火電行業(yè)提標(biāo)對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量的效益評(píng)估

徐 振，莫 華，楊光俊，趙秀勇，周 英

(1．國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇 南京 210031；2．環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012；3．常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

我國(guó)化石能源資源儲(chǔ)量中煤炭約占94%[1]，且燃煤發(fā)電成本大幅低于風(fēng)電、光電、氣電、核電，長(zhǎng)期以來燃煤發(fā)電占我國(guó)發(fā)電總量的比重均在65%以上，形成了以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)[2]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期中高速發(fā)展，火電裝機(jī)容量和發(fā)電量持續(xù)增長(zhǎng)，煤電為主的能源轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)使火電行業(yè)大氣污染物排放總量長(zhǎng)期居高不下，SO2、NOx排放總量歷史峰值均達(dá)當(dāng)年全國(guó)工業(yè)排放量的60%左右[3-5]?！笆濉逼陂g，華北中南部至江南北部的大部分地區(qū)年度霧霾日數(shù)超過50d。在此期間，火電行業(yè)兩次大幅提高大氣污染物排放控制要求[2]，本文嘗試從火電行業(yè)煙塵、SO2、NOx排放總量和對(duì)典型省級(jí)區(qū)域PM2.5落地濃度影響角度，探討火電行業(yè)提標(biāo)對(duì)改善環(huán)境空氣質(zhì)量的效益。

1 火電行業(yè)大氣污染物排放控制發(fā)展歷程

受社會(huì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件和環(huán)境保護(hù)認(rèn)識(shí)制約，我國(guó)火電廠大氣污染物排放控制要求歷經(jīng)6個(gè)階段(表1)，現(xiàn)階段排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB13223-2011，煤電機(jī)組還執(zhí)行超低排放政策。

表1 我國(guó)火電行業(yè)大氣污染物排放控制發(fā)展歷程

項(xiàng) 目標(biāo)準(zhǔn)號(hào)/文號(hào)執(zhí)行時(shí)間工業(yè)“三廢”排放試行標(biāo)準(zhǔn)GBJ4-731974-01-01燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223-911992-08-01火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223-19961997-01-01GB13223-20032004-01-01GB13223-2011新建:2012-01-01現(xiàn)有:2014-07-01汞及其化合物:2015-01-01煤電超低排放發(fā)改能源〔2014〕2093號(hào)2014-09-12

表1中超低排放指煤電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到GB13223-2011燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。

與歐盟D2010/75/EU[6]、美國(guó)40CFRPart60SubpartDaandPart63SubpartUUUUU[7-8]中最嚴(yán)條款相比，全面實(shí)施超低排放政策后我國(guó)火電廠煙塵控制要求與之相當(dāng)，SO2、NOx則嚴(yán)格較多，總體上仍處于世界最嚴(yán)水平[2]。

2 火電行業(yè)主要大氣污染物減排效益

2.1 污染物總量減排實(shí)際效益

根據(jù)環(huán)境質(zhì)量需求和環(huán)境保護(hù)認(rèn)識(shí)的變化，火電行業(yè)在不同階段先后以煙塵、SO2、NOx為控制重點(diǎn)[2]，特別是GB13223-2011和煤電超低排放政策實(shí)施后，火電行業(yè)大氣污染防治水平大幅提高，2012年起全行業(yè)主要大氣污染物排放總量全面、快速下降(如圖1所示)。

圖1 我國(guó)火力發(fā)電量與主要污染物排放量變化趨勢(shì)[3,5]

相比2010年，2016年我國(guó)火電行業(yè)(約90%發(fā)電量來自煤電)煙塵、SO2、NOx平均排放強(qiáng)度分別下降約84%、86%、87%，2015年起即低于美國(guó)火電行業(yè)(約50%發(fā)電量來自煤電)2014年水平[2]。相比2010年，在發(fā)電量增長(zhǎng)約25%的情況下，2016年我國(guó)火電行業(yè)煙塵、SO2、NOx排放總量分別降低約125萬(wàn)t、756萬(wàn)t、795萬(wàn)t[3,9]，為完成全國(guó)主要污染物減排目標(biāo)做出最大貢獻(xiàn)[10]

