中國(guó)燃煤電廠大氣污染物排放研究進(jìn)展

顧 晨，趙 瑜

(南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210023)

中國(guó)持續(xù)的城市化和工業(yè)進(jìn)程推動(dòng)能源和電力需求在過(guò)去20 a中快速增長(zhǎng)[1-2]。作為全球最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，中國(guó)一次能源和發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以煤炭為主導(dǎo)。據(jù)英國(guó)石油公司(BP)2021年發(fā)布的世界能源統(tǒng)計(jì)回顧數(shù)據(jù)[3]顯示，2020年中國(guó)煤炭消費(fèi)總量為28.3億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占世界煤炭消費(fèi)總量的50%左右；國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)表明，2020年煤電行業(yè)消耗了超過(guò)一半的中國(guó)煤炭產(chǎn)量。2000—2020年，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)從9.9萬(wàn)億到100.5萬(wàn)億元人民幣，年均增長(zhǎng)12.4%[4]；與此同時(shí)，燃煤電廠裝機(jī)容量和消費(fèi)的煤炭總量分別從2.4億kW和5.3億t增加至12.5億kW和20.2億t，年均增長(zhǎng)率分別為8.8%和7.1% 。2017—2020年期間，煤電行業(yè)煤炭消耗開(kāi)始逐漸放緩，年均增長(zhǎng)速率下降至1.4%。反映出近年來(lái)中國(guó)在提高煤炭利用效率的貢獻(xiàn)(與GDP增速相比)和減少煤炭消費(fèi)總量的努力(與裝機(jī)容量的增速相比)。作為發(fā)電的基礎(chǔ)能源設(shè)施，電廠在燃煤過(guò)程中會(huì)排放大量的大氣污染物，包括二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)等，導(dǎo)致區(qū)域大氣污染和酸雨的形成[5]。根據(jù)對(duì)中國(guó)4個(gè)典型城市源解析研究，燃煤電廠排放對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)在3.0%～26.0%[6]；在北京冬季重污染時(shí)段，燃煤電廠貢獻(xiàn)值可高達(dá)58.2%[7]。不僅如此，燃煤電廠排放的大氣污染物會(huì)通過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)男问竭M(jìn)行遷移和擴(kuò)散，在更大的時(shí)間和空間尺度上危害自然環(huán)境和人體健康，加劇由發(fā)電燃煤帶來(lái)的空氣污染問(wèn)題[7]。例如，有研究認(rèn)為來(lái)自東亞的大氣污染物通過(guò)長(zhǎng)距離傳輸跨越太平洋，促進(jìn)美國(guó)西部地區(qū)臭氧(O3)質(zhì)量濃度升高[8]。

為有效控制煤電行業(yè)大氣污染物排放，改善環(huán)境空氣質(zhì)量，中國(guó)逐步更新和加嚴(yán)燃煤電廠大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，并采取了一系列措施提高能源利用效率和污染物去除水平。純凝汽式高效大型煤粉鍋爐，以及煙氣脫硫(FGD)、選擇性催化還原(SCR)或選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝和靜電/布袋除塵等先進(jìn)末端控制技術(shù)被大量應(yīng)用于燃煤機(jī)組。2015年，大型機(jī)組(≥600 MW)的裝機(jī)容量占比從2000年的8.1%顯著增加到45.5%，小規(guī)模機(jī)組(<100 MW)的裝機(jī)容量占比從2000年的22.4%下降到6.9%；安裝FGD和SCR/SNCR的燃煤機(jī)組比例分別達(dá)到了95.6% 和84.2%，除塵器平均效率達(dá)到99.8%以上[9-11]。同年，中國(guó)發(fā)布了《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，作為中國(guó)大氣清潔行動(dòng)計(jì)劃的重要部分。在國(guó)家政策的推動(dòng)下，中國(guó)煤電行業(yè)的能源利用效率進(jìn)一步提升，到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗由2015年的315 g/(kW·h)(標(biāo)準(zhǔn)煤)下降到2020年的310 g/(kW·h)(標(biāo)準(zhǔn)煤)，PM，SO2和NOx的排放質(zhì)量濃度分別不高于10，35和50 mg/m3[12-14]。國(guó)內(nèi)已有許多研究者針對(duì)上述控制措施與中國(guó)推行的清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃展開(kāi)評(píng)估，認(rèn)為有效的政策制定、嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的控制技術(shù)推動(dòng)了燃煤電廠污染物減排，對(duì)改善環(huán)境空氣質(zhì)量起到了積極作用[15-16]。

