國燃煤電廠2000年和2005年逐臺機組的NO排放清單,其他研究者采用類似的方法分別編制了中國燃煤電廠2005~2010年的機組水平的NO排放清單[9-14],但由于基于單位機組的研究對數據的可靠性和精確度要求很高,現有的大部分研究難以準確獲取每個機組的全部影響因素,對于缺失的信息,采用綜合評估等方法進行補充,造成誤差較大.因此, 筆者基于2011~2015年全國火電廠上報的逐臺的火電機組基本信息、活動水平、控制技術等數據,并結合歷年現場調研對數據的校驗,測算了全國燃煤電廠NO的排放量,分析了燃煤電廠NO的時空分布特征等,以期為中國燃煤電廠NO排放控制提供決策依據.

1 方法與數據

1.1 計算方法

本研究基于中國2011~2015年大陸地區31個省(區、市)(不含西藏)總量減排數據中每臺發電機組的基本信息、工藝類型、活動水平、排放因子、控制水平等數據,并結合歷年現場調研,建立了涵蓋所有燃煤機組的(包括獨立火電廠機組、自備電廠的純凝燃煤發電機組和熱電聯產機組)的排放數據庫,測算了逐臺機組(2010年在役5798臺燃煤機組,2015年在役6029臺燃煤機組)的NO排放量.燃煤電廠NO2010年排放量采用中國第一次污染源普查更新數據.2011~2015年機組NO排放量主要根據燃煤消耗量、排污系數和治理工程運行情況等進行測算.

未采取任何措施的燃煤機組NO排放量測算公式為:

E=M′pf′10 (1)

式中:E為第臺機組以NO2計算的NO年排放量, t/a;M為第臺機組煤炭消耗量,萬t;pf為第臺機組產污強度,kg/t,主要為2010年全國污染源普查該機組采用的系數.對于新建的燃煤機組,按照《“十二五”主要污染物總量減排核算細則》[15](環發[2011]148號)新建機組排放系數取值;對于2010年底前未安裝脫硝設施的機組,按照2010年該機組單位煤炭NO排放強度取值.

采取治理措施的燃煤機組NO排放量,應根據治理措施改造前后分時間段進行測算,治理措施包括進行低氮燃燒技術改造、新建脫硝設施、既有低氮燃燒改造又新建脫硝設施等,按照對應消耗的煤量、NO去除率、脫硝效率分時間段測算.對于實施脫硝設施改造的機組,應根據脫硝設施改造前、后的實際脫硝效率分別測算NO排放量.采取治理措施的燃煤機組NO排放量測算公式為:

電i=M′pf′(1-)′(1-)′10 (2)

式中:M為核算期第臺機組不同時段煤炭消耗量,萬t,應根據治理措施的穩定運行時間分段選取;pf意義同公式(1).對于2010年底前已安裝脫硝設施的機組,按以下公式確定:

2010i為2010年第臺機組綜合脫硝效率,%.對于2010年新投運的脫硝設施,需按全年折算綜合脫硝效率.為低氮燃燒改造后相對低氮改造前提高的NO去除率,按下列公式確定:

式中:改造前為第臺機組進行低氮燃燒技術改造前的氮氧化物平均濃度,mg/Nm3;改造后為第臺機組進行低氮燃燒技術改造后的氮氧化物平均濃度, mg/Nm3;為核算期第臺機組脫硝設施穩定運行后綜合脫硝效率,%.

1.2 數據獲取

測算NO排放時需要確定的參數包括2011~ 2015年每臺機組的排污系數、燃煤消耗量、燃煤揮發分、采取的污染治理技術及對應的綜合去除效率等數據.機組排污系數主要是采用污染源普查數據庫中該鍋爐類型對應的系數.本研究主要分析參與計算的燃煤消耗量、燃煤揮發分、控制技術及控制水平.

1.2.1 火電廠燃煤消耗量 2010~2015年中國燃煤火電廠煤炭消耗量分別為18.6,21.1,20.9,21.7,21.5, 20.1億t.匯總數據與中電聯公布的統計數據中的36MW電廠燃煤消耗量相比高5%~9%左右[16],占全國煤炭消耗量的50%左右,十二五期間年均增速約1.58%,2011年較2010年的增長幅度較大,為13.58%,而2015年較2014年的降幅最大,為6.40%,與全國發電量的變化趨勢基本一致.2010~2015年中國大部分省份煤炭消耗量呈增長趨勢(圖1),其中兵團、新疆、海南、寧夏、內蒙5省增幅最大,分別為286.1%、235.8%、84.1%、52.2%和39.3%.陜西、北京、云南、四川和湖南降幅最大,分別為74.7%、70.5%、55.4%、45.6%和19.1%.