2.2 污染物總量減排預(yù)測(cè)效益

根據(jù)排放強(qiáng)度理論，大尺度上火電行業(yè)大氣污染物排放總量是污染物排放強(qiáng)度和火力發(fā)電量的乘積。為預(yù)測(cè)執(zhí)行不同排放控制要求的減排效益，設(shè)定以下基本條件：

(1)按主流煤電機(jī)組能效水平，排放濃度100mg/m3大致對(duì)應(yīng)排放強(qiáng)度0.35g/(kW·h)(機(jī)組能效、基準(zhǔn)氧含量等會(huì)影響換算值)[5]，以此為基準(zhǔn)值換算執(zhí)行不同排放控制要求下的污染物排放強(qiáng)度；

(2)根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)《電力工業(yè)“十二五”規(guī)劃專題研究報(bào)告 電源結(jié)構(gòu)及布局優(yōu)化研究》，2020年、2030年全國(guó)火力發(fā)電量分別取5.80、7.79萬(wàn)億(kW·h)；

(3)根據(jù)2016年全國(guó)1192家火電企業(yè)2709個(gè)排口的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，煙塵、SO2、NOx小時(shí)濃度平均值分別低于30mg/m3、100mg/m3、100mg/m3，大尺度上GB13223-2011已得到貫徹；

(4)排放總量預(yù)測(cè)情景分別為情景一(延續(xù)執(zhí)行GB13223-2003，排放強(qiáng)度維持2012年水平)、情景二(嚴(yán)格執(zhí)行GB13223-2011)、情景三(煤電機(jī)組執(zhí)行超低排放政策)。

預(yù)測(cè)結(jié)果表明：

情景一不收緊火電行業(yè)大氣污染物排放限值，全行業(yè)煙塵、SO2、NOx排放總量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，2030年分別達(dá)304萬(wàn)t、1761萬(wàn)t、1877萬(wàn)t，比2012年增加80%以上。

情景二嚴(yán)格執(zhí)行GB13223-2011，全行業(yè)2030年煙塵、SO2、NOx排放總量較2012年分別下降51%、54%、67%，單項(xiàng)排放總量能控制在1995年前水平(如圖2所示)。

情景三進(jìn)一步收緊有條件的煤電機(jī)組(單機(jī)≥30萬(wàn)kW公用機(jī)組、≥10萬(wàn)kW自備機(jī)組，暫不含W型火焰鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐)大氣污染物排放限值，全行業(yè)2030年煙塵、SO2、NOx排放總量較2012年分別下降79%、86%、84%，且低于2016年水平，單項(xiàng)排放總量能進(jìn)一步控制在1985年前水平(見圖3)，火電行業(yè)對(duì)我國(guó)環(huán)境空氣容量的壓力將顯著降低。圖3中：(1)2015年全面執(zhí)行GB13223-2011，2020年后有條件的煤電機(jī)組全面超低排放；(2)1985年煙塵、SO2排放總量引自電力環(huán)境監(jiān)測(cè)總站歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，NOx排放總量根據(jù)1987年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和火力發(fā)電量外推。

3 典型地區(qū)火電行業(yè)提標(biāo)的環(huán)境改善效益

灰霾天氣的發(fā)生與氣象條件、煙粉塵等一次來源及硫酸鹽、硝酸鹽等二次來源等因素均有密切關(guān)系，觀測(cè)表明灰霾天數(shù)與環(huán)境空氣中PM2.5濃度呈正相關(guān)關(guān)系[2,11]。為預(yù)測(cè)J省火電行業(yè)執(zhí)行不同排放控制要求的區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善效益，設(shè)定以下基本條件：

