美國燃煤電廠環(huán)保發(fā)展歷程

張建宇，王 昊

(美國環(huán)保協(xié)會北京代表處，北京 100007)

1 美國燃煤電廠的環(huán)境政策

科學(xué)合理的環(huán)境政策是促進(jìn)空氣質(zhì)量改善的關(guān)鍵。美國電力行業(yè)污染物的成功控制得益于法律和制度的完善，尤其是在美國電力行業(yè)率先采用的市場機(jī)制--排污交易制度。這一制度讓排污企業(yè)自主決定污染治理方式以滿足政府的要求，使美國電力行業(yè)實現(xiàn)了低成本的靈活減排[1]。

美國環(huán)保署于1970年頒布《清潔空氣法》(Clean Air Act, CAA)，它要求各州和各地區(qū)對其區(qū)域內(nèi)和州內(nèi)的空氣質(zhì)量負(fù)責(zé)。各州要制定州實施方案(State Implementation Plans, SIPs)，且需被美國環(huán)保署批準(zhǔn)，以確保各州空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)?！肚鍧嵖諝夥ā酚?990修訂，1990年《清潔空氣法》修正案提出酸雨計劃(Acid Rain Plan, ARP)，要求電力行業(yè)減少造成酸雨的二氧化硫和氮氧化物的排放[2]。

1.1 美國燃煤電廠二氧化硫控制政策

酸雨計劃對SO2的控制是要求為美國大陸48個州(除夏威夷和阿拉斯加)和華盛頓哥倫比亞特區(qū)的發(fā)電機(jī)組設(shè)定SO2的總排放量。酸雨計劃對SO2的控制采用了排污交易的手段，在美國21個東部及中西部州的電力企業(yè)中，通過實施SO2排放總量控制和交易政策以實現(xiàn)SO2的減排。

酸雨計劃的主要目標(biāo)之一是，到2010年，美國SO2年排放量比1980年的排放水平減少1000萬t。酸雨計劃的排污交易分兩個階段實施，第一階段為1995-1999年，共有110家電廠263個燃煤機(jī)組參與，第一階段目標(biāo)是SO2排放量要求比1980年減少350萬t。第二階段為2000-2009年，涉及到2000多臺規(guī)模2.5萬kW以上的火電機(jī)組[3]。

1.2 美國燃煤電廠氮氧化物控制政策

由化石燃料燃燒產(chǎn)生的NOx會造成臭氧污染、酸沉降、水體的富營養(yǎng)化，形成可吸入細(xì)顆粒物并降低能見度導(dǎo)致對人類健康和大氣環(huán)境的影響。因此，區(qū)域性的NOx減排極為重要?；痣姀S是美國NOx的主要排放源之一。酸雨計劃對NOx的控制要求：到2000年NOx排放量在1980年的基礎(chǔ)上減少200萬t，主要的減排是通過煤電機(jī)組安裝低氮燃燒技術(shù)實現(xiàn)的。

酸雨計劃氮氧化物的減排同樣分為兩個階段，且以燃煤鍋爐的種類劃分，第一階段是1996-1999年針對第一類鍋爐(燃煤固態(tài)墻式排渣鍋爐和四角切向燃燒鍋爐)，第二階段始于2000年，針對第一和第二類鍋爐(燃煤固態(tài)墻式排渣鍋爐和四角切向燃燒鍋爐；液態(tài)旋風(fēng)式排渣鍋爐和垂直式燃燒鍋爐)。電廠可以選擇三種履約方式中的一種，一是滿足年度的排放限值標(biāo)準(zhǔn)，二是平均兩個或多個鍋爐的排放績效，這樣電廠可以通過控制技術(shù)更好更便宜的實現(xiàn)排放目標(biāo)，三是如果電廠無法實現(xiàn)排放標(biāo)準(zhǔn)，且使用了適當(dāng)?shù)腘Ox排放控制技術(shù)，它可以申請要求寬松的選擇性排放限值(AlternativeEmissionLimit(AEL))。環(huán)保署會基于NOx減排設(shè)備和技術(shù)在試點階段合理的設(shè)計，安裝和運行情況來設(shè)定NOx的選擇性排放限值。第一階段受監(jiān)管的機(jī)組要求在1996年達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，第二階段受監(jiān)管的機(jī)組要在2000年達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

