河北省燃煤電廠大氣污染物近零排放的工程實踐及社會效益研究

陳云峰 徐會軍

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京市昌平區(qū)，102206；2.北京國華電力有限責(zé)任公司，北京市朝陽區(qū)，100025；3.神華集團有限責(zé)任公司，北京市東城區(qū)，100011)

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★ 節(jié)能與環(huán)保 ★

河北省燃煤電廠大氣污染物近零排放的工程實踐及社會效益研究

陳云峰1,2徐會軍3

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京市昌平區(qū)，102206；2.北京國華電力有限責(zé)任公司，北京市朝陽區(qū)，100025；3.神華集團有限責(zé)任公司，北京市東城區(qū)，100011)

以河北省16臺燃煤發(fā)電機組近零排放改造為研究對象，研究分析了近零排放的技術(shù)路線、工程實踐、環(huán)境效果和成本投入情況。研究結(jié)果表明，16臺機組近零排放改造后煙塵平均排放濃度為2.15 mg/m3、SO2平均排放濃度為9 mg/m3、NOX平均排放濃度為21.43 mg/m3，均低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中規(guī)定的天然氣燃?xì)廨啓C組排放濃度限值，對常規(guī)大氣污染物具有顯著的減排效果。煤電近零排放技改是立足我國能源資源稟賦和環(huán)境約束條件下煤炭清潔高效利用的重要途徑，在環(huán)保減排和節(jié)約成本等方面具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

燃煤電廠 近零排放 工程實踐 社會效益

1 引言

中國“富煤、貧油、少氣”的能源資源稟賦決定了煤炭是中國經(jīng)濟社會發(fā)展的主體能源，煤炭消費占中國一次能源消費的60%以上，2010～2014年的年均煤炭消費量達到39.7億t。煤炭的大量使用促進了中國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，但也帶來了一次和二次生成PM2.5等大氣污染問題。

中國國家環(huán)境保護部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局2012年2月29日發(fā)布《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)規(guī)定PM2.5二級年均濃度限值是35 μg/m3；美國在2006年發(fā)布的《國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定PM2.5年均濃度限值為15 μg/m3，是中國PM2.5二級年均濃度限值的43%，與中國PM2.5一級年均濃度限值一致；世界衛(wèi)生組織2005年發(fā)布的《關(guān)于顆粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》規(guī)定PM2.5年均濃度準(zhǔn)則值是10 μg/m3，是中國PM2.5二級年均濃度限值的29%。從PM2.5年均濃度限值來看，中國高于美國和世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)，這是由中國當(dāng)前基本國情和發(fā)展階段所決定的。中國、美國和世界衛(wèi)生組織PM2.5年均濃度限值見表1。

表1 中國、美國和世界衛(wèi)生組織PM2.5年均濃度限值

煤炭是京津冀地區(qū)的主導(dǎo)性燃料污染來源，河北省是京津冀地區(qū)PM2.5最主要的排放源。作為煤炭消費大省，河北省在2010～2014年占中國年均煤炭消費總量的7.6%。煤炭消費空間密度為0.15～0.17萬t/km3，是中國平均水平的4倍，河北省2010-2014年煤炭消費情況見表2。

表2 河北省2010-2014年煤炭消費情況

根據(jù)中國環(huán)境保護部和地方環(huán)保部門發(fā)布的2013年數(shù)據(jù)顯示，中國第一批實施《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的74座城市中，有69座城市的空氣PM2.5年均濃度達不到中國二級年均濃度限值，全部城市的PM2.5年均濃度均達不到世界衛(wèi)生組織準(zhǔn)則值，在其中PM2.5年均濃度最高的10座城市中，河北省有7座。7座城市的PM2.5年均濃度平均為130 μg/m3，是中國GB3095-2012中規(guī)定的二級濃度限值的3.7倍，是中國一級濃度限值和美國濃度限值的8.7倍，是世界衛(wèi)生組織準(zhǔn)則值的13倍，煤炭的大量使用及粗放的利用方式是造成河北省PM2.5乃至霧霾等大氣質(zhì)量問題的重要原因之一。河北省部分城市2013年P(guān)M2.5年均濃度情況見表3。

表3 河北省部分城市2013年P(guān)M2.5年均濃度情況

2 燃煤電廠近零排放的工程實踐

面對河北省乃至京津冀區(qū)域日益突出的大氣污染問題，中國也相繼出臺了《大氣污染防治行動計劃》(國發(fā)〔2013〕37號)、《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細(xì)則》(環(huán)發(fā)〔2013〕104號)，提出到2017 年河北省的PM2.5平均濃度在2012 年基礎(chǔ)上下降25%左右。在2017年河北省政府工作報告中，提出2017年P(guān)M2.5平均濃度同比降低6%的目標(biāo)。要實現(xiàn)河北省PM2.5平均濃度降低的目標(biāo)，需要抓住河北省以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，大力推進煤炭的清潔高效利用。