圖1 2010~2015年中國各省(區、市)燃煤電廠煤炭消耗量

1.2.2 火電廠燃煤揮發份分布情況 燃煤電廠歷年使用的煤種一般比較穩定,因此,本研究以2015年為例分析了燃煤揮發份分布情況.參與統計的2015年在役的5059臺機組中,燃燒煤種的機組臺數占比和燃煤量占比大小和順序基本一致,從大到小順序分別為煙煤(20%<干燥無灰基揮發份(Vdaf)￡37%)、褐煤(Vdaf>37%)、貧煤(10%< Vdaf￡20%)和無煙煤(Vdaf￡10%)(圖2),其中燃燒煙煤的機組臺數和燃煤量占比均為48%,平均裝機容量約150MW,其次為燃燒褐煤的機組,機組臺數和燃煤量占比分別為30%和36%,平均裝機容量最大,約250MW,占比最小的為無煙煤,機組臺數和燃煤量占比分別為8%和3%,平均裝機容量僅為60MW.

1.2.3 NO排放控制技術及NO的去除率 2010~ 2015年,燃煤機組脫硝裝機容量由89×103MW增加到83×104MW,占全國燃煤機組的比例由2%增加到90%,已建脫硝設施的平均脫硝效率為62%,其中約95%的燃煤機組采用選擇性催化還原(SCR)脫硝工藝,平均脫硝效率約為64%左右,只有4%的機組采用選擇性非催化還原(SNCR)脫硝工藝,平均脫硝效率僅為45.7%.此外,還有少量機組采用SNCR/SCR脫硝工藝.

圖2 2015年中國燃煤機組燃煤揮發份分布情況

全國各省十二五期間脫硝機組呈快速增長趨勢(圖3),截至2015年底,北京、江蘇、浙江、天津、貴州、安徽、江西、甘肅、河北、河南,湖北11省市脫硝機組占比達95%以上,其中北京市燃煤機組全部安裝了脫硝設施.新疆、海南、四川、重慶、黑龍江、青海、吉林7省的脫硝機組占比在80%以下.從脫硝效率的情況來看(圖4),北京、重慶、天津、青海、海南、湖北、山東7省市脫硝效率較高,在70%以上,其中北京最高達90%.部分省份脫硝效率較低,其中寧夏最低,僅40%.

圖3 2010~2015年中國各省(區、市)燃煤電廠脫硝裝機容量變化

圖4 2015年中國各省(區、市)燃煤機組占比及脫硝效率

2 結果與討論

2.1 2010~2015年NOx的排放量

圖5 2010~2015年中國燃煤電廠NOx排放量變化趨勢

2010~2015年中國煤電行業NO排放量為522~1132萬t,自2010年的1073萬t增加到2011年的1132萬t,達到排放峰值,隨后逐年下降,到2015年較2010年下降了51.3%.由于統計口徑等的差異,本研究測算的歷年全國電廠NO測算值與環境統計相比高2%~5%[17].煤電行業的排放績效呈逐年下降趨勢,其中2010年為2.21g/kWh,至2015年降至0.53g/kWh,較2010年降低76%.

煤電行業是中國NO排放控制的重點.2012年前中國燃煤電廠執行的NO排放標準較為寬松,GB 13223-2011[18]對燃煤電廠NO排放控制提出了更高要求,與此同時,十二五節能減排綜合性工作方案也將NO排放列為約束性控制指標,要求電力行業開展減排工作.十二五期間新建機組全部采用低氮燃燒技術和安裝脫硝設施,同時大批現役機組開展了低氮燃燒技術及脫硝技術改造,脫硝機組安裝比例大幅提高(圖4),到2015年底,煤電脫硝比例達90%,其中煤電機組超低排放改造完成1.9億kW.另一方面,十二五期間排放控制技術落后的小火電機組被大量淘汰,電力工業技術水平也顯著提升[11],能源利用效率提高,這也是燃煤電廠NO排放量下降、排放績效水平不斷提升的一個重要原因.