酸雨計劃中的NOx減排與AO2交易有很多相似的原理，它也是以結(jié)果為導(dǎo)向，可以靈活的選用減排方法，但并未采用排污交易的手段。電廠可以靈活選擇適合他們需要技術(shù)的做法促進(jìn)了減排技術(shù)的發(fā)展，并能以較低成本實現(xiàn)NOx的減排[4]。

1.3 清潔空氣市場計劃

在州實施方案確保各州完成州內(nèi)空氣質(zhì)量要求的前提下，污染物的跨區(qū)域傳輸會為下風(fēng)向州實現(xiàn)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)造成困難。清潔空氣市場計劃中的氮氧化物預(yù)算交易計劃(NBP)，清潔空氣跨州條例(CAIR)和跨州空氣污染條例(CSARP)針對的是解決SO2和NOx的跨區(qū)域傳輸污染問題[4]。下風(fēng)向地區(qū)的空氣質(zhì)量是這一地區(qū)自身的污染排放及上風(fēng)向地區(qū)的污染排放共同影響的結(jié)果。SO2會和NOx在空氣中發(fā)生反應(yīng)形成細(xì)顆粒物PM2.5，同時NOx排放能在空氣中形成近地面的臭氧污染。這些污染物能長距離傳輸造成更大范圍內(nèi)的影響。

1.3.1 氮氧化物預(yù)算交易計劃

氮氧化物預(yù)算交易計劃(NOxBudgetTradingProgram，NBP)通過總量控制和交易機(jī)制來減少美國東部地區(qū)電廠和其他大型燃燒源NOx排放的區(qū)域性傳輸。該計劃2003年生效，旨在夏季(即臭氧季)減少氮氧化物的排放。它是1998年公布的NOx州實施計劃命令(NOxSIP(StateImplementationPlan)Call)的核心內(nèi)容。氮氧化物預(yù)算交易計劃2003-2008年實施，并在夏季月份顯著的減少了電廠等大型工業(yè)源的NOx排放，為緩解美國東部地區(qū)的臭氧污染做出了巨大的貢獻(xiàn)。2009年，氮氧化物預(yù)算交易計劃被清潔空氣跨州條例中的臭氧季氮氧化物交易計劃取代。

1.3.2 清潔空氣跨州條例

清潔空氣跨州條例(Clean Air Interstate Rule, CAIR)針對的是粉塵(細(xì)顆粒物)和煙霧(臭氧)的區(qū)域性傳輸問題。條例要求美國東部27個州和華盛頓哥倫比亞特區(qū)削減造成下風(fēng)向州細(xì)顆粒物和臭氧污染的二氧化硫和氮氧化物排放。2015年1月，它被跨州空氣污染條例(CSARP)取代[2]。

根據(jù)清潔空氣跨州條例，受監(jiān)管的州必須采用以下兩種減排手段之一，即要求電廠參與美國環(huán)保署管理的跨州的總量控制和交易系統(tǒng)以實現(xiàn)CAIR對州的排放要求，或采取州自行選擇的手段實現(xiàn)排放要求。清潔空氣跨州條例分為二氧化硫交易計劃、氮氧化物交易計劃和氮氧化物臭氧季交易計劃三個獨立的跨州總量控制和交易計劃。

