300 MW燃煤電廠生命周期排放氣態有機污染物環境影響

岳樸杰,孟 磊,王長清,谷小兵,白玉勇,彭 婭，楊 晴

(1.大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097；2華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國“節約、清潔、安全”的能源生產和消費革命的發展，國家大力推進煤電節能減排升級與改造行動計劃，目前，我國絕大多數的燃煤電廠配備了脫硫脫硝除塵設備[1]，燃煤電廠常規污染物煙塵、SO2和NOx的排放質量濃度分別不高于10、35和50 mg/m3[2]，然而非常規污染物排放卻一直被忽視。氣態有機污染物是燃煤電廠煙氣中普遍存在的非常規污染物，是城市煙霾和光化學煙霧的重要前驅體[3]。氣態有機污染物種類復雜，主要包括易揮發性有機物VVOCs(二氯甲烷、戊烷、氯甲烷和二氯乙烷等)、揮發性有機物VOCs(甲苯及衍生物、非甲烷總烴、芳烴類、酯類和醛類等)、半揮發性有機物SVOCs(多環芳烴、硝基苯類、二英類、多氯聯苯類等)和顆粒有機物POMs(二英類、五環以上多芳烴等)。大氣中高濃度的氣態有機污染物往往是造成空氣質量差的主要原因，以此損害人體皮膚、肝臟和中樞神經系統等[4-8]。

當前國內外有關氣態有機污染物的研究主要針對工業源氣態有機污染物、室內氣態有機污染物等[9-10]，但我國燃煤電廠發電仍占主導作用。2018年煤炭年消耗量高達2 000 Mt，近10 a以3.97%的年均增長率增長[11]。燃煤電廠是中國工業氣態有機污染物的主要來源，2016年，全國工業來源的氣態有機污染物排放總量估計為2.104×107t，燃煤電廠氣態有機污染物的排放量占工業氣態有機污染物總排放量的4.1%[12]。根據碳簡報(Carbon Brief)網站電廠查詢可知，全國300、600和1 000 MW電廠分別有813、365和133個機組，代表了全國79.40%的燃煤電廠。其中，300 MW燃煤機組的裝機容量占全國總燃煤裝機容量的34.70%，是數量最多、分布最廣的電廠類型，其帶來的氣態有機污染物對環境的影響不容忽視。

生命周期環境影響評價由于其包容性強、評價面廣以及系統性強等優點，已成為當今最受歡迎的環境影響評價方法之一，被廣泛用于評價不同燃煤發電技術。2005年，郝麗芬等[13]運用生命周期評價方法對660 MW的超超臨界燃煤電廠進行了環境影響分析，首次揭露了我國超超臨界燃煤電廠生命周期排放的SO2、NOx、灰渣和煙塵的總量比常規電廠的排放總量低。此后，武民軍[14]和李嬌[15]也相繼對循環流化床燃煤電廠及煤粉爐電廠等進行了生命周期評價研究。其后人們紛紛轉向探究燃煤電廠污染控制設備帶來的生命周期環境影響以及分析燃煤電廠生命周期CO2、SO2等常規污染物帶來的環境影響[16-20]。但前人研究大多只關注燃煤電廠常規污染物帶來的環境危害，通常對全球變暖(GWP)、臭氧消耗(ODP)、人體毒性(HTP)、淡水生態毒性(FAETP)、酸化(AD)和水體富營養化(EP)多方面進行評價，鮮見氣態有機污染物排放造成的潛在環境影響的量化研究[21-23]，燃煤電廠有機污染物作為國家重點戰略研究計劃之一，評估直接和間接氣態有機污染物排放總量以及環境影響至關重要。

針對上述問題，為了辨識300 MW燃煤發電系統中氣態有機污染物排放強度較高的關鍵過程，指明系統優化方向，筆者通過詳細、可靠的燃煤電廠氣態有機污染物排放清單編制和生命周期環境影響評估，為權威部門和決策者制定切實有效的減排政策提供數據支撐和科學依據。

1 生命周期環境影響評價理論及模型構建

1.1 目標與范圍確定

為評價我國燃煤電廠的氣態有機污染物排放的生命周期環境影響，選取我國某2×300 MW超臨界燃煤電廠作為典型案例進行研究。功能單位定義為由燃煤發電系統輸出1 MWh的電力。電廠使用壽命為30 a。LCA涵蓋了煤炭開采和分選、煤炭運輸、燃煤發電系統、煙氣凈化系統和廢水處理系統的有機污染物排放。煙氣凈化系統包括結合選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置、石灰石-石膏脫硫裝置(FGD)和靜電除塵器(ESP)。