河北省2016年底電力裝機容量為63240 MW，其中火電裝機容量為45100 MW，火電裝機容量中的煤電裝機容量為42500 MW，占河北省火電裝機容量的94%，由此可見，煤電是河北省的電力裝機容量主體和發(fā)電量主體。河北省每年煤炭消費量3億t左右，位居全國各省前茅，其中發(fā)電用煤消費量1億t左右，占河北省煤炭消費總量的33%左右，實施燃煤電廠近零排放改造對改善河北省大氣環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

河北省于2015年出臺了《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 13/2209-2015)，規(guī)定自2016年1月1日起，現(xiàn)有及新建單臺出力65 t/h 以上(除層燃爐、拋煤機爐外)的燃煤發(fā)電鍋爐執(zhí)行煙塵為10 mg/m3、NOx為35 mg/m3、SO2為50 mg/m3的排放濃度限值，與2015年12月11日中國環(huán)境保護部、國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》(環(huán)發(fā)〔2015〕164號)中的超低排放目標(biāo)一致，其中河北省的煙塵排放濃度限值是《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中規(guī)定的天然氣燃?xì)廨啓C組排放濃度限值的1倍，中國新建大型燃煤電廠大氣污染物排放濃度限值比較見表4。

表4 中國新建大型燃煤電廠大氣污染物排放濃度限值比較 mg/m3

神華集團在中國最早提出近零排放的煤電新標(biāo)準(zhǔn)，于2013年形成“爐內(nèi)低氮燃燒+SCR脫硝+低溫省煤器+低溫靜電除塵器(高效電源)+高效濕法脫硫+濕式電除塵器”的原則性技術(shù)路線，并在神華集團燃煤發(fā)電機組進行了工程實踐，燃煤電廠大氣污染物近零排放原則性技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 燃煤電廠大氣污染物近零排放原則性技術(shù)路線

目前，神華集團在河北省共有4家燃煤電廠，共計16臺燃煤發(fā)電機組，裝機容量合計7410 MW。神華集團于2014年7月完成河北三河電廠1號350 MW燃煤發(fā)電機組近零排放改造，這是神華集團在河北省首臺實現(xiàn)近零排放的燃煤發(fā)電機組。經(jīng)過系統(tǒng)策劃、穩(wěn)步實施，神華集團于2016年3月完成在河北省全部16臺燃煤發(fā)電機組的近零排放改造。對于改造后的大氣污染物排放情況，目前主要采取地方環(huán)境監(jiān)測中心站的現(xiàn)場取樣測試和電廠安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)的在線監(jiān)測。

根據(jù)河北省環(huán)境監(jiān)測中心站的現(xiàn)場取樣測試，16臺燃煤發(fā)電機組煙塵排放濃度平均為2.15 mg/m3(最小值為0.23 mg/m3，最大值為5 mg/m3)，SO2排放濃度平均為9.01 mg/m3(最小值未檢出，最大值為24 mg/m3)，NOX排放濃度平均為21.43 mg/m3(最小值為3 mg/m3，最大值為35 mg/m3)，均低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中規(guī)定的天然氣燃?xì)廨啓C組排放濃度限值的一半水平，為河北省大氣污染物減排做出了示范和引領(lǐng)。神華集團河北省近零排放燃煤發(fā)電機組大氣污染物現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)見表5。

從電廠安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)進行在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看，以河北省某臺300 MW燃煤發(fā)電機組近零排放改造前的2015年8月份和改造完成后2015年11月至2016年9月份為例，從月均值來看，煙塵排放濃度改造前為11.2 mg/m3，改造后為1～2.6 mg/m3；SO2排放濃度改造前為30 mg/m3，改造后為5～21 mg/m3；NOX排放濃度改造前為65 mg/m3，改造后22～35 mg/m3。從日均最小值來看，煙塵排放濃度改造前為10 mg/m3，改造后為0.8～1.8 mg/m3；SO2排放濃度改造前為21 mg/m3，改造后為1～15 mg/m3；NOX排放濃度改造前為26 mg/m3，改造后為17～31 mg/m3；從日均最大值來看，煙塵排放濃度改造前為12 mg/m3，改造后為1.1～3.6 mg/m3；SO2排放濃度改造前為37 mg/m3，改造后為12～26 mg/m3；NOX排放濃度改造前為73 mg/m3，改造后為26～38 mg/m3。河北省某臺300 MW燃煤發(fā)電機組近零排放改造后煙塵、SO2和NOX排放濃度如圖2、圖3和圖4所示。長周期在線監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，燃煤電廠近零排放改造后，大氣污染物排放濃度能夠始終低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)規(guī)定的天然氣燃?xì)廨啓C組排放濃度限值。