1.3.3 跨州空氣污染條例

2011年，美國環(huán)保署形成了跨州空氣污染條例(Cross-State Air Pollution Rule, CSAPR)，該條例旨在幫助州減少空氣污染和國家強(qiáng)制性空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在1997年對臭氧及2006年對細(xì)顆粒物的排放要求。2015年11月，美國環(huán)保署提出了跨州空氣污染條例的升級方案，升級方案要求受監(jiān)管的州滿足2008年美國國家強(qiáng)制性空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(NAAQS)臭氧的排放要求。跨州空氣污染條例分兩個階段，第一階段2015年啟動，第二階段2017年啟動。該方案要求27個州減少SO2和NOx排放，以實現(xiàn)下風(fēng)向地區(qū)PM2.5的國家強(qiáng)制性空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?？缰菘諝馕廴緱l例要求所有上風(fēng)向州的污染物傳輸遵循1997年的年P(guān)M2.5和2006年24hPM2.5的排放標(biāo)準(zhǔn)。其中的14個上風(fēng)向的州還要遵循1997年的臭氧國家強(qiáng)制性空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其他跨州空氣污染條例中臭氧計劃涉及到的上風(fēng)向州，條例形成了一個潛在的減排“押金”機(jī)制。最終的跨州空氣污染條例將要求減少SO2排放的州分為兩組，兩組都需要在第一階段減少SO2排放。第一組的州在第二階段還要額外減少SO2排放，以減少其對下風(fēng)向州空氣質(zhì)量的影響[5]。

跨州空氣污染條例可以改善美國東部、中部和南部數(shù)千個郡的空氣質(zhì)量，這些地區(qū)的人口數(shù)量占美國總?cè)丝诘?5%。州、地方和聯(lián)邦的行動已經(jīng)為很多郡改善了空氣質(zhì)量，以實現(xiàn)臭氧和細(xì)顆粒物的國家強(qiáng)制性空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?？缰菘諝馕廴緱l例能讓更多地區(qū)實現(xiàn)達(dá)標(biāo)。

跨州空氣污染條例中第一階段的年度SO2和NOx減排2015年1月開始實施，2015年5月1日臭氧季NOx減排實施。環(huán)保署估計，與2005年比，跨州空氣污染條例和其他聯(lián)邦條例的實施會讓受到跨州空氣污染條例監(jiān)管地區(qū)的電廠的SO2排放減少640萬t約73%；NOx排放減少140萬t約為54%；其中包括每年臭氧季NOx排放34萬t[5]。

1.4 空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

美國沒有針對電廠的排放標(biāo)準(zhǔn)，而是以空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和許可證制度來衡量電廠的污染物排放。以《清潔空氣法》1990年修正案為依據(jù)提出的國家強(qiáng)制性空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(National Ambient Air Quality Standards ,NAAQS)是針對影響公眾健康和環(huán)境的污染物制定排放標(biāo)準(zhǔn)。國家強(qiáng)制性空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分為兩類標(biāo)準(zhǔn)，基于人體健康的系列標(biāo)準(zhǔn)被稱為一級標(biāo)準(zhǔn)，另外一套標(biāo)準(zhǔn)是旨在防止環(huán)境和財產(chǎn)損失的，被稱為二級標(biāo)準(zhǔn)?？諝赓|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定對應(yīng)著各州提出的州實施計劃(SIPs)，州實施計劃適用于州內(nèi)包括電廠在內(nèi)的工業(yè)企業(yè)，助其實現(xiàn)排放標(biāo)準(zhǔn)。顆粒物(可吸入顆粒物、細(xì)顆粒物)、地面臭氧、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮和鉛這六種污染物都被納入了國家強(qiáng)制性空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的管轄。這六種污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)會不定時的修訂。

2 美國燃煤電廠污染物技術(shù)減排

2.1 SO2的技術(shù)減排

對燃煤電廠SO2排放的管理始于1990年頒布的酸雨計劃，酸雨計劃要求電力行業(yè)減少造成酸雨的SO2和NOx的排放，酸雨計劃可稱為美國對SO2排放管控的里程碑[6-7]。為了減少SO2排放，企業(yè)可以根據(jù)自身情況選擇使用脫硫技術(shù)或采用交易的手段實現(xiàn)排放的總量要求[8]。

