基于全年在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的燃煤電廠超低排放特征分析

孫雪麗，李 輝，2，譚玉菲，郭 敏，王宗爽，王 圣

(1.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司 國(guó)家環(huán)境保護(hù)大氣物理模擬與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031；2. 國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023；3. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

目前，中國(guó)燃煤電廠大氣污染物控制處于超低排放階段[1-3]，截止到2019年底，全國(guó)已投運(yùn)超低排放機(jī)組容量占煤電機(jī)組容量的86%[4]。截止到2019年底，國(guó)內(nèi)已有7個(gè)省份制定了地方排放標(biāo)準(zhǔn)將超低排放限值納入強(qiáng)制性地方標(biāo)準(zhǔn)，但均未明確在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)評(píng)判方法。研究中國(guó)燃煤電廠實(shí)施超低排放政策后大氣污染物總體排放水平，評(píng)估中國(guó)超低排放污染治理技術(shù)長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)中國(guó)超低排放政策的推廣和技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者現(xiàn)有研究多通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)手工測(cè)試方法獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究中國(guó)燃煤電廠大氣污染物排放特征[5-14]；個(gè)別研究者通過(guò)少量或短期連續(xù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究我國(guó)燃煤電廠大氣污染物排放特征，如宋暢等[15]統(tǒng)計(jì)了4臺(tái)超低排放機(jī)組2015年平均排放濃度水平，朱法華等[16]通過(guò)2臺(tái)超低排放機(jī)組多月出口煙塵在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估了超凈電袋復(fù)合除塵器的穩(wěn)定性，騰衛(wèi)明等[17]以1臺(tái)機(jī)組2個(gè)月的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立脫硫裝置性能評(píng)估體系；崔建升等[18]基于2015年在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了中國(guó)火電排放清單，李輝等[19]僅對(duì)啟動(dòng)階段NOx排放特征進(jìn)行研究。因國(guó)外燃煤電廠無(wú)“超低排放”概念，國(guó)外學(xué)者目前多關(guān)注燃煤電廠煙氣中非常規(guī)污染物(如痕量重金屬、溫室氣體等)的排放特征[20-22]。

鑒于上述研究現(xiàn)狀，目前缺乏基于大量長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究超低排放燃煤電廠常規(guī)大氣污染物，即煙塵、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)總體排放特征的報(bào)道。

因此，本文基于中部某省139臺(tái)超低排放機(jī)組全年長(zhǎng)期大量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從短期小時(shí)濃度、長(zhǎng)期月均濃度、單位電量排放績(jī)效等多個(gè)角度進(jìn)行燃煤機(jī)組超低排放特征分析與比較，評(píng)估我國(guó)超低排放政策實(shí)施效果，以期為下一步《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中限值與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)評(píng)判方法制修訂提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取

本研究獲取了中部地區(qū)某省已實(shí)現(xiàn)超低排放的139臺(tái)燃煤機(jī)組(總裝機(jī)容量56880MW)2017年連續(xù)12個(gè)月的三種常規(guī)大氣污染物(煙塵、SO2、NOx)在線監(jiān)測(cè)小時(shí)平均濃度數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)量約83.29萬(wàn)個(gè))、月度污染物排放量和月度發(fā)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。本文調(diào)研的超低排放燃煤機(jī)組單機(jī)規(guī)模分布情況如表1所示。

表1 調(diào)研機(jī)組單機(jī)規(guī)模分布情況

該省煤電裝機(jī)總?cè)萘课挥谌珖?guó)前列，2016年底所有統(tǒng)調(diào)電廠已基本完成超低排放改造任務(wù)。本研究獲取的在線監(jiān)測(cè)排放濃度數(shù)據(jù)不包含停機(jī)和點(diǎn)火階段的數(shù)據(jù)，只包含機(jī)組正常運(yùn)行期間(即并網(wǎng)至解列期間)連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)輸出的小時(shí)平均濃度數(shù)據(jù)。

1.2 分析方法

1.2.1 小時(shí)濃度統(tǒng)計(jì)分析

2015年12月5日國(guó)家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于實(shí)行燃煤電廠超低排放電價(jià)支持政策有關(guān)問(wèn)題的通知》(發(fā)改價(jià)格[2015]2835號(hào))中采用小時(shí)濃度符合超低限值的時(shí)間比率(以下簡(jiǎn)稱“小時(shí)濃度符合率”)作為電價(jià)補(bǔ)貼考核基準(zhǔn)，具體超低電價(jià)補(bǔ)貼規(guī)則如下：小時(shí)濃度符合率達(dá)到或高于99%的機(jī)組，該季度加價(jià)電量按其上網(wǎng)電量的100%執(zhí)行；小時(shí)濃度符合率低于99%但達(dá)到或超過(guò)80%的機(jī)組，該季度加價(jià)電量按其上網(wǎng)電量乘以小時(shí)濃度符合率扣減10%的比例計(jì)算；對(duì)小時(shí)濃度符合率低于80%的機(jī)組，該季度不享受電價(jià)加價(jià)政策。其中，煙塵、SO2、NOx排放中有一項(xiàng)不符合超低限值要求的，即視為該時(shí)段不符合超低限值要求。