2.2 中國煤電行業NOx排放的空間分布

2.2.1 排放的地區分布 中國燃煤電廠NO排放的地區分布不平衡,這與刁貝娣等[19]研究的中國工業NO排放的空間分布相似.2015年內蒙、山東、江蘇、山西、河南、河北、遼寧是排放量最大的省份,占全國排放總量的48.8%,年排放量均在25萬t以上.燃煤電廠NO年排放量最低的省份為北京、海南、青海和天津,年排放量均在5萬t以下.雖然山東、江蘇、河南、河北、遼寧五省面積僅占國土面積的9%(不計算水域面積),但卻集中了中國28%的人口和33 %的GDP.山西和內蒙是2015年全國原煤產量最大的2個省份,原煤產量占2015年中國總產量的50%.由此可見,人口密度、經濟發展水平、煤炭資源稟賦等對燃煤電廠的布局影響很大.

由圖6還可見,相比于2010年,所有省份NO排放量均呈下降趨勢,其中降幅最大的為北京、天津、湖北、云南、重慶、四川、湖南、上海、河南,下降比例均在65%以上.各省的煤電消耗量、機組脫硝比例以及脫硝設施運行情況是影響NO排放量變化的主要因素.

圖6 2010~2015年中國各省(區、市)煤電機組NOx排放量的變化趨勢

2.2.2 NO排放強度的空間分布 中國大陸地區NO排放強度(不計算水域面積)呈現逐年下降的趨勢(圖7),2010年燃煤電廠NO排放強度在20kg/hm2以上的省份有15個,到2015年減少到7個,NO排放強度在40kg/hm2以上的省份則由2010年的8個下降到2015年的1個.排放強度空間差異很大,有從內陸到沿海逐漸增加的趨勢, 這與李艷新等[3,20]研究的中國大氣NO排放強度的空間分布趨勢基本一致.以2015年為例,NO排放強度最高的是上海,達到了143.2kg/hm2,其次是江蘇(38.7kg/hm2)、天津(38.3kg/hm2)、寧夏(32.7kg/hm2)、山東(30.7kg/hm2)、浙江(23.4kg/hm2)和山西(20.2kg/hm2), 排放強度最低的是青海(0.52kg/hm2)、新疆(0.96kg/hm2)、北京(0.97kg/hm2)、四川(1.23kg/hm2)和云南(1.42kg/hm2).

2.3 中國煤電行業NOx排放規模分布

如圖8所示,單臺容量￡100、100~￡200、200~￡300、300~￡600和>600MW燃煤機組的NO排放量分別為136,77,79,165,65萬t.燃煤電廠NO排放主要集中在300~￡600MW和￡100MW的機組上,分別占比32%和26%.其中￡100MW的機組裝機容量占比和發電量占比最小,均約8%左右,燃煤量約消耗了17%,NO排放量卻占了總排放量的1/4左右.對2749臺,總裝機容量約76×104MW的機組的脫硝效率進行了分析,發現單臺容量￡100、100~￡200、200~￡300、300~￡600和>600MW燃煤機組的綜合脫硝效率分別為42%、57%、60%、63%和66%,其中機組裝機容量越大,脫硝設施運轉越好.選取925臺裝機容量為100,200,300,600,1000MW的燃煤發電機組,發現裝機容量越大的燃煤發電機組,NO平均績效越低,環境行為越好(圖9).當機組裝機容量從100MW提高到1000MW時,NO平均排放績效從2.91g/kWh降至0.48g/kWh,下降了近84%.綜合以上結果來看,裝機容量大的燃煤發電機組,電力工業技術水平和污染治理水平較高,環境行為較好.朱法華等[21]通過對江蘇省電力行業SO2等其他污染物排放績效的研究,也得出類似結論,認為大容量機組在提高發電效率、減少污染物排放方面具有顯著的優越性.

圖8 2015年不同規模燃煤機組NOx排放量、裝機容量占比、燃煤量占比以及發電量占比

圖9 2015年不同規模的燃煤機組NOx排放績效值

2.4 不確定性分析

排放量測算的相關參數的準確性給排放量的估算帶來了不確定性.本研究的不確定性有.

