燃?xì)怆姀S與超低排放燃煤電廠環(huán)境及生態(tài)效應(yīng)對比

范 沁 陳旭明 高 宇

中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200063

由于在短時(shí)間內(nèi)無法完全取代煤炭等化石能源的使用，因此，只能先行使用清潔的煤炭利用方式，比如，超低排放燃煤發(fā)電。截至目前，我國超過95%的燃煤火電廠已經(jīng)完成了超低排放的改造工作，但是這種改造是否達(dá)到了煤炭的清潔利用，是否真正起到了環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，還處于一種模糊的狀態(tài)，基于此，本文重點(diǎn)探討經(jīng)過超低排放改造的燃煤電廠與普通的燃煤電廠在環(huán)境方面以及生態(tài)方面的對比。

1 我國火電行業(yè)現(xiàn)有環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1 燃?xì)鈾C(jī)組大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

燃?xì)廨啓C(jī)組大氣污染物排放的濃度限值在國標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)為，煙塵的排放量是每立方米5毫克，二氧化硫每立方米35毫克。在國家標(biāo)準(zhǔn)之后，京津兩市以及深圳都設(shè)立了地方性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，并且出臺了一系列相關(guān)的文件，普遍來看，各個地方性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要比國家標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。延伸到全球范圍，我國的燃煤電廠超低排放標(biāo)準(zhǔn)位居世界前列，比經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的美國和歐盟還要嚴(yán)格。就燃?xì)廨啓C(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)來說，只有我國和美國對二氧化硫做出了嚴(yán)格的限制，其他國家沒有加入這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，并且其他國家忽視了對空氣污染嚴(yán)重的煙塵等污染物。就氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)來說，歐盟標(biāo)準(zhǔn)的上限高于美國，但是下限低于美國，美國和歐盟都要求企業(yè)只有降低了氮氧化物的排放，才可以獲得營業(yè)執(zhí)照。就氮氧化物來說，我國燃機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)與美國還有一定的距離[1]。

1.2 超低排放燃煤發(fā)電污染物排放標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

我國國家標(biāo)準(zhǔn)中對新建煤場的污染排放標(biāo)準(zhǔn)做出了如下的要求：二氧化硫每立方米100毫克，氮氧化物每立方米100毫克，在國標(biāo)中對重點(diǎn)控制區(qū)域的排放標(biāo)準(zhǔn)要求如下：二氧化硫每立方米50毫克，氮氧化物每立方米100毫克。我國燃煤電廠的超低排放改造正式施行于2014年，這項(xiàng)改造由國家發(fā)改委牽頭，由環(huán)保能源局支持，兩個部門共同制定出了相關(guān)計(jì)劃，在計(jì)劃中，提出了我國東部地區(qū)要率先完成超低排放改造，要嚴(yán)格要求燃煤電廠排放的煙塵、二氧化硫和氮氧化物的濃度，在該計(jì)劃中，各項(xiàng)大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)均低于此前設(shè)定的國家標(biāo)準(zhǔn)。我國的中部地區(qū)在大氣污染物排放上的標(biāo)準(zhǔn)僅次于東部地區(qū)，而西部地區(qū)又僅次于中部地區(qū)，截止2020年，我國絕大部分的燃煤電廠已經(jīng)完成了超低排放的改造。中央對燃煤電廠的改造工作高度重視，地方也響應(yīng)中央的號召，紛紛制定了地方性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，出臺了相關(guān)政策，要求經(jīng)過超低排放改造的燃煤電廠機(jī)組(見圖1)，在空氣中排放的煙塵每立方米不能高于5毫克，二氧化硫35毫克，氮氧化物50毫克[2]。

圖1 燃煤電廠機(jī)組

總而言之，我國的火電行業(yè)中，廣泛應(yīng)用了以超低排放為代表的污染控制技術(shù)，并且我國各個燃煤電廠污染排放的標(biāo)準(zhǔn)都相應(yīng)提高。縱觀各個地方政策和標(biāo)準(zhǔn)，對于燃?xì)獍l(fā)電的氮氧化物排放要求都極為嚴(yán)格，并且超低排放煤電的排放標(biāo)準(zhǔn)仍低于氣電。