準(zhǔn)確、可靠的大氣污染物排放資料有助于確定污染源特征并支持相關(guān)政策制定。

盡管近年來(lái)燃煤電廠在節(jié)能減排和污染治理方面取得了顯著的成效，但當(dāng)前大氣污染物的平均排放水平與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在較大的差距，同時(shí)面臨低碳發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。因此，準(zhǔn)確掌握燃煤電廠排放的歷史演變特征，進(jìn)而提出更加嚴(yán)格的、明確的污染控制措施和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整目標(biāo)，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)煤電行業(yè)減污降碳、協(xié)同增效目標(biāo)提供重要科學(xué)依據(jù)。本研究總結(jié)了中國(guó)燃煤電廠污染控制和排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程，綜述了燃煤電廠大氣污染物排放估算方法和結(jié)果的主要進(jìn)展，旨在整體評(píng)價(jià)中國(guó)燃煤電廠大氣污染物排放特征及其驅(qū)動(dòng)因素，從而為未來(lái)大氣污染綜合防治政策的制定提供參考。

1 燃煤電廠控制歷程與排放標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)政策文件的發(fā)布日期，本文將燃煤電廠的控制歷程劃分為4個(gè)階段，分別為2005年之前、2005—2011年、2012—2014年和2015年至今。4個(gè)階段具體執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)政策如圖1所示。

圖1 中國(guó)燃煤電廠4個(gè)階段的大氣污染物控制相關(guān)政策與排放標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 Air pollutant control policies and emission standards for the four stages of coal-fired power plants in China

第1階段：早在1973年，中國(guó)頒布GBJ 4—1973《工業(yè)“三廢”排放試行標(biāo)準(zhǔn)》，首次以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的方式對(duì)燃煤電廠大氣污染物排放提出限值要求，對(duì)煙塵和SO2的排放速率和煙囪高度提出了具體要求。1991年，頒布GB 13223—1991《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，針對(duì)不同類型的除塵設(shè)施和相應(yīng)燃煤灰分制定不同的排放標(biāo)準(zhǔn)限值；1996年該標(biāo)準(zhǔn)重新修訂頒布，更名為GB 13223—1996《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，首次增加NOx為污染物，并要求燃煤電廠開(kāi)始使用脫硫設(shè)施。在這一時(shí)期經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)大氣污染物的管控相對(duì)寬松，最具有代表性的政策是“兩控區(qū)”(酸雨控制區(qū)和SO2控制區(qū))劃分，通過(guò)換燒低硫煤、關(guān)停小機(jī)組和降低煤耗等綜合性措施降低管控區(qū)域內(nèi)的SO2排放。

隨著以SO2排放導(dǎo)致大氣環(huán)境問(wèn)題凸顯，第2階段開(kāi)始執(zhí)行更為嚴(yán)格的GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，SO2和PM的排放限值顯著下降，燃煤機(jī)組最嚴(yán)格質(zhì)量濃度限值要求分別從1 200 mg/m3和200 mg/m3下降至400 mg/m3和50 mg/m3。同時(shí)，設(shè)定了SO2排放總量控制目標(biāo)，要求“十一五”(2006—2010年)期間全國(guó)SO2排放總量下降10%以上。煤電行業(yè)成為大氣污染控制主要對(duì)象，所有新建純凝汽式發(fā)電機(jī)組容量需在300 MW以上，同時(shí)關(guān)停累計(jì)50 GW以上的落后低能效機(jī)組；提出了煤電行業(yè)全面脫硫要求，所有新建燃煤電廠和大量在用電廠需安裝并投運(yùn)FGD。上述總量控制措施使得SO2污染問(wèn)題得到一定程度的改善[17]。