(1)采用MM5+CALPUFF空氣質(zhì)量模型；

(2)預(yù)測(cè)因子為與灰霾形成密切相關(guān)的PM2.5，參考部分燃煤電廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值，一次PM2.5源強(qiáng)按煙塵排放量的46%計(jì)，SO3源強(qiáng)按54.21mg/m3計(jì)(達(dá)到超低排放水平的，削減70%)；

(3)環(huán)境質(zhì)量預(yù)測(cè)情景分別為情景一(表2，輸入2012年現(xiàn)狀各廠實(shí)際位置、實(shí)際排放參數(shù))、情景二(嚴(yán)格執(zhí)行GB13223-2011，考慮新增和關(guān)停機(jī)組)、情景三(煤電機(jī)組單機(jī)≥100MW的執(zhí)行超低排放政策，<100MW的執(zhí)行GB13223-2011特別排放限值，考慮新增和關(guān)停機(jī)組)。

圖2 實(shí)施GB13223-2011后火電行業(yè)預(yù)測(cè)排放量與歷史排放量趨勢(shì)比較

圖3 貫徹煤電超低排放政策后火電行業(yè)預(yù)測(cè)排放量與歷史排放量趨勢(shì)比較

表2 J省火電行業(yè)裝機(jī)預(yù)測(cè)

項(xiàng)目煤電/MW氣電/MW2012年現(xiàn)狀6630單機(jī)≥100MW:56705080規(guī)劃新增19957200規(guī)劃關(guān)停3000/

在最不利氣象條件下預(yù)測(cè)結(jié)果表明：

情景一維持2012年現(xiàn)狀排放水平，J省火電行業(yè)對(duì)各地級(jí)城市市區(qū)PM2.5日均濃度最大貢獻(xiàn)占GB3095-2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)36.4%～56.7%(詳見圖4)。

情景二嚴(yán)格執(zhí)行GB13223-2011，J省火電行業(yè)對(duì)各地級(jí)城市市區(qū)PM2.5日均濃度最大貢獻(xiàn)占GB3095-2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)13.1%～32.9%，較2012年現(xiàn)狀水平平均降低約24.1%(圖4)，環(huán)境空氣質(zhì)量改善效果顯著。

情景三進(jìn)一步收緊有條件的煤電機(jī)組大氣污染物的排放限值，J省火電行業(yè)對(duì)各地級(jí)城市市區(qū)PM2.5日均濃度最大貢獻(xiàn)占GB3095-2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的11.1%～19.9%，比執(zhí)行GB13223-2011平均可再降低約7.7%(如圖4所示)。

圖4 省火電行業(yè)執(zhí)行不同排放控制要求對(duì)地級(jí)城市市區(qū)的PM2.5日均濃度最大影響

以煤炭為主要能源的地區(qū)，在不考慮外來源輸送影響的情況下，火電廠大氣污染物排放貢獻(xiàn)環(huán)境空氣中PM2.5濃度的約1/3[11]。J省單位面積火電裝機(jī)容量約為全國(guó)平均水平的7.5倍[12]，維持原有排放水平時(shí)火電行業(yè)對(duì)地級(jí)市市區(qū)環(huán)境空氣PM2.5貢獻(xiàn)普遍超過占比1/3的平均水平；通過貫徹GB13223-2011，火電行業(yè)對(duì)地級(jí)市市區(qū)的環(huán)境空氣PM2.5貢獻(xiàn)基本控制在30%以下，部分地級(jí)市騰出了可持續(xù)發(fā)展的大氣環(huán)境容量；通過實(shí)施煤電超低排放政策，火電行業(yè)對(duì)地級(jí)市市區(qū)的環(huán)境空氣PM2.5貢獻(xiàn)基本在15%左右，考慮到美國(guó)NAAQS規(guī)定的PM2.524小時(shí)限值(第98%位置，3年以上平均)約為GB3095-2012的50%[13]，J省火電行業(yè)可以適應(yīng)未來更高的環(huán)境質(zhì)量控制要求。