2 燃?xì)怆姀S與超低排放燃煤電廠環(huán)境效益對比

2.1 大氣污染物對比

在比較分析超低排放燃煤電廠和燃?xì)怆姀S大氣污染物時(shí)，選擇了三種比較常見的污染物，一是煙塵、二是二氧化硫、三是氮氧化物。以山東省、江蘇省和廣東省三省部分燃機(jī)的污染物排放進(jìn)行調(diào)查之后，可知，這些燃機(jī)的大氣污染物排放均符合國家標(biāo)準(zhǔn)以及魯、蘇、粵三省的地方標(biāo)準(zhǔn)，但是同一類型的火電機(jī)組在污染物排放上存在的差異較為明顯。

就三省污染物的排放平均值來看，其中超低排放燃煤機(jī)組排放的煙塵、二氧化硫和氮氧化物均高于兩種不同級別的燃?xì)鈾C(jī)組，就具體的數(shù)值來說，煙塵平均的排放濃度，超低排放燃煤機(jī)組是燃?xì)鈾C(jī)組的2.4倍，二氧化硫?yàn)?9倍，氮氧化物為9倍。

在對比分析研究的過程中，要始終明確一點(diǎn)，即樣本中江蘇省的所有燃?xì)鈾C(jī)組并沒有安裝SCR(選擇性催化還原脫硝裝置)，因此，江蘇省的燃?xì)鈾C(jī)組在氮氧化物的排放上要高于北京市和深圳市，這兩個地區(qū)的燃?xì)鈾C(jī)組均已完成了相應(yīng)的改造。經(jīng)過改造之后，這兩個地區(qū)同時(shí)使用新型的低氮燃燒器(見圖2)，在雙管齊下的作用下，北京市的燃?xì)鈾C(jī)組氮氧化物排放濃度已經(jīng)下降到每立方米30或15毫克，而深圳市的燃?xì)鈾C(jī)組氮氧化物濃度已經(jīng)下降到每立方米15毫克。

圖2 低氮燃燒器

上述三種大氣污染物都比較常規(guī)，分析這三種污染物的實(shí)際排放水平可知，首先，煙塵和二氧化硫這兩種污染物的排放濃度，燃?xì)鈾C(jī)組明顯高于經(jīng)過超低排放改造的燃煤機(jī)組，尤其是二氧化硫，超低排放燃煤機(jī)組的含量甚至超出燃?xì)鈾C(jī)組的19倍之多；其次，燃?xì)鈾C(jī)組在沒有經(jīng)過SCR的改造之前，燃?xì)鈾C(jī)組和超低排放的燃煤機(jī)組之間區(qū)別不大，但是經(jīng)過SCR改造之后，并且使用了低氮排放之后，燃?xì)鈾C(jī)組的氮氧化物排放明顯低于超低排放的燃煤機(jī)組。將視角轉(zhuǎn)移至國外，國外的燃?xì)鈾C(jī)組不僅經(jīng)過了SCR的改造，使用了低氮的燃燒器，同時(shí)還注重燃?xì)馄焚|(zhì)的控制，因此，在多管齊下的舉措下，國外的燃?xì)鈾C(jī)組氮氧化物排放濃度甚至可以降至每立方米5毫克。從國外的經(jīng)驗(yàn)可知，我國燃?xì)鈾C(jī)組的氮氧化物排放濃度還有下降的空間，并且在技術(shù)上完全具備現(xiàn)實(shí)可行性，目前，我國燃?xì)鈾C(jī)組的改造正在進(jìn)行中[3]。

最后，我國實(shí)行的燃煤電廠超低排放的改造確實(shí)起到了重要的作用，我國電力行業(yè)整體大氣污染物排放量降低十分明顯，為我國大氣環(huán)境質(zhì)量的改善的貢獻(xiàn)頗豐，但是即使有所改善，就發(fā)電的清潔程度來說，超低排放的燃煤機(jī)組仍然無法與燃?xì)鈾C(jī)組相比。其原因在于我國燃?xì)鈾C(jī)組的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)格，高于了燃?xì)鈾C(jī)組的實(shí)際排放水平，尤其是煙塵、二氧化硫和氮氧化物等大氣污染物，這樣既不會起到激勵和約束燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的作用，也會對社會大眾產(chǎn)生誤導(dǎo)，認(rèn)為燃?xì)獍l(fā)電可以做到完全清潔化。