隨著以污染物二次轉(zhuǎn)化與生成為特征的區(qū)域復(fù)合污染日益嚴(yán)重，第3階段執(zhí)行的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)大幅度收緊了SO2、NOx和PM排放限值(低于歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū))，成為世界最嚴(yán)格的火電廠排放標(biāo)準(zhǔn)之一。在對(duì)SO2排放總量提出繼續(xù)下降要求(“十二五”期間(2011—2015年)減少8%)同時(shí)，首次提出全國(guó)NOx總量控制目標(biāo)，要求“十二五”期間減排10%，并針對(duì)重點(diǎn)地區(qū)制定特別排放限值。SCR技術(shù)在此階段大量應(yīng)用于燃煤電廠。

第4階段，隨著中國(guó)燃煤電廠裝機(jī)容量和發(fā)電量的持續(xù)增加，為進(jìn)一步改善環(huán)境空氣質(zhì)量，我國(guó)頒布《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，要求燃煤機(jī)組排放水平達(dá)到燃?xì)鈾C(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)(PM，SO2和NOx的煙氣排放質(zhì)量濃度分別不高于10，35和50 mg/m3)，推動(dòng)對(duì)脫硫、脫硝以及除塵等末端控制技術(shù)進(jìn)行超低排放改造，實(shí)現(xiàn)大氣污染物排放的進(jìn)一步下降。全國(guó)超低排放煤電機(jī)組的裝機(jī)容量從2013年的0增加到2021年的11.1億kW，約占全國(guó)煤電總裝機(jī)容量的89%。

2 燃煤電廠大氣污染物排放表征方法

大氣污染物排放清單是研究大氣污染問(wèn)題的重要基礎(chǔ)資料，在厘清污染成因來(lái)源、識(shí)別重點(diǎn)污染源與關(guān)鍵污染物、設(shè)計(jì)污染防治方案時(shí)均需要詳細(xì)的排放清單作為依據(jù)。由于燃煤電廠對(duì)人為源排放以及空氣質(zhì)量的重要貢獻(xiàn)，其排放特征受到了國(guó)內(nèi)外科研工作者們的廣泛關(guān)注，在全球或區(qū)域的排放清單編制時(shí)，一般將燃煤電廠作為獨(dú)立的一類行業(yè)來(lái)研究。近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)公開(kāi)度的提高和排放清單編制方法的進(jìn)步，煤電行業(yè)排放清單的準(zhǔn)確性和時(shí)空精細(xì)程度都有了顯著的提升。

我國(guó)早期的排放清單主要用于對(duì)污染物總量控制提供參考，排放數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》[18]，包含重點(diǎn)排污企業(yè)的基本情況、廢氣排放情況以及環(huán)境污染治理投資等信息。燃煤電廠大氣污染物排放量基于活動(dòng)水平(一般為燃料消耗量)和平均排放因子(單位活動(dòng)水平的污染物排放強(qiáng)度)進(jìn)行估算，空間尺度一般為國(guó)家級(jí)或省級(jí)。該方法忽略了鍋爐類型、燃燒器布置形式、燃燒條件和燃料品質(zhì)等重要因素對(duì)排放水平的影響，也較少考慮能源效率提升和末端控制技術(shù)的進(jìn)步對(duì)排放因子的影響[18-21]。隨著方法學(xué)的改進(jìn)，研究者逐步發(fā)展了基于技術(shù)的“自下而上”排放清單編制方法，即排放量基于不同技術(shù)類型的電廠分別計(jì)算，再加和至整個(gè)行業(yè)。該方法通常以省、市為基本地區(qū)單元，根據(jù)當(dāng)時(shí)正在執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)限值和有限的排放特征現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，確定不同鍋爐、燃料和控制技術(shù)類型對(duì)排放的影響，并考慮上述信息的時(shí)間演替過(guò)程，建立包含年際變化的動(dòng)態(tài)排放因子，一定程度上克服了使用行業(yè)平均排放因子法帶來(lái)的弊端，能夠更加準(zhǔn)確反映出燃煤電廠的排放變化趨勢(shì)，降低排放量估算結(jié)果的不確定性[22-26]。