1.2 系統邊界

分析了燃煤電廠氣態有機污染物排放環境影響。燃煤電廠的生命周期系統如圖1所示。(圖中虛擬的黑色外框為系統邊界，WESP為濕式靜電除塵器)。分析涵蓋煤炭最終轉化為電能前的上游過程，包括煤炭開采和分選、煤炭運輸、電廠及設備制造及輔助材料生產、在生命周期中使用的石油和鋼鐵等制造。為了研究煙氣污染控制裝置(APCDs)的實施對潛在減少有機污染物排放的可能影響，將APCDs過程作為獨立的單元從整個系統中分離出來進行詳細評估。使用德國斯圖加特大學和PE-INTERNATIONAL共同開發的Gabi軟件對燃煤電廠進行LCA建模。

圖1 燃煤電廠生命周期排放氣態有機污染物系統Fig.1 Life cycle system diagram of gaseous organic pollutants emissions from coal-fired power plant

1.3 清單建立

燃煤發電過程中的能耗物耗清單數據均來自文獻調研、統計年鑒、工程規范、企業可行性報告和Gabi數據庫等見表1，詳細包含了燃煤發電過程中所有階段排放氣態有機污染物所涉及的輸入或輸出數據清單。燃煤電廠采用不同燃燒技術后直接釋放的氣態有機污染物為直接排放過程，該過程的氣態有機污染物排放數據來自實地數據采集，燃煤電廠在建設或運營階段涉及到的煤炭開采和運輸、原材料設備等制造過程所排放的氣態有機污染物為間接排放過程，這些上游過程的氣態有機污染物排放數據均來自Gabi數據庫。

煤炭運輸方式為鐵路、公路和水路，比例分別為70.60%、10.30%和19.10%[24]。鐵路機車的驅動模式又分為柴油驅動(55%)和電能驅動(45%)[25]。由于Gabi數據庫中，鐵路、公路和水路的柴油消耗因子較大，因此選用中國的消耗因子來計算該階段。鐵路的柴油和電力平均消耗因子分別為2.49和0.011 2 g/(t·km)[26]，公路卡車和水路海輪的柴油消耗平均因子分別為33.80和2.80 g/(t·km)[23]，煤炭的平均運輸距離數據來自《2018中國統計年鑒》。鐵路、公路和水路的平均運距為651、181和1 477 km。將表1所有輸入輸出清單數據導入Gabi軟件中建模即可核算出燃煤電廠生命周期氣態有機污染物排放量。

1.4 影響評價

生命周期影響評價(LCA)如今已被擴展至能源、環境、經濟和資源評價，根據ISO140042建立的框架，將環境影響評價歸為3個步驟：分類、特征化和量化評估。生命周期影響評價的實質是對清單結果中的數據進行統一的定性或定量分析，以此來評價研究對象潛在的環境影響。采用可接受性最強的CML2001標準體系對燃煤電廠生命周期氣態有機污染物排放造成的環境影響進行分析和評價。根據燃煤電廠的發電特點、氣態有機污染物的排放機理、研究的目的與范圍，選擇潛在全球變暖效應 (GWP)、人體毒性 (HTP)、光化學臭氧合成(POCP)、臭氧層消耗(ODP)、海洋生態毒性(MAETP)、淡水水生生態毒性潛值(FAETP)和陸地生態毒性潛值(TETP)7類作為燃煤電廠生命周期氣態有機污染物的評價環境影響類型。

1.4.1 特征化

特征化是針對每一種確定的環境影響類型中的清單數據依據特征化因子轉化為統一的單元，將特征化因子乘以每一種排放物的量即得量化的指標結果。各類環境影響特征化結果在Gabi軟件中運行得出。特征化計算公式如下:

EPi(j)=∑[EFi(j)yQi(j)y]，

(1)

式中，EPi(j)為燃煤電廠生命周期內第i個過程中排放的氣態有機污染物對應的第j種環境影響類型特征化數值；EFi(j)y為燃煤電廠生命周期內第i個過程中y種氣態有機污染物在j種環境影響類型中的當量因子；Qi(j)y為燃煤電廠生命周期內第i個過程中y種氣態有機污染物排放量。

1.4.2標準化

由于各環境影響類型的特征化結果單位不統一，無法對其環境影響潛值進行兩兩對比，更不能判斷燃煤電廠在生命周期過程中哪種環境影響類型危害最大，因此采用標準化方法對各環境影響的特征化結果進行處理，提供一個可互相比較的基準，進而確定每種環境影響類型的貢獻。以CML2001基準體系中的全球環境影響基準值作為標準化因子，具體環境影響類型的標準化基準見表2，標準化的計算公式如下：

NPi(j)=EPi(j)/NRi(j)，

(2)

