煤炭利用中污染物排放情景分析

程 婧 陳思源 李偉起 周 奎

(1.國華電力研究中心，北京市朝陽區(qū), 100025；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京市海淀區(qū), 100084；3.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川省成都市，610000)

隨著人民生活水平的提高，在關(guān)注經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也越來越重視生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。我國自然資源的特點(diǎn)是富煤、貧油、少氣，煤炭消費(fèi)在一次能源消費(fèi)中所占比重高達(dá)60.4%，遠(yuǎn)高于世界27.6%的平均水平；而石油消費(fèi)、天然氣消費(fèi)和非化石能源消費(fèi)的占比分別為19.4%，6.6%和13.6%，遠(yuǎn)低于世界平均水平。大量的煤炭消費(fèi)，尤其是部分低效、粗放的煤炭利用，產(chǎn)生了大量的空氣污染物，嚴(yán)重危害了生態(tài)環(huán)境。和發(fā)達(dá)國家相比，我國仍處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段，未來對(duì)于能源的需求仍將處于快速增長階段。在能源消費(fèi)仍將快速增長的前提下，改善我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上減少污染物排放量，例如減少煤炭散燒利用并增加電煤比例以及將煤炭消費(fèi)用天然氣替代。除此之外，污染物終端排放技術(shù)的進(jìn)步和全范圍普及也是控制污染物排放量的重要措施。由此可見，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、污染物終端排放處理技術(shù)等因素都是影響未來污染物排放總量的重要因素。為了控制污染物排放在環(huán)境容量允許范圍內(nèi)，有必要對(duì)上述因素對(duì)未來污染物排放總量的影響進(jìn)行科學(xué)的分析。

本研究將重點(diǎn)分析在不同能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)下，污染物排放終端處理技術(shù)在煤炭利用氮氧化物(NOx)和硫化物(SOx)排放量的情景分析。

1 研究方法

環(huán)保部頒發(fā)的《大氣細(xì)顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南(試行)》中給出了排放清單的標(biāo)準(zhǔn)定義：“排放清單是指各種排放源在一定的時(shí)間跨度和空間區(qū)域內(nèi)向大氣中排放的大氣污染物的量的集合”。排放量的計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：E——污染物排放量，t；

A——活動(dòng)水平(一般指能源消耗量)，萬t；

EF——排放因子，kg/t；

η——脫除率， %；

i、j、k——分別表示地區(qū)、部門和能源品種。

根據(jù)式(1)可知，首先應(yīng)獲得特定區(qū)域和特定行業(yè)的每種能源品種的消費(fèi)量以及相對(duì)應(yīng)的排放因子，然后計(jì)算出每種污染物的排放量，從而匯總成最終整個(gè)區(qū)域一段時(shí)間內(nèi)的排放清單。本研究重點(diǎn)關(guān)注我國煤炭利用中產(chǎn)生的污染物排放，計(jì)算不同情景下未來中國煤炭利用NOx和SOx排放趨勢，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出減排措施和建議。

2013年我國煤炭流向圖如圖1所示。

由圖1可以看出，煤炭用于電力熱力的消費(fèi)量為19億t實(shí)物量，占煤炭消費(fèi)總量的44.7%；煤炭用于黑色金屬冶煉、非金屬礦業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品的消費(fèi)量分別為3.45億t、3.16億t和2.58億t，所占比例分別為8.1%、7.5%和6.1%。由此可見，煤炭消費(fèi)主要用于電廠、鋼鐵、非金屬礦業(yè)以及化工這4個(gè)部門，也是本研究主要關(guān)注的部門。煤炭用于其它部門的排放通過煤炭消耗量和相應(yīng)的NOx和SOx排放統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行估算。

圖1 2013年我國煤炭流向圖

對(duì)于我國未來煤炭利用中的污染物排放，本研究采用情景分析的方法，計(jì)算分析基準(zhǔn)情景以及環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)情景、環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)及電煤比例提高情景，環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)、電煤比例提高及天然氣替代情景下的污染物排放量趨勢。基準(zhǔn)情景下未來能源消費(fèi)情況設(shè)定如下：截止到2020年，我國GDP平均增速設(shè)定為6.9%，2020-2030年的GDP年均增速為4.5%，單位GDP能耗強(qiáng)度下降率設(shè)定為3.45%。在此情景下，2030年我國能源消耗總量將達(dá)到57億t標(biāo)準(zhǔn)煤，基準(zhǔn)情景下未來我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)見表 1。本研究中煤炭消費(fèi)預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)有其他文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比如圖 2所示。