隨著企業(yè)級(jí)電廠數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和完善，燃煤電廠的地理位置、煤炭消耗、鍋爐類型、燃料品質(zhì)、末端控制技術(shù)去除效率等排放量計(jì)算關(guān)鍵信息的可獲取性逐漸提高。研究者發(fā)展了“基于機(jī)組/發(fā)電設(shè)備”的煤電行業(yè)排放清單編制技術(shù)方法，將以往行業(yè)級(jí)排放表征精細(xì)程度大幅度推進(jìn)至企業(yè)級(jí)。在排放空間分配方面，也將以往基于人口、GDP等代用參數(shù)的分配方式加以優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源排放特征的精確分配。方法學(xué)的改進(jìn)和數(shù)據(jù)獲取瓶頸的突破進(jìn)一步有效提升了燃煤電廠排放清單的可靠性、時(shí)空分辨率和對(duì)氣候/空氣質(zhì)量模式的適用性[27-30]。

近年來(lái)，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和超低排放改造政策的廣泛實(shí)施使得燃煤電廠的排放水平與時(shí)空分布發(fā)生了較大變化，而受限于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息收集、整理的滯后性，以往排放清單方法對(duì)上述變化過(guò)程的表征有所欠缺。此外，重污染事件及公共衛(wèi)生事件(如新冠疫情防控)的空氣質(zhì)量評(píng)估對(duì)于精確掌握短期內(nèi)不同時(shí)段、工況下電廠排放情況提出了更高需求。隨著應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙氣中污染物濃度的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)在燃煤電廠中安裝比例不斷增加，CEMS數(shù)據(jù)的可靠性和公開(kāi)程度逐漸提升，已成為污染預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)與排放達(dá)標(biāo)狀況分析等污染防治相關(guān)工作的重要依據(jù)。為提高燃煤電廠在排放因子、末端控制效率估算中的準(zhǔn)確性，量化污染物排放的迅速變化，研究者開(kāi)始發(fā)展基于CEMS數(shù)據(jù)搜集、篩選、檢驗(yàn)和評(píng)估的煤電行業(yè)排放清單建立方法，利用出口煙氣流量和污染物濃度估算排放量，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的小時(shí)分辨率動(dòng)態(tài)排放實(shí)施定量表征[31-35]。相關(guān)結(jié)果表明：基于CEMS估算的燃煤電廠污染物排放因子要明顯低于以往“自下而上”排放清單編制中的參考值，反映了在超低排放限制要求下的煤電行業(yè)大氣污染物控制成效。

除利用“自下而上”的方法來(lái)估算燃煤電廠排放外，在過(guò)去10 a中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的普及為大氣污染物排放表征提供了“自上而下”的思路。衛(wèi)星遙感觀測(cè)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)范圍小、成本高的缺點(diǎn)，能夠在較大范圍和長(zhǎng)時(shí)間序列捕捉污染物在區(qū)域的分布；基于衛(wèi)星資料得到的對(duì)流層垂直柱濃度被認(rèn)為是衡量污染物在大氣中濃度水平的重要指標(biāo)。由于衛(wèi)星觀測(cè)不能直接識(shí)別具體的污染來(lái)源，研究者們首先針對(duì)人為排放源結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、區(qū)域排放水平相對(duì)較低、靠近煤炭資源的地區(qū)(例如內(nèi)蒙古)，利用衛(wèi)星遙感識(shí)別單個(gè)大型電廠的運(yùn)行狀況和排放特征[36]?；谛l(wèi)星觀測(cè)柱質(zhì)量濃度與“自下而上”排放清單中SO2/NOx排放量比值的一致性，利用衛(wèi)星柱質(zhì)量濃度的年際相對(duì)變化評(píng)估燃煤電廠末端控制技術(shù)運(yùn)行效果。隨著研究的深入，應(yīng)用衛(wèi)星對(duì)流層垂直柱質(zhì)量濃度“自上而下”定量反演污染物排放水平的方法開(kāi)始受到關(guān)注，例如，基于化學(xué)傳輸模式的逆向模擬考慮了大氣污染物的水平傳輸與非線性大氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，近年來(lái)得到不斷改進(jìn)和發(fā)展，應(yīng)用較為廣泛[37-42]?？傮w而言，衛(wèi)星資料由于相對(duì)較高的時(shí)空分辨率和及時(shí)性，在幫助檢驗(yàn)和減少“自下而上”排放清單中的不確定性，以及污染源控制與管理方面發(fā)揮了積極作用。如何提升衛(wèi)星遙感對(duì)源類型識(shí)別的精細(xì)程度，以及減少其受氣象條件影響而導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量欠缺的問(wèn)題，是當(dāng)前研究面臨的主要挑戰(zhàn)。