式中，NPi(j)為燃煤電廠生命周期內第i個過程中排放的氣態有機污染物對應的第j種環境影響類型的標準值；NRi(j)為燃煤電廠生命周期內第i個過程中排放的氣態有機污染物對應的第j種環境影響類型的標準化基準。

表2 環境影響類型的標準化因子

1.4.3加權

為評估每種影響類型的程度大小需賦予的影響類型以權重值，將不同環境影響類型標準化后的結果乘以各自的權重因子，通過加權過程可得總體環境影響的量化結果。采用Gabi軟件中CML2001的環境影響權重值，各項環境影響潛值權重值見表3。由于CML2001基準體系中只有4種環境影響類型具有權重因子數據，因此只研究這4種環境影響類型的加權結果：

(3)

式中，WPi(j)為燃煤電廠生命周期內第i個過程中排放的氣態有機污染物對應的第j種環境影響類型加權結果；WFi(j)為燃煤電廠生命周期內第i個過程中排放的氣態有機污染物對應的第j種環境影響類型的權重因子。

表3 環境影響類型權重因子

2 清單結果分析

目前不同燃煤電廠的不同燃燒技術、不同氣態有機污染物監測設備和分析技術的分析較少，沒有完整且全面的燃煤電廠直接氣態有機污染物排放數據庫。首次從第三方合作機構獲取了電廠氣態有機污染物監測數據。同時，借助Gabi軟件獲取電廠上游數據，建立了基于生命周期的300 MW典型燃煤電廠氣態有機污染物排放模型。排放清單結果見表4。

表4 燃煤電廠生命周期各階段氣態有機污染物排放清單Table 4 Emission inventory of gaseous organic pollutants at various stages of life cycle coal-fired power plant

由表4可知，2017年300 MW燃煤電廠生命周期排放氣態有機污染物總量約為9.99×10-3kg/MWh，其中煤炭開采和分選、煤炭運輸、燃煤發電系統、煙氣凈化系統和廢物處理系統的氣態有機污染物排放量分別為3.82×10-3、1.52×10-3、3.87×10-3、6.70×10-4和1.15×10-4kg/MWh，燃煤發電系統貢獻位居首位，占總排放量的38.69%。值得注意的是，燃煤發電過程中間接排放是直接排放的1.64倍，占總排放量的62.16%，而該值在大多數文章中被忽略。進一步研究發現煤炭開采階段是間接排放貢獻最大階段，占總排放的38.24%，主要由于大量電力、原煤等被消耗。從全年看，該電廠年凈發電量為2.94×106MWh，2017年氣態有機污染物總排放量高達29.40 t。

3 環境影響結果評價

3.1 特征值結果分析

燃煤電廠的特征化分析是環境影響評價最關鍵的環節之一，主要作用在于定量核算各階段排放的氣態有機污染物對不同環境影響的潛值貢獻。基于氣態有機污染物排放清單結果，選用Gabi 軟件中CML2001模型中特征化因子，利用式(1)計算得到燃煤電廠生命周期氣態有機污染物排放環境影響特征化結果。燃煤電廠每產生1 MWh電，由生命周期排放的氣態有機污染物造成的光化學臭氧產生潛值(POCP)、陸地生態毒性潛值(TETP)、全球變暖潛值(GWP)、海洋生態毒性潛值(MAETP)、人體毒性潛值(HTP)、淡水水生生態毒性潛值(FAETP)和臭氧層消耗潛值(ODP)分別為2.74×10-3kg C2H4eq、9.86×10-5kg DCB eq、3.26×10-3kg CO2eq、1.02×10-2kg DCB eq、0.369 kg DCB eq、9.75×10-4kg DCB eq和7.28×10-10kg R11 eq(eq為標準當量)。

300 MW燃煤機組生命周期氣態有機污染物排放環境影響特征化貢獻如圖2所示。由圖2可知，煤炭開采和分選階段對環境的影響最大，在POCP、TETPP、MAET和FAETP四種環境影響類型中，占比均達75%以上，這一結果是由于煤炭開采和分選過程中消耗大量電及煤炭所致。在GWP和ODP兩種環境影響類型中，燃煤發電系統主要貢獻者占比分別達92.31%和62.94%，由于電廠運行階段會燃燒大量煤，排放的氣態有機污染物對環境造成直接影響。煤炭運輸階段造成的環境影響主要是POCP和TETP，主要消耗大量柴油所致。此外，研究發現，煙氣凈化系統帶來的環境影響主要是HTP和ODP，占比均達33%以上，在該系統運行過程中會消耗大量的液氨和石灰石。可見煙氣凈化系統在減少氣態有機污染物排放同時，會危害人體健康。