脫硫技術(shù)本身具有同質(zhì)性，世界各國主要采用的為濕法脫硫、干法脫硫和吸收劑噴射脫硫，其中濕法脫硫占比最大。與干法脫硫相比，濕法脫硫的優(yōu)勢在于脫硫效率高，運行成本低，且脫硫副產(chǎn)品可以回收。從美國的情況來看，自1995年酸雨計劃第一階段啟動到2015年，脫硫的比例呈逐漸上升的趨勢。美國能源信息署(EIA)的脫硫裝機(jī)數(shù)據(jù)顯示，1990年共有159臺機(jī)組，7178.2萬kW安裝了煙氣脫硫設(shè)施，2005年共有555臺機(jī)組1.14億kW安裝了煙氣脫硫設(shè)施占煤電總裝機(jī)的36.2%，2015年680臺機(jī)組2.23億kW安裝了煙氣脫硫設(shè)施，占煤電總裝機(jī)的79.7%。以2012年和2016年為例，美國的濕法脫硫占總脫硫裝機(jī)的比例分別為85%和78.9%(見圖1)。

圖1 美國燃煤電廠中脫硫機(jī)組所占比例

2016年濕法脫硫比例降低的原因主要是由于新增的脫硫機(jī)組單機(jī)容量普遍較小，采用干法脫硫的比例相對較高，這與干法更適用于中小機(jī)組的改造以及小機(jī)組的排放要求較為寬松有很大關(guān)系。另外，美國在20世紀(jì)90年代對脫硫和脫硫技術(shù)更為關(guān)注，目前關(guān)注度已經(jīng)大大降低。這一方面說明脫硫技術(shù)本身已經(jīng)成熟，脫硫效果穩(wěn)定，且電廠SO2排放已經(jīng)不再是影響空氣質(zhì)量的主要原因。另一方面，是由于美國的電力結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化，煤電的地位被逐漸取代。2012r年美國燃煤機(jī)組脫硫技術(shù)份額情況如圖2所示。

圖2 2012年美國燃煤機(jī)組脫硫技術(shù)份額情況

美國從20世紀(jì)80年代中期以來，投運的煙氣脫硫(FGD)多采用濕煙囪運行，即并不安裝煙氣-煙氣再熱器(GGH)[9]。且1996年美國電科院(EPRI)發(fā)布濕煙囪設(shè)計導(dǎo)則，建議FGD后采用濕煙囪運行(即不采用任何煙氣再熱系統(tǒng)或部分煙氣旁路)。GGH的作用是利用原煙氣將脫硫后的凈煙

氣進(jìn)行加熱，使排煙溫度達(dá)到露點之上，減輕對進(jìn)煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴(kuò)散度，同時降低進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度，降低塔內(nèi)對防腐的工藝技術(shù)要求。但實際運行過程中，由于溫度等因素，降低腐蝕的效果并不明顯。

另外，對GGH煙羽抬升高度的研究顯示，環(huán)境溫度越低，干、濕煙氣抬升高度相差越小，北方冬季有利于濕煙氣抬升[10]。環(huán)境溫度低于10℃，干、濕煙氣擴(kuò)散后對地面濃度的影響差異可忽略。GGH的另一弊端是成本高，安裝費用為主要成本，占脫硫系統(tǒng)投資費用的15%，另外其運行和維護(hù)也有一定成本[11]。

2.2 NOx的技術(shù)減排

電廠對NOx的控制分為低氮燃燒和燃燒后脫除。低氮燃燒主要是通過調(diào)整混合空氣以及燃燒所用的燃料來降低火焰溫度，從而減少30%～40%的氮氧化物生成。燃燒后NOx脫除技術(shù)主要以選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原(SNCR)為主。SCR有著高達(dá)80%～90%的脫硝效率，但是投資和運行成本較高；SCNR成本較低，但是脫硝效率只有30%～40%。而現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的SCR技術(shù)，其發(fā)明權(quán)屬于美國[12]。

1970年《清潔空氣法》對氮氧化物的要求對于現(xiàn)有電廠的影響較小，而新建電廠只要采用低氮燃燒即可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。2000年，美國1150個電廠中，有415個采用低氮燃燒，只有44個采用燃燒后NOx脫除技術(shù)[13]。1990年酸雨計劃中要求現(xiàn)有電廠安裝低氮燃燒鍋爐等合理可用控制技術(shù)(RACT)來控制NOx排放。自《清潔空氣法》1990年修正案后，除了優(yōu)化鍋爐燃燒，更換燃料以及淘汰部分機(jī)組這些措施之外，許多燃煤機(jī)組開始安裝SCR脫硝裝置。采用SCR脫硝技術(shù)的燃煤機(jī)組，從1998年的6個增加到了2014年的250個[14]。但是近幾年在清潔空氣跨州條例的影響下，SCR煙氣脫硝裝置的運行成本高于購買排放額度的成本，一些電廠減少了SCR的使用頻率[15]。