表5 神華集團河北省近零排放燃煤發(fā)電機組大氣污染物現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)

圖2 河北省某臺300 MW燃煤發(fā)電機組近零排放改造后煙塵排放濃度

圖3 河北省某臺300 MW燃煤發(fā)電機組近零排放改造后SO2排放濃度

3 燃煤電廠近零排放的環(huán)保效果分析

河北省燃煤電廠近零排放改造始于2013年，通過河北省加大環(huán)境治理力度，以及以神華集團為代表的能源企業(yè)不斷推進河北省燃煤電廠近零排放或超低排放改造，使得河北省大氣環(huán)境質(zhì)量得到一定的改善。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2013年以來河北省PM2.5年均值由2013年的109 μg/m3降至2016年的69 μg/m3，年均降低了13.3 μg/m3，河北省及74個城市2013-2016年P(guān)M2.5年均濃度值變化情況見表6。

圖4 河北省某臺300 MW燃煤發(fā)電機組近零排放改造后NOX排放濃度

表6 河北省及74個城市2013-2016年P(guān)M2.5年均濃度值變化情況

2013年河北省廢氣中煙(粉)塵排放量為131.33萬t、SO2排放量為128.47萬t、NOX排放量為165.25萬t，河北省獨立火電廠煙(粉)塵排放量約為8萬t、SO2排放量約為26萬t、NOX排放量約為56萬t。以河北省16臺近零排放燃煤機組2016年平均煙塵排放績效0.007 g/kWh、 SO2排放績效0.039 g/kWh、 NOX排放績效0.110 g/kWh為基準(zhǔn)，按照河北省2013年底統(tǒng)調(diào)燃煤發(fā)電機組裝機容量34450 MW、燃煤機組發(fā)電利用小時5000 h計算，河北省燃煤機組全部實現(xiàn)近零排放后，年煙(粉)塵、SO2、NOX排放量分別為0.12萬t、0.67萬t、1.89萬t，減排比例將分別達到98.5%、97.4%、96.6%，河北省16臺燃煤機組2016年煙塵、SO2、NOX排放績效見表7, 河北省2013年廢氣中主要污染物排放量及電力近零排放后減排情況見表8。

表7 河北省16臺燃煤機組2016年煙塵、SO2、NOX排放績效

表8 河北省2013年廢氣中主要污染物排放量及電力近零排放后減排情況

4 燃煤電廠近零排放的經(jīng)濟效益分析

以河北省16臺近零排放燃煤發(fā)電機組為例進行近零排放改造的成本分析，按照設(shè)備壽命周期剩余15 a、項目資本金率為20%、貸款年利率為6.55%、年檢修成本為總投資的2.5%、年發(fā)電利用小時為4000 h、資本金收益率為10%來測算投資及運營成本，近零排放改造成本平均在0.0098元/kWh左右，燃煤發(fā)電機組近零排放改造投資及運行成本見表9。

表9 燃煤發(fā)電機組近零排放改造投資及運行成本

2015年12月2日，國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護部、國家能源局發(fā)布《關(guān)于實行燃煤電廠超低排放電價支持政策有關(guān)問題的通知》(發(fā)改價格〔2015〕2835號)，明確對超低排放機組的電價支持標(biāo)準(zhǔn)，對2016年1月1日以前已經(jīng)并網(wǎng)運行的超低排放現(xiàn)役機組，對其統(tǒng)購上網(wǎng)電量加價0.01元/kWh(含稅)。即使將燃煤發(fā)電機組近零排放改造成本加入煤電上網(wǎng)電價，河北省煤電的上網(wǎng)電價水平也僅為0.4元/kWh左右，仍大幅低于風(fēng)電、氣電、光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價水平0.05～0.45元/kWh，河北省不同類型發(fā)電方式的電價水平見表10。

表10 河北省不同類型發(fā)電方式的電價水平

以河北省2016年全社會用電量3264億kWh來進行計算，如果全部使用達到近零排放標(biāo)準(zhǔn)的清潔煤電，將較全部使用風(fēng)電、氣電、光伏發(fā)電等節(jié)約社會用電成本為163～1469億元。同時，按照平均投入260元/kW來計算，河北省42500 MW燃煤發(fā)電機組全部完成近零排放改造將需投入111億元，對中國裝備制造業(yè)和河北經(jīng)濟社會發(fā)展具有積極促進作用。