(1)現場調研和文獻調研發現,十二五期間中國燃煤電廠煙氣排放連續在線監測系統(CEMS)煙道的取樣布點的規范性較差,直接影響煙氣流量流速測定結果的準確性[22],只有少量安裝規范的機組可以采用在線監測直接測量法測算NO排放量,為了結果具有系統可比性,所有機組NO排放量均采用排污系數法進行測算.由于排污系數是根據大量實測數據得到的經驗系數,但具體到各個火電機組還受到生產工況、企業管理水平、原材料及清潔生產水平等因素的影響,排放因子與實際排放仍存在差異,存在一定的不確定性.

(2)2010年以前的機組排污系數采用的是污染源普查數據庫中機組對用的系數,2010年以后新建機組主要采用環保部發布的《“十二五”主要污染物總量減排核算細則》[15]推薦的系數.由于近年電力工業技術發展迅速,推薦的系數可能高于近年實際排放情況[23].

(3)該研究所采用的脫硝效率大部分是采用總量核查核定的效率,由于核查過程中部分企業不完全符合總量減排要求,包括減排臺賬的規范性、治污設施的運轉穩定性較差等,綜合脫硝效率的認定可能過于嚴格,部分機組NO排放量測算會有一定的偏差.

2.5 建議

通過對中國燃煤電廠NO排放特征的分析,今后NO排放控制應集中在以下幾個方面.

(1)從煤電行業NO排放規模分布來看,環境行為較差的小容量的機組仍具有較大的減排潛力

(2)從煤電行業NO綜合去除效果來看,仍有大部分地區整體綜合脫硝效率較低,今后應加強脫硝設施的運行管理,使已有的治污設施切實發揮減排效益.

(3)從煤電行業NO排放的區域特征來看,東南沿海經濟發達地區應作為下一步控制的重點.

3 結論

3.1 中國燃煤電廠NO排放量在2011年達到最高值(1132萬t),此后逐年降低,2015年燃煤電廠NO排放量降為522萬t.脫硝設施安裝比例的大幅提高、小火電機組淘汰和電力工業技術水平的提高,是燃煤電廠NO排放量下降的主要原因.

3.2 中國燃煤電廠NO排放的地區分布很不均衡,內蒙、山東、江蘇、山西、河南、河北、遼寧七省是我國燃煤電廠NO排放量最大的省份,占全國排放總量的48.8%.各省燃煤消耗量、裝機容量、NO控制技術水平等是排放量影響的主要因素.十二五期間,隨著國家減排力度的加大、脫硝補貼電價的實施,脫硝機組占比逐漸加大,各省NO排放強度逐漸降低,2010年燃煤電廠NO排放強度在20kg/hm2以上的省份有15個,到2015年減少到7個,NO排放強度在40kg/hm2以上的省份則由2010年的8個下降到2015年的1個.

3.3 中國燃煤電廠NO排放主要集中在300~￡600MW和￡100MW的機組上,其中裝機容量占比7.9%的￡100MW的機組,NO排放占比達到26%,這主要是由于裝機容量越小的燃煤發電機組,電力工業技術水平和污染治理水平越差,NO平均績效越高,環境行為較差.

[1] 我國NO污染狀況與環境效應及綜合控制策略[J]. 北京大學學報(自然科學版), 2008,44:323-330.

[2] 衛星遙感觀測中國1996~2010年氮氧化物排放變化[J]. 科學通報, 2012,57(16):1446-145.

[3] 李新艷,李恒鵬.中國大氣NH3和NO排放的時空分布特征[J].中國環境科學, 2012,32(1):37-42.

[4] 張 輝,賈思寧,范箐箐.燃氣與燃煤電廠主要污染物排放估算分析[J].環境工程, 2012,30(3):59-62.

[5] 王志軒,趙 毅,潘 荔,等.中國燃煤電廠NO排放估算方法及排放量研究[J]. 中國電力, 2009,42(4):59-62.

[6] 王書肖,邱雄輝,張 強,等.我國人為源大氣污染物排放清單編制技術進展及展望[J].環境保護, 2017,45(21):21-26.

[7] 李文青,鄭新梅,謝放尖,等.南京市電力行業大氣污染物排放清單建立及校驗分析[J]. 農業與生態環境, 2017,14:92-93.

[8] Zhao Y, Wang S, Duan L, et al. Primary air pollutant emissions of coal-fired power plants in China: Current ststus and future prediction [J]. Atmospheric Environment, 2008,42(36):8442-8452.