鑒于此，本文首先選擇小時(shí)濃度符合率作為指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間尺度內(nèi)(月度、年度、季度)不同符合率下(≥99%、≥80%)機(jī)組占比情況，研究超低燃煤電廠大氣污染物小時(shí)濃度排放特征。小時(shí)濃度符合率指在一定時(shí)間段內(nèi)(月、季、年)機(jī)組排放的污染物小時(shí)平均濃度符合超低限值的時(shí)間比率(ηi,j)(以下簡(jiǎn)稱“符合率”)，按公式(1)計(jì)算，不同符合率下機(jī)組占比(Mj,p)按公式(2)、(3)計(jì)算。

(1)

式(1)中，ti,j指機(jī)組i污染物j小時(shí)平均濃度符合限值要求的小時(shí)數(shù)，h；Ti指機(jī)組i總運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h。

式(2)中，Ni,j指某i機(jī)組排放的污染物j小時(shí)濃度均值符合率是否符合p值要求的判定結(jié)果；ηi,j指某i機(jī)組排放的污染物j小時(shí)濃度平均值符合限值要求的時(shí)間比率；p指某固定的符合率值，為常數(shù)。

(3)

式(3)中，Mj,p指共a臺(tái)機(jī)組中污染物j小時(shí)濃度符合率大于等于p值要求的機(jī)組數(shù)量占比；a指統(tǒng)計(jì)的機(jī)組總數(shù)量。

1.2.2 月均濃度統(tǒng)計(jì)分析

歐盟排放指令《Directive on industrial emissions(integrated pollution prevention and control》(2010/75/EU)中火電廠大氣污染物在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)評(píng)判依據(jù)為日歷月均濃度值是否符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求[23-24]。為進(jìn)行對(duì)比，本文參照歐盟排放指令選擇月均濃度值研究中國(guó)超低排放機(jī)組大氣污染物月均濃度排放特征，即將該月某i機(jī)組某j污染物排放的小時(shí)濃度值逐小時(shí)相加取算術(shù)平均值獲得日均值，然后再將日均值逐日相加取算術(shù)平均值獲得月均值。本文采用統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)月均濃度總體樣本的數(shù)量特征進(jìn)行分析處理，并對(duì)不同規(guī)模機(jī)組之間排放濃度均值的差異性采用獨(dú)立樣本均值t檢驗(yàn)方法進(jìn)行比較分析。

1.2.3 排放績(jī)效統(tǒng)計(jì)分析

美國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)《Standards of Performance for Electric Utility Steam Generating Units》(CFR40-Part60-subpartDa)[25-26]中火電廠大氣污染物排放達(dá)標(biāo)評(píng)判依據(jù)為單位發(fā)電量污染物排放量(以下簡(jiǎn)稱“排放績(jī)效”)30天滾動(dòng)平均值是否符合限值要求。本研究也參照美國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)，選擇月均排放績(jī)效值研究中國(guó)超低排放機(jī)組的大氣污染物排放特征，即由當(dāng)月某i機(jī)組某j污染物排放總量除以該機(jī)組對(duì)應(yīng)時(shí)段總發(fā)電量獲得。本文采用統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)月均績(jī)效總體樣本的數(shù)量特征進(jìn)行分析處理，同時(shí)對(duì)不同規(guī)模機(jī)組之間排放績(jī)效均值的差異性也采用獨(dú)立樣本均值t檢驗(yàn)方法進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 小時(shí)濃度排放特征

按照超低排放限值要求(煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3)，對(duì)139臺(tái)實(shí)現(xiàn)超低排放的燃煤機(jī)組連續(xù)12個(gè)月在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的小時(shí)濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)超低排放電價(jià)補(bǔ)貼政策(發(fā)改價(jià)格[2015]2835號(hào))，以三種污染物同時(shí)均符合超低限值要求為判別依據(jù)，按月統(tǒng)計(jì)1～12月不同符合率下機(jī)組占比情況如圖1所示(圖中符合率指三種污染物同時(shí)符合超低限值的時(shí)間比率)，按季度統(tǒng)計(jì)不同符合率下機(jī)組占比情況如表2所示(表中符合率指三種污染物同時(shí)符合超低限值的時(shí)間比率)。