5 結(jié)論及展望

(1)河北省16臺燃煤發(fā)電機組近零排放改造后，經(jīng)河北省環(huán)境監(jiān)測中心站現(xiàn)場取樣測試，改造后塵排放濃度平均為2.15mg/m3、SO2排放濃度平均為9.01 mg/m3、NOX排放濃度平均為21.43 mg/m3，均低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中規(guī)定的天然氣燃?xì)廨啓C組大氣污染物排放濃度限值，走出了一條煤炭清潔高效利用之路。

(2)以河北省某臺300 MW燃煤發(fā)電機組近零排放改造后的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，煙塵排放濃度改造前的月均值為11.2 mg/m3，改造后為1～2.6 mg/m3；SO2排放濃度改造前的月均值為30 mg/m3，改造后為5～21 mg/m3；NOX排放濃度改造前的月均值為65 mg/m3，改造后為22～35 mg/m3。長周期的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，改造后的大氣污染物能夠穩(wěn)定實現(xiàn)近零排放。

(3)河北省2013年底統(tǒng)調(diào)燃煤發(fā)電機組裝機容量3445萬kW，按照年發(fā)電利用小時5000 h計算，河北省燃煤機組全部實現(xiàn)近零排放后，年煙(粉)塵、SO2、NOX排放量分別為0.12萬t、0.67萬t、1.89萬t，減排比例將分別達到98.5%、97.4%、96.6%。

(4)從河北省各類發(fā)電方式的上網(wǎng)電價水平來看，即使將燃煤發(fā)電機組近零排放改造成本加入煤電上網(wǎng)電價，河北省煤電的上網(wǎng)電價水平也僅為0.4元/kWh，仍大幅低于風(fēng)電、氣電、光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價水平0.05～0.45元/kWh左右。

[1] 林衛(wèi)斌.能源數(shù)據(jù)簡明手冊2016[M].北京：經(jīng)濟管理出版社，2016

[2] 關(guān)大博，劉竹.霧霾真相-京津冀地區(qū)PM2.5污染解析及減排策略研究[M].北京：中國環(huán)境出版社，2014

[3] 河北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，河北省環(huán)境保護廳. DB13/2209-2015燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].2015

[4] 中國環(huán)境科學(xué)研究院，國電環(huán)境保護研究所.GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國環(huán)境出版社，2011

[5] 王樹民，宋暢，陳寅彪等．燃煤電廠大氣污染物“近零排放”技術(shù)研究及工程應(yīng)用[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2015(4)

[6] 王樹民、劉吉臻．清潔煤電與燃?xì)獍l(fā)電環(huán)保性及經(jīng)濟性比較研究[J]．中國煤炭，2016(12)

[7] 國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2012-2016

(責(zé)任編輯 王雅琴)

Study on engineering practice and social benefit of the near-zero emission of air pollutants from coal-fired power plants in Hebei

Chen Yunfeng1,2, Xu Huijun3

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping,Beijing 102206, China; 2. Beijing Guohua Electric Power Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100025, China;3.Shenhua Group Co., Ltd., Dongcheng, Beijing 100011, China)

Taking near-zero emission upgrading of 16 coal-fired generator units in Hebei Province as research object, technical route, engineering practice, environment effect and cost input of near-zero emission were studied and analyzed. The research results showed that after near-zero emission upgrading, the average emission concentration of soot, SO2and NOXwas respectively 2.15 mg/m3, 9 mg/m3and 50 mg/m3, which were less than the emission limits of natural gas turbine units specified in GB13223-2011, so the upgrading had remarkable emission reduction effects on normal air pollutants. Technical improvement of near-zero emission for coal-fired generator units was an important approach for clean and efficient utilization of coal resources based on China's energy resource endowment and environmental constraint, it had significant social benefits in terms of environment protection, pollutant emission reduction and cost saving.

coal-fired power plant, near-zero emission, engineering practice, social benefit

陳云峰，徐會軍. 河北省燃煤電廠大氣污染物近零排放的工程實踐及社會效益研究[J].中國煤炭，2017，43(6)：133-138. Chen Yunfeng，Xu Huijun. Study on engineering practice and social benefit of the near-zero emission of air pollutants from coal-fired power plants in Hebei[J].China Coal，2017，43(6)：133-138.

TD353

A

陳云峰(1980-)，男，遼寧昌圖人，碩士研究生，高級經(jīng)濟師，主要從事能源經(jīng)濟與電力環(huán)保方面的研究工作。