2.2 化合物重金屬污染物對比

根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的報(bào)告可知，在世界范圍內(nèi)，最大的汞污染來自于燃煤發(fā)電廠。汞是一種重金屬污染物，可以以液態(tài)和氣態(tài)存在，這種污染物的生物毒性極強(qiáng)，并且污染具有長期持續(xù)、可遷移、可沉積以及生物富集的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)導(dǎo)致甲基汞可以隨著食物鏈擴(kuò)散，最終匯聚于人類身體中，主要集中在血腦屏障上，進(jìn)而危害人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，在上世紀(jì)，爆發(fā)于日本的水俁病就是極為典型的案例。現(xiàn)階段，我國火電廠在大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)上，要求燃燒煤炭的電廠每立方米排放的汞化合物不能超過0.03毫克。除了汞之外，我國火電燃煤機(jī)組排放的污染物還包括鉛、砷、銻以及硒等重金屬元素，這些重金屬元素排放到大氣中會造成嚴(yán)重的重金屬污染，其最終的影響將直接作用于人類[4]。

2.3 三氧化硫污染對比

在燃燒煤炭的火電廠中，除了上述常見的大氣污染物以及汞等重金屬污染物之外，還有一個具有代表性的污染物是三氧化硫，單就毒性來說，這種化合物的毒性十倍于二氧化硫，在燃煤發(fā)電過程中產(chǎn)生的有色煙霧均來源于三氧化硫，三氧化硫與大氣中的水相溶，就會產(chǎn)生硫酸霧，進(jìn)而導(dǎo)致酸雨的形成。同時(shí)，三氧化硫在進(jìn)入空氣之后，會形成二次顆粒的硫酸鹽，在PM2.5中，這一固體顆粒物是重要的組成部分，嚴(yán)重威脅人體的呼吸道。燃煤電廠的三氧化硫排放濃度為每立方米0.3毫克至22.7毫克。目前，相關(guān)領(lǐng)域?qū)F霾的形成展開深入探討，其中不少專家提出，霧霾的產(chǎn)生原因之一就是燃煤電廠排放的可凝結(jié)顆粒物，但是這一論斷尚存在爭議，并且兩者之間的關(guān)聯(lián)還有待進(jìn)一步論證。截至目前，我國關(guān)于三氧化硫和可凝結(jié)顆粒的監(jiān)測尚存大量空白，為此，相關(guān)部門要予以高度的重視[5]。

2.4 其他污染對比

大氣污染物是燃煤電廠排放污染的主要類型，但是除此之外，在運(yùn)輸煤炭的過程中也會產(chǎn)生粉塵污染，在煤炭燃燒之后，固體和液體廢棄物不經(jīng)處理就排放到環(huán)境中也會對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在煤炭燃燒之后的固體廢棄物中，典型的兩種就是粉煤灰。與燃煤電廠相比，燃?xì)怆姀S無需使用煤炭，自然不需要煤炭的運(yùn)輸，并且燃?xì)獍l(fā)電不會產(chǎn)生過多的固體或者液體廢棄物，因此，就其他污染方面的清潔程度來說，燃?xì)怆姀S要優(yōu)于燃煤電廠。

3 燃?xì)怆姀S與超低排放燃煤電廠生態(tài)效應(yīng)對比

3.1 碳排放對比

根據(jù)世界能源統(tǒng)計(jì)年檢可知，我國在2019年，燃燒所有化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳排放量超出了全球的四分之一，在所有的二氧化碳排放中，百分之四十是由電力行業(yè)產(chǎn)生。單就二氧化碳的排放水平來說，燃煤電廠的二氧化碳排放量甚至兩倍于燃?xì)怆姀S。除了使用的發(fā)電材料不同之外，燃?xì)怆姀S發(fā)電效率較高、燃?xì)馊剂系霓D(zhuǎn)換這兩項(xiàng)因素也與燃?xì)怆姀S二氧化碳排放較低有關(guān)，因此，為了降低我國總體的碳排放量，只需要在電力行業(yè)讓燃?xì)獍l(fā)電取代燃煤發(fā)電即可。