圖1 按月統(tǒng)計(jì)滿足不同符合率要求的機(jī)組占比情況

表2 按季度統(tǒng)計(jì)滿足不同符合率要求的機(jī)組占比情況統(tǒng)計(jì)%

表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2017年4個(gè)季度中三種污染物同時(shí)符合超低限值的時(shí)間比率達(dá)到或超過(guò)80%的機(jī)組占比均超過(guò)了98.5%，可見(jiàn)絕大部分的超低排放機(jī)組符合國(guó)家超低排放電價(jià)補(bǔ)貼政策。

由于該省2017年10月1日起將超低排放限值上升為強(qiáng)制地方標(biāo)準(zhǔn)，圖1和表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2017年該省超低排放機(jī)組中三種污染物同時(shí)符合超低限值的時(shí)間比率達(dá)到或超過(guò)99%的機(jī)組占比情況下半年明顯高于上半年，第3、4季度符合率達(dá)到或超過(guò)99%的機(jī)組占比超過(guò)了80%，第1、2季度符合要求的機(jī)組占比僅約65%。可見(jiàn)，為了按照“發(fā)改價(jià)格[2015]2835號(hào)”文件制定的電價(jià)補(bǔ)貼規(guī)則獲得最大補(bǔ)貼，隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的累積以及地方強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)，超低排放機(jī)組環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行和管理水平在逐漸提高，截止到2017年底該省80%以上的機(jī)組可以全額享受超低排放電價(jià)補(bǔ)貼。

隨著統(tǒng)計(jì)時(shí)間段加長(zhǎng)(從按月度、季度)，小時(shí)平均濃度100%符合超低限值的概率有所降低，但符合率達(dá)到95%及以上的機(jī)組占比情況相對(duì)穩(wěn)定(下半年均在90%以上)。上述數(shù)據(jù)顯示，燃煤機(jī)組在短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)污染物排放小時(shí)濃度100%符合超低限值，但隨著統(tǒng)計(jì)時(shí)間段加長(zhǎng)，100%符合的可能性越來(lái)越小，這是因?yàn)槿济弘姀S大氣污染物的排放濃度與煤質(zhì)、負(fù)荷變化息息相關(guān)，污染物治理設(shè)施也不可避免會(huì)出現(xiàn)一定的運(yùn)行波動(dòng)。可見(jiàn)，引進(jìn)小時(shí)濃度符合率作為在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)評(píng)判方法更符合電廠運(yùn)行實(shí)際。

2.2 月均濃度排放特征

2.2.1 總體樣本特征

本研究139臺(tái)超低機(jī)組大氣污染物排放濃度月均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，三種污染物月均濃度頻度分布如圖2所示。

表3 月均濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果 mg/m3

表3和圖2統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該省超低排放機(jī)組煙塵排放濃度月均值主要分布在1.4～3.7mg/m3之間，平均值2.6mg/m3；SO2月均值主要分布在10～24mg/m3之間，平均值17mg/m3；NOx月均值主要分布在20～40mg/m3之間，平均值31mg/m3；所有有效月均濃度均小于超低排放限值。

圖2 月均濃度頻次分布圖

與歐盟排放指令(2010/75/EU)中最嚴(yán)排放限值(適用于300MW以上新建機(jī)組)煙塵、SO2、NOx分別為10、150、150mg/m3[23-24]相比，本研究139臺(tái)超低機(jī)組中的90%，其12個(gè)月煙塵、SO2、NOx排放月平均濃度值分別不超過(guò)3.7、24、40mg/m3，僅分別占?xì)W盟最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)的37%、16%、27%。

2.2.2 不同規(guī)模機(jī)組之間比較

不同規(guī)模機(jī)組三種污染物月均濃度箱式分布圖如圖3所示，均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。不同規(guī)模機(jī)組兩兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。根據(jù)表4、圖3及表5分析結(jié)果顯示：除300MW級(jí)和600MW級(jí)機(jī)組煙塵排放濃度均值之間不存在顯著差異之外，煙塵排放濃度隨機(jī)組規(guī)模增加有明顯的降低趨勢(shì)；而SO2方面，1000MW等級(jí)機(jī)組排放濃度明顯高于其他等級(jí)機(jī)組，其他等級(jí)機(jī)組之間排放濃度有隨規(guī)模增加略微升高趨勢(shì)但差異并不顯著；NOx方面，除100～200MW級(jí)與300MW級(jí)機(jī)組之間不存在顯著差異外，NOx排放濃度隨機(jī)組規(guī)模增加有明顯的升高趨勢(shì)。

表4 不同規(guī)模機(jī)組月均濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表5 不同規(guī)模機(jī)組排放濃度均值t檢驗(yàn)雙尾概率P值