表1基準(zhǔn)情景下未來我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)%

年份煤炭石油天然氣非化石20136717511202059161015203050151520

圖2 未來煤炭消費(fèi)量結(jié)果對(duì)比

2 煤炭利用NOx排放情景分析

2013年我國全年NOx排放總量為2227萬t，煤炭消費(fèi)所產(chǎn)生的NOx排放分別占全部排放量的75%。有專家提出我國燃煤NOx的排放量在2020年和2030年將分別控制在1315萬t和960萬t。我國燃煤鍋爐基本采用低氮燃燒技術(shù)、SNCR和SCR來降低NOx排放量，3種技術(shù)的脫硝率分別為30%、50%和80%。2013年，電廠、鋼鐵、非金屬礦業(yè)、化工這4個(gè)部門煤炭消費(fèi)的無控排放因子分別為10.67 kg/t、10.31 kg/t、10.24 kg/t和6.59 kg/t，4個(gè)部門使用不同脫硝設(shè)施的比例見表2。

表2 2013年3種脫硝技術(shù)在不同部門的應(yīng)用比例%

脫硝技術(shù)電廠鋼鐵非金屬礦業(yè)化工低氮燃燒90905090SNCR3040550SCR3050040

通過設(shè)定不同的脫硝技術(shù)在不同部門的應(yīng)用比例，本研究對(duì)基準(zhǔn)情景、環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)情景、環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)及電煤比例提高情景，環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)、電煤比例提高及天然氣替代情景下的NOx排放進(jìn)行了計(jì)算分析。其中，環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)情景下各種脫硝技術(shù)在不同部門的應(yīng)用比例見表3。

表3 2030年3種脫硝技術(shù)在不同部門的應(yīng)用比例%

脫硝技術(shù)電廠鋼鐵非金屬礦業(yè)化工低氮燃燒100100100100SNCR35204040SCR65801560

由表3可以看出，環(huán)保技術(shù)加強(qiáng)情景下，低氮燃燒技術(shù)將逐漸完全適用于上述4個(gè)煤炭消費(fèi)部門，2030年SNCR在4個(gè)部門中所使用的比例逐漸提高至35%、20%、40%和40%，2030年SCR在4個(gè)部門中所使用的比例將逐漸升高至65%、80%、15%和60%。

在環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)及電煤比例提高情景下，煤電的消費(fèi)比例將由2013年的45%上升到2020年的55%和2030年的65%；在環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)、電煤比例提高及天然氣替代情景下，天然氣消費(fèi)比例將由2013年的5%上升至2020年的10%和2030年的15%。上述4種情景下的煤炭利用NOx排放計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同情景下煤炭利用NOx排放計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)比幾種情景下煤炭利用NOx排放量可知，環(huán)保技術(shù)的提高對(duì)減少NOx排放的作用最為重要，將使2020年的NOx排放量從1690萬t降至1080萬t。而在環(huán)保技術(shù)提高的基礎(chǔ)上，逐漸增加電煤消耗比例將會(huì)進(jìn)一步減少NOx排放量至1050萬t。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展天然氣替代將會(huì)使煤炭消耗的NOx排放量降至940萬t，可實(shí)現(xiàn)2020年的減排目標(biāo)。到2030年，相對(duì)于基準(zhǔn)情景下1700萬t的NOx排放，3種污染物減排情景下煤炭利用中的NOx排放將分別降低至894萬t、801萬t和642萬t。若假設(shè)煤炭消費(fèi)的NOx排放占總排放量的60%，則在環(huán)保技術(shù)加強(qiáng)、電煤比例提高及天然氣替代情景下，2030年全國NOx總排放量將降低至1070萬t，低于1260萬t的環(huán)境容量。