火電廠作為高架源，其排放的大氣污染物落地濃度影響占比小于其排放總量占比，更遠(yuǎn)小于其煤炭消費(fèi)量占比[2,14]。研究表明，火電行業(yè)在2012年排放水平條件下對(duì)全國(guó)城市和京津冀、長(zhǎng)三角等大部分空氣污染最嚴(yán)重區(qū)域的PM2.5年均濃度貢獻(xiàn)低于10%，并呈現(xiàn)空氣污染越重地區(qū)火電行業(yè)污染貢獻(xiàn)越低的特征[14]。環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)表明，近年第90%位置O3日最大8h平均值呈上升趨勢(shì)[15]，歐美的減排實(shí)踐表明，SOx、NOx、VOCs減排幅度之和是PM2.5地面濃度削減幅度的5倍左右[16]，因此在深化火電行業(yè)NOx等大氣污染物減排的同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化非電行業(yè)VOCs等污染物協(xié)同減排，才能實(shí)現(xiàn)環(huán)境空氣質(zhì)量全面改善目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)實(shí)施GB13223-2011或煤電超低排放政策后，預(yù)計(jì)2030年火電行業(yè)煙塵、SO2、NOx單項(xiàng)排放總量能控制在1995年前或1985年前水平，火電行業(yè)對(duì)我國(guó)環(huán)境空氣容量的壓力將顯著降低。

(2)通過貫徹GB13223-2011，火電行業(yè)對(duì)典型以煤為主省級(jí)區(qū)域地級(jí)市市區(qū)的環(huán)境空氣PM2.5貢獻(xiàn)基本控制在30%以下，騰出了可持續(xù)發(fā)展的大氣環(huán)境容量；通過實(shí)施煤電超低排放政策，火電行業(yè)對(duì)典型區(qū)域地級(jí)市市區(qū)的環(huán)境空氣PM2.5貢獻(xiàn)基本在15%左右，火電行業(yè)可以適應(yīng)未來更高的環(huán)境質(zhì)量控制要求。

[1]韓建國(guó).煤炭清潔發(fā)電是破解我國(guó)能源困局的有效途徑[N].科技日?qǐng)?bào),2014-12-22.

[2]環(huán)境保護(hù)部科技標(biāo)準(zhǔn)司.《〈火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)〉(GB13223-2011)實(shí)施評(píng)估》[R].北京:2016.

[3]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).2010年～2016年電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)基本數(shù)據(jù)[EB/OL].http://www.cec.org.cn/.

[4]潘 荔.“十二五”中國(guó)電力行業(yè)氮氧化物控制規(guī)劃研究[D].華北電力大學(xué),2012.

[5]徐 振,莫 華,周 英,等.銜接環(huán)評(píng)和排污許可的火電行業(yè)大氣污染物源強(qiáng)核算探討[J].環(huán)境保護(hù),2017,45(2-3):87～89.

[6]DIRECTIVE2010/75/EUOFTHEEUROPEANPARLIAMENTANDOFTHECOUNCILonindustrialemissions(integratedpollutionpreventionandcontrol) (Recast) [S].

[7]40CFRPart60SubpartDa-StandardsofPerformanceforElectricUtilitySteamGeneratingUnits[S].

[8]40CFRPart63SubpartUUUUU-NationalEmissionStandardsforHazardousAirPollutants:Coal-andOil-FiredElectricUtilitySteamGeneratingUnits[S].

[9]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2017[M].北京:2017.

[10]環(huán)境保護(hù)部.2015年環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)[EB/OL].http://www.zhb.gov.cn/.

[11]江蘇省能源局.江蘇省基于大氣環(huán)境容量的火電發(fā)展對(duì)策研究[R].南京:2014.

[12]國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2016[M].北京:2017.

[13]UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency.NationalAmbientAirQualityStandards[S].

[14]薛文博,許艷玲,王金南,等.全國(guó)火電行業(yè)大氣污染物排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2016,36(5):1281-1288.

[15]環(huán)境保護(hù)部.中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[EB/OL].http://www.zhb.gov.cn/.

[16]朱法華.煤電濕法脫硫是治霾功臣[N].中國(guó)能源報(bào),2017-09-12.