[9] Wang S W, Zhang Q, Streets D G, et al. Growth in NOemissions from power plants in China: Bottom-up estimates and satellite observations [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2012,12(10):4429-4447.

[10] Chen L, Sun Y, Wu X, et al. Unit-based emission inventory and uncertainty assessment of coal-fired power plants [J]. Atmospheric Environment, 2014,99(408):320-325.

[11] Liu F, Zhang Q, Tong D. High-resolution inventory of technologies, activities, and emissions of coal-fired power plants in China from 1990 to 2010 [J].Atmospheric Chemistry and Physics, 2015,15(23): 13299-13317.

[12] Zhao Y, Zhang J, Nielsen C P. The effects of recent control policies on trends in emissions of anthropogenic atmospheric pollutants and CO2in China [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013,13(2):487- 508.

[13] 劉 菲.基于衛星遙感的中國典型人為源氮氧化物排放研究[D].北京:清華大學, 2015.

[14] 孫洋洋.燃煤電廠多污染物排放清單及不確定性研究[D]. 杭州:浙江大學, 2015.

[15] 環境保護部.關于印發《“十二五“主要污染物總量減排核算細則》的通知(環發[2011]148號)[EB/OL]. http://www.njhb.gov.cn/ 43188/43189/43197/201401/t20140102_2431620.html, 2014-01-01.

[16] 電力工業統計資料匯編[R]. 北京:中國電力企業聯合會, 2011- 2015.

[17] 中華人民共和國環境保護部.2015年中國環境統計年報[M]. 北京:中國環境出本社, 2016.

[18] GB 13223-2011 火電廠大氣污染物排放標準[S].

[19] 刁貝娣,曾克峰,蘇攀達,等.中國工業氮氧化物排放的時空分布特征及驅動因素分析[J]. 資源科學, 2016,38(9):1768-1779.

[20] 王麗瓊.中國氮氧化物排放區域差異及減排潛力分析[J]. 地理與地理信息科學, 2010,26(4):95-103.

[21] 朱法華,薛人杰,朱庚富,等.利用排放績效分配電力行業SO2排放配額的研究[J].中國電力, 2003,36(12):76-79.

[22] 殷曉紅,陳 峰,佟 瑤,等.燃煤電廠脫硫煙氣在線監測系統煙氣流速測點的選擇[J]. 黑龍江電力, 2012,4(6):462-466.

[23] Ma Zizhen, Deng Jianguo, Li Zhen, et al. Characteristics of NOemission from Chinese coal fired power plants equipped with new technologies [J]. Atmospheric Environment, 2016,131:164-170.

Characteristics of NOemissions from coal-fired power plants in China from 2010 to 2015.

JIANG Chun-lai, SONG Xiao-hui, ZHONG Yue-zhi, WANG Yan-chao, LEI Yu*

(Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 100012, China)., 2018,38(8)：2903~2910

The activity data and technical information of coal-fired power units in China from 2011 to 2015 were collected. A NOemission calculating model and an emission database was developed for coal-fired power plants. And the NOemissions characteristics of coal-fired power plants in China from 2011~2015 were analysed. NOemissions increased from 10.73million tons in 2010 to 11.32million tons in 2011, then decreased in the following 4years, to 5.22million tons in 2015. The layout of NOemissions is uneven. Inner Mongolia, Shandong, Jiangsu, Jiangxi, Henan, Hebei and Liaoning contributed 48.8% of total NOemissions from Chinese coal-fired power plants in 2015. Shanghai, Jiangsu, Tianjin, Ningxia, Shandong, Zhejiang and Shanxi ranked top 7by emission intensity. Units with capacity between 300MW and 600MW contribute the largest part of NOemissions. The average NOemission performance of 100MW level units was 2.91g/kWh, and which of 1000MW level units was 0.48g/kWh. The larger units performs better in terms of emissions because they apply better technology and install more advanced pollution abatement facilities.

power plant；NO；emission characteristics；emission inventory；China

X511

A

1000-6923(2018)08-2903-08

蔣春來(1979-),女,黑龍江綏化人,副研究員,博士,主要從事大氣污染防治研究.發表論文30余篇.

2018-01-05

國家重點研發計劃大氣污染成因與控制技術研究專項(2016YFC0208400)

* 責任作者, 研究員, leiyu@caep.org.cn