3 煤炭利用SOx排放情景分析

2013年，我國SOx排放量為2043萬t，煤炭消耗的SOx排放占全部SOx排放的93%。我國燃煤鍋爐基本采用濕法、半干法和干法脫硫設(shè)施來降低SOx排放量，3種技術(shù)的脫硫率分別為93%、82%和80%。2013年，我國煤炭用于電力熱力和黑色金屬冶煉的無控排放因子分別為15.3 kg/t和12.48 kg/t，用于非金屬礦業(yè)和化工產(chǎn)業(yè)的無控排放因子分別為12.16 kg/t和11.16 kg/t。4個(gè)部門使用不同脫硫設(shè)施的比例見表4。

表4 2013年3種脫硫技術(shù)在不同部門中所占比例%

脫硫技術(shù)電廠鋼鐵非金屬礦業(yè)化工濕法73353540半干法3101010干法6101015

本研究對(duì)基準(zhǔn)情景、環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)情景、環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)及電煤比例提高情景以及環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)、電煤比例提高及天然氣替代情景下的SOx排放進(jìn)行了計(jì)算分析。在環(huán)保技術(shù)政策加強(qiáng)情景下，預(yù)計(jì)2030年3種脫硫技術(shù)在不同部門所占比例見表5。

表5 2030年3種脫硫技術(shù)在不同部門中所占比例%

脫硫技術(shù)電廠鋼鐵非金屬礦業(yè)化工濕法90606570半干法4252020干法6101010

預(yù)計(jì)2030年濕法脫硫技術(shù)在4個(gè)部門中所使用的比例逐漸提高至90%、60%、65%和70%，2030年半干法脫硫技術(shù)在4個(gè)部門中所使用的比例逐漸提高至4%、25%、20%和20%。

電煤比例提高情景和天然氣替代情景與上節(jié)中NOx排放情景分析中設(shè)定一致。在此設(shè)定下，未來煤炭消耗的SOx排放計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同情景下煤炭利用SOx排放計(jì)算結(jié)果

由圖4可以看出，加強(qiáng)環(huán)保技術(shù)將會(huì)使得2020年的SOx排放量從基準(zhǔn)情景下的2020萬t降至1536萬t，而提高電煤比例將會(huì)使SOx排放量進(jìn)一步降至1384萬t，加大天然氣替代會(huì)使得SOx的排放量降低至1274萬t，可實(shí)現(xiàn)2020年的減排目標(biāo)。到2030年，相對(duì)于基準(zhǔn)情景下2068萬t的SOx排放，3種污染物減排情景下煤炭利用中的SOx排放將分別降低至1284萬t、984萬t和866萬t。若假設(shè)煤炭消費(fèi)的SOx排放占總排放量的80%，則在環(huán)保技術(shù)加強(qiáng)、電煤比例提高及天然氣替代情景下，2030年全國SOx總排放量將降低至1083萬t，低于1360萬t的環(huán)境容量。

4 結(jié)論

近年來，中國由于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展帶來能源消費(fèi)量的大幅上升，但與此同時(shí)也產(chǎn)生了大量的污染物，嚴(yán)重危害了生態(tài)環(huán)境安全。由于我國一次能源消費(fèi)主要是煤炭，且煤炭相對(duì)于其他能源更易產(chǎn)生污染物，因此我國的NOx和SOx排放量中大部分是煤炭利用產(chǎn)生的。如果不對(duì)煤炭污染物排放加以控制，按照目前的發(fā)展趨勢，到2030年我國煤炭利用中的NOx和SOx排放量將上升至1700萬t和2068萬t，大大超出了環(huán)境容量。

因此，為了防止生態(tài)環(huán)境被進(jìn)一步破壞，必須加大污染物控制力度，一方面要調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，另一方面要進(jìn)一步提升和推廣污染物排放控制技術(shù)。情景分析結(jié)果表明，若未來大力推廣低氮燃燒、SNCR和SCR脫硝技術(shù)和濕法、半干法、干法脫硫技術(shù)，可將2030年煤炭利用中的NOx和SOx排放量降低至894萬t和1284萬t。若在此基礎(chǔ)上提高電煤消耗比例并發(fā)展天然氣替代，NOx和SOx排放量將進(jìn)一步降低至642萬t和866萬t。在此情況下，全國NOx和SOx總排放量將低于環(huán)境容量，空氣質(zhì)量將實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)。由此可見，在調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過在煤炭消耗部門推廣環(huán)保設(shè)施，集中處理煤炭利用產(chǎn)生的污染物，可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的污染物減排效果。