圖3 不同規(guī)模機(jī)組月均濃度分布箱式圖

2.3 月均績(jī)效排放特征

2.3.1 總體樣本特征

本研究139臺(tái)機(jī)組三種污染物月平均排放績(jī)效統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示，三種污染物月均濃度頻度分布如圖4所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該省139臺(tái)機(jī)組煙塵月平均排放績(jī)效主要分布在0.005～0.014g/(kW·h)之間，平均值為0.010g/(kW·h)；SO2月平均排放績(jī)效主要分布在0.03～0.09g/(kW·h)之間，平均值為0.06g/(kW·h)；NOx月平均排放績(jī)效主要分布在0.07～0.16g/(kW·h)之間，平均值為0.12g/(kW·h)。

圖4 月均績(jī)效值頻次分布

表6 月均績(jī)效統(tǒng)計(jì)結(jié)果 g/(kW·h)

與美國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)(CFR40-Part60-subpartDa)中最嚴(yán)排放限值(適用于2011年5月3日以后的新、擴(kuò)建機(jī)組)煙塵、SO2、NOx排放績(jī)效分別為0.09、1.0、0.7b/(MW·h)(即0.04、0.45、0.32g/(MW·h)-1)[25-26]相比，本研究139臺(tái)超低機(jī)組12個(gè)月煙塵、SO2、NOx排放中90%的月平均績(jī)效不超過(guò)0.014、0.09、0.16g/(kW·h)，僅分別占美國(guó)最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)的35%、20%、50%。

2.3.2 不同規(guī)模機(jī)組之間比較

不同規(guī)模機(jī)組三種污染物月均排放績(jī)效箱式分布圖如圖5所示，均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示。不同規(guī)模機(jī)組兩兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果如表8所示。從表7、圖5可以看出，隨機(jī)組規(guī)模的增加，煙塵、SO2和NOx排放績(jī)效均有隨機(jī)組規(guī)模增大下降的趨勢(shì)。表8雙尾檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步顯示，除300MW級(jí)和600MW級(jí)機(jī)組煙塵排放濃度均值之間不存在顯著差異外，煙塵排放績(jī)效隨機(jī)組規(guī)模增大而顯著下降；SO2排放績(jī)效1000MW級(jí)機(jī)組顯著低于其余各等級(jí)機(jī)組，其余各等級(jí)機(jī)組之間的差異并不顯著；而所有等級(jí)機(jī)組NOx排放績(jī)效在各等級(jí)機(jī)組之間均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異。

圖5 不同規(guī)模機(jī)組月均績(jī)效分布箱式圖

表7 不同規(guī)模機(jī)組月均績(jī)效統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表8 不同規(guī)模機(jī)組排放績(jī)效均值t檢驗(yàn)雙尾概率P值

表8中雙尾概率P值大于顯著性水平0.05代表兩者之間不存在顯著差異。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)因燃煤電廠大氣污染物排放濃度與煤質(zhì)、負(fù)荷變化、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行波動(dòng)等多方面息息相關(guān)，隨著統(tǒng)計(jì)時(shí)間段加長(zhǎng)，燃煤電廠大氣污染物在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小時(shí)均值100%符合超低限值的概率逐漸降低，但符合率達(dá)到95%及以上的機(jī)組占比情況相對(duì)穩(wěn)定(下半年均在90%以上)，因此在火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中引入小時(shí)均值濃度符合率的評(píng)判條件具有科學(xué)性和實(shí)際意義。

(2)139臺(tái)超低燃煤機(jī)組全年12個(gè)月中90%的煙塵、SO2、NOx排放濃度月均值分別不超過(guò)3.7、24、40mg/m3，排放績(jī)效月均值不超過(guò)0.014、0.091、0.157mg/m3，排放濃度僅分別占?xì)W盟最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)限值的37%、16%、27%，排放績(jī)效分別占美國(guó)最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)的35%、20%、50%；同時(shí)從均值和頻度分布情況來(lái)看，我國(guó)超低排放專項(xiàng)行動(dòng)的實(shí)施情況良好，燃煤電廠大氣污染物排放水平、污染治理技術(shù)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性均已處于世界領(lǐng)先水平，為進(jìn)一步修訂國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)奠定了良好基礎(chǔ)。

(3)根據(jù)本文小時(shí)濃度符合率、月均濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，考慮中國(guó)環(huán)境保護(hù)稅按月計(jì)算，并結(jié)合本文作者之前關(guān)于達(dá)標(biāo)評(píng)判方法的研究成果[19,27]，建議下一步超低排放限值上升為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，明確在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)評(píng)判方法為同時(shí)滿足月均濃度不超過(guò)限值要求，日均濃度不超過(guò)限值的1.1倍，小時(shí)濃度均值按月統(tǒng)計(jì)95%的概率不超過(guò)限值；同時(shí)豁免并網(wǎng)后4小時(shí)、解列前1小時(shí)內(nèi)的NOx超標(biāo)數(shù)據(jù)。