圖2 300 MW燃煤機組生命周期氣態有機污染物排放環境影響特征化貢獻Fig.2 Characterized contribution to the environmental impact of gaseous organic pollutants emissionin the life cycle of a 300 MW coal-fired unit

3.2 標準值結果分析

通過對每種環境影響特征化結果進行無量綱處理，即標準化，使各環境影響類型之間具有可比性，可進一步衡量燃煤電廠生命周期排放氣態有機污染物的各種影響類別對環境的危害程度。以Gabi 軟件中CML2001模型中的全球環境影響基準值為標準化因子，利用式(2)計算得到燃煤電廠生命周期氣態有機污染物排放環境影響標準化結果見表5。由表5可知，燃煤電廠生命周期氣態有機污染物排放計算得出的POCP、TETP、GWP、MAETP、HTP、FAETP和ODP環境影響類型的標準化值分別為7.43×10-14、9.05×10-17、7.72×10-17、5.21×10-17、1.43×10-13、4.13×10-16和3.21×10-18。對環境的危害程度最大的環境影響類型是是POCP和HTP，二者之和是其余5種環境影響類型總危害的341.42倍，原因為氣態有機污染物的排放主要造成光化學污染和人體毒性危害。

表5 燃煤電廠生命周期氣態有機污染物排放環境影響標準化值

3.3 加權結果分析

為評價燃煤電廠生命周期排放氣態有機污染物對環境的總體影響，需賦予每種環境影響類型不同的權重，選取CML2001模型中的權重因子，利用式(3)計算得到燃煤電廠生命周期氣態有機污染物排放環境影響加權結果，如圖3所示。由圖3可知，在4種環境影響類型中，POCP對總環境影響水平的貢獻最大，占比高達50.63%，其中煤炭開采階段和煤炭運輸是POCP的主要貢獻者，由于在煤炭開采和運輸過程中消耗了大量煤、電力和柴油等，同時釋放氣態了大量的甲苯、二甲苯、丙烯、丙烷等有機污染物。其次，對總環境影響貢獻第2的為HTP，占比高達47.82%。煙氣凈化系統是HTP主要的貢獻者。由于在煙氣凈化系統運行過程中，大量液氨、石灰石等輔助性材料消耗，排放了大量多環芳烴、二英、多氯代二苯并二英和苯等氣態有機污染物。與之相比，GWP和ODP對總環境影響的貢獻則很低，二者之和占總環境影響的比例不到2%。

圖3 燃煤電廠生命周期排放氣態有機污染物的各環境影響類型加權Fig.3 Weighted sizes of various environmental impact typesof gaseous organic pollutants discharged from coal-firedpower plants during their life cycles

3.4 敏感性分析

根據上文有機污染物排放清單結果和環境影響評價結果，將燃煤發電運行階段的煤炭耗量、煤炭運輸階段的柴油耗量、煤炭開采階段的電耗量、油耗量作為敏感性變量，將4個敏感性變量的數據分別增加和減少10%和20%，探究ODP、HTP、GWP和POCP以及總環境影響的變化量，如圖4所示，可知4個變量對總環境影響的大小依次是煤炭量(電廠運行)、電量(煤炭開采)、柴油量(運輸)和油量(煤炭開采)。其中煤炭量(電廠運行)的變化對總環境影響最大，主要造成POCP和HTP危害，煤炭量每增加或減少20%，排放的有機污染物造成的POCP 潛值和HTP潛值分別變化了7.73×10-15和2.27×10-15，占生命周期總環境影響潛值的31%和13%。煤炭開采階段的電消耗對總環境的影響位居第2，對總環境的影響潛值相當于煤炭量總環境影響潛值的一半。剩余2個敏感性因子的變化對總環境影響要忽略，暫不討論。

圖4 燃煤電廠生命周期有機污染物排放的環境影響敏感性分析Fig.4 Environmental impact sensitivity analysis of organicpollutant emission in the life cycle of coal-fired power plant

4 結 論

1)2017年某300 MW燃煤電廠生命周期排放氣態有機污染物總量約為9.99×10-3kg/MWh，燃煤發電系統貢獻位居首位，占總排放的38.69%。間接排放明顯高于電廠運行階段的直接排放，占總排放的62.16%。

2)煤炭開采和分選階段對環境的影響最大，在POCP、TETP、MAET和FAETP四種環境影響類型中，占比均達75%以上，燃煤發電系統主要造成GWP和ODP影響，煤炭運輸主要帶來POCP和TETP危害，煙氣凈化系統主要帶來HTP和ODP危害，敏感性分析結果顯示，電廠運行階段煤炭消耗變化量對總環境影響最大。

3)POCP和HTP是對環境危害程度最大的影響類型，分別占總環境影響潛值的50.63%和47.82%，二者之和是其余5種環境影響類型總危害的341.42倍。