減少電力行業(yè)碳排放的水平可以從火力發(fā)電的碳排放入手。現(xiàn)階段，我國正在將重點(diǎn)集中在碳捕捉和碳封存技術(shù)上，但是這兩種技術(shù)目前仍舊停留在實(shí)驗(yàn)室階段，難以大規(guī)模商業(yè)化推廣使用。無論是碳捕捉還是碳封存，歸根結(jié)底是末，而本是優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，提高燃?xì)獍l(fā)電以及可再生能源發(fā)電電力行業(yè)中的比重。現(xiàn)階段，歐洲的不少國家都提出要退出煤電，最晚在2030年全部退出煤電，我國也承諾不再增加燃煤發(fā)電廠，并且努力達(dá)到碳中和[6]。

3.2 資源消耗對比

雖然火力發(fā)電需要煤炭和天然氣的燃燒，但是也需要大量的水用于冷卻和清潔，在我國工業(yè)用水中，接近五分之一的水被消耗于火力發(fā)電行業(yè)，并且在全國范圍內(nèi)，超過半數(shù)的火電廠被修建于過度取水的地區(qū)，導(dǎo)致水資源的供需矛盾持續(xù)深化。參照我國電力企業(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，我國的火電廠發(fā)電平均的水資源消耗量為1.4kg/千瓦時(shí)。如果使用燃?xì)獍l(fā)電，經(jīng)過節(jié)水改造和廢水處理回收再利用等相關(guān)措施處理之后，每千瓦時(shí)的水資源消耗量可以降低至1kg并且，燃煤電廠的占地面積比燃?xì)怆姀S的占地面積大了三倍，因此，在我國東部地區(qū)，用電需求極大，同時(shí)土地資源緊缺，在這種情況下，為了滿足電力需求，可以建立燃?xì)怆姀S[7]。

4 相關(guān)建議

4.1 提供政策支持

國家相關(guān)部門要注重煤炭消耗總量的控制，新增的電力裝機(jī)需求盡量以可再生能源發(fā)電與燃?xì)獍l(fā)電為主。同時(shí)，鼓勵燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)項(xiàng)目的建設(shè)，將三氧化硫和其他重金屬污染物納入到電力行業(yè)污染物排放的限制范圍中，完善現(xiàn)有的火力發(fā)電行業(yè)中各類污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 提高污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

在火力發(fā)電過程中排放的氮氧化物是霧霾中PM2.5的主要來源，因此，為了改善城市環(huán)境，需要持續(xù)加強(qiáng)對氮氧化物排放的控制、在修訂國家標(biāo)準(zhǔn)的過程中，可以參照地方已有的標(biāo)準(zhǔn)，比如北京市火力發(fā)電行業(yè)的氮氧化物的排放限制標(biāo)準(zhǔn)，在全國范圍內(nèi)將氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為每立方米15毫克。同時(shí)，可以適當(dāng)放寬對燃機(jī)煙塵和二氧化硫的限制，這樣可以在一定程度上降低監(jiān)控和執(zhí)法過程中消耗的無用成本[8]。

4.3 發(fā)揮碳市場作用

國家層面要加緊在全國范圍內(nèi)建立起碳市場并盡快完善，設(shè)定市場標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格，充分利用碳排放價(jià)格創(chuàng)造出一個更加公平的碳市場，讓我國的電力企業(yè)加快轉(zhuǎn)型，朝著低碳電力結(jié)構(gòu)努力。

4.4 充分利用燃煤電廠超低排放技術(shù)

對于不能在短時(shí)間內(nèi)完成改造的大量燃煤發(fā)電廠，可以推廣以下幾項(xiàng)超低排放技術(shù)，盡量降低污染的排放，包括高效除塵技術(shù)、高效脫硫技術(shù)、高效脫硝技術(shù)。

5 結(jié)束語

通過文章的分析和研究可知，即使經(jīng)過了超低排放的處理，我國燃煤電廠的大氣污染物排放濃度、化合物重金屬排放濃度、三氧化硫排放濃度以及其他污染物的排放濃度均無法與燃?xì)怆姀S先比，同時(shí)，燃?xì)怆姀S比燃煤電廠消耗的水資源更少，需要的土地資源更少，并且碳排放量也少于燃煤發(fā)電。因此，在未來的發(fā)展過程中，國家層面應(yīng)當(dāng)予以政策支持，提高污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，充分發(fā)揮碳市場的作用以及充分利用超低排放技術(shù)。