3 美國燃煤電廠污染物減排成效

通過法律、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)手段相結(jié)合的方式，美國在燃煤電廠污染物減排上取得了顯著的效果[16]。其中，SO2的減排效果最明顯。美國能源信息的署數(shù)據(jù)顯示，美國燃煤電廠SO2排放從2005年的1034萬t下降到2015年的254.8萬t，NOx從2005年的396.1萬t下降到2015年的182.4萬t，CO2從2005年的25.4億t下降到2015年的20.3億t。2005-2015年美國燃煤電廠發(fā)電量與CO2、SO2、NOx排放量如圖3所示。

從圖3中可以看出，2005-2015年，SO2和NOx排放量逐步下降，這歸功于酸雨計劃等法律法規(guī)的推動以及污染物減排技術(shù)的不斷進(jìn)步；受發(fā)電量變化的影響，CO2的排放量有所波動，但是整體上呈下降趨勢。

圖3 2005年—2015年美國燃煤電廠凈發(fā)電量

4 美國電力行業(yè)的低碳環(huán)保趨勢

水力壓裂法推動了美國頁巖氣資源的大量開采，使得天然氣價格的下跌，因此，美國天然氣發(fā)電在成本上比煤電更具競爭力。

另外，美國88%的煤電設(shè)施建于1950年-1990年之間，其產(chǎn)能增長速度在1970年代到1980年代早期達(dá)到高峰[17-20]。運行中的燃煤機(jī)組平均壽命是39年，許多老舊的發(fā)電廠都因為面臨天然氣發(fā)電廠所帶來的經(jīng)濟(jì)壓力和污染控制的規(guī)定而選擇淘汰和關(guān)停。

可再生能源成本的持續(xù)降低，技術(shù)的進(jìn)步和對氣候變化問題的關(guān)注，美國的電力結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了顯著的調(diào)整。2005年和2015年美國發(fā)電能源結(jié)構(gòu)見圖4(a)和(b)，圖中可以看出，煤電發(fā)電量從2005年占比50%下降到2015年的33%，而天然氣的比例則由19%上升到33%，其他清潔能源的比例也有著明顯的上升。

2015年8月3日，美國奧巴馬政府時期的美國環(huán)保署頒布了《清潔電力計劃》，標(biāo)志著美國電力行業(yè)在采取實際行動應(yīng)對氣候變化、促進(jìn)電力行業(yè)的低碳清潔轉(zhuǎn)型，減少污染物排放方面所邁出的歷史性一步。盡管2017年10月，特朗普政府的聯(lián)邦環(huán)保署署長斯科特·普魯伊特簽署了一項撤銷《清潔電力計劃》的提議，該提議能否最終生效還要經(jīng)過各方角逐。但從美國電力行業(yè)的發(fā)展來看，美國大部分煤電廠已入暮年，電力行業(yè)內(nèi)部及公眾對于電力行業(yè)清潔低碳發(fā)展的意識已經(jīng)形成，美國的電力結(jié)構(gòu)向清潔低碳發(fā)展是大勢所趨。

圖4 2005年—2015年美國發(fā)電能源結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

美國20世紀(jì)90年代《清潔空氣法》修正案發(fā)布后，美國燃煤電廠的污染物排放逐漸得到的控制，取得了很好的效果。在政策和技術(shù)的共同作用下，以SO2、NOx和顆粒物為主的燃煤電廠污染物已經(jīng)不再是美國電力行業(yè)環(huán)境問題的焦點，取而代之的是以碳減排為核心的電力行業(yè)的清潔低碳發(fā)展和轉(zhuǎn)型。不僅在美國，電力行業(yè)的清潔低碳轉(zhuǎn)型也將是包括中國在內(nèi)，全世界電力行業(yè)發(fā)展的必然走向。

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