3 燃煤電廠大氣污染物排放特征

3.1 基于“自下而上”方法的大氣污染物排放量演變

過(guò)去20 a，國(guó)內(nèi)外學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)將燃煤電廠作為單獨(dú)的排放源，基于不同的方法和數(shù)據(jù)建立了一系列大氣污染物排放清單。在這段時(shí)期內(nèi)，燃煤電廠是中國(guó)SO2、NOx和一次細(xì)顆粒物(PM2.5)最重要人為排放源之一，而對(duì)部分其他大氣污染物(例如CO和揮發(fā)性有機(jī)物)的排放貢獻(xiàn)占比相對(duì)較低；現(xiàn)行的火電廠排放標(biāo)準(zhǔn)中常規(guī)污染物也只包含了SO2、NOx和顆粒物。因此，以SO2、NOx和PM2.5三種污染物為對(duì)象，通過(guò)對(duì)比4個(gè)階段各研究中大氣污染物的排放總量與年際變化趨勢(shì)，分析不同階段中影響燃煤電廠排放的主要因素(圖2)。

在國(guó)內(nèi)外排放清單產(chǎn)品方面，選取了全球排放清單EDGAR(Emission Database for Global AtmosphericResearch)，亞洲排放清單REAS(Regional Emission Inventory in Asia)以及中國(guó)的多尺度排放清單MEIC(Multi-resolution Emission Inventory for China)；同時(shí)選取了中國(guó)電力行業(yè)發(fā)展報(bào)告以及多篇具有代表性的研究工作成果[11,25,30-35,43-50]。其中，由于CEMS信息獲取難度相對(duì)較大、數(shù)據(jù)龐雜對(duì)質(zhì)控要求更高，近年來(lái)基于CEMS研究大多針對(duì)單一年份進(jìn)行。由于在“自上而下”的方法學(xué)中，衛(wèi)星反演的柱濃度無(wú)法直接區(qū)分出排放部門(mén)的變化，因此針對(duì)煤電行業(yè)排放的定量研究數(shù)量極少。

幾乎所有的排放清單都反映了PM2.5排放趨勢(shì)的一致性(圖2(a))，即在第1階段持續(xù)上升，在第2階段中開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并在2011年左右出現(xiàn)了新的峰值，隨后在治理力度加大的控制下排放持續(xù)降低。相對(duì)于其他結(jié)果，亞洲排放清單REAS對(duì)中國(guó)煤電行業(yè)PM2.5排放估計(jì)較高，可能是由于缺乏高效除塵設(shè)施應(yīng)用率和去除效率信息所致。大多數(shù)研究對(duì)SO2排放年際變化趨勢(shì)的估計(jì)相似，大約在第2階段初期(2005—2006年)達(dá)到峰值，隨后開(kāi)始下降(圖2(b))；NOx排放趨勢(shì)同樣顯示出了較好的一致性，在第3階段開(kāi)始出現(xiàn)顯著的下降(圖2(c))。值得注意的是，全球排放清單EDGAR中，SO2和NOx中的排放趨勢(shì)與其他研究結(jié)果明顯不同，沒(méi)有體現(xiàn)出近年來(lái)排放迅速下降的特點(diǎn)，這可能是由于EDGAR缺乏中國(guó)燃煤電廠脫硫和脫硝控制進(jìn)展情況的信息。此外，基于CEMS的排放結(jié)果大部分低于“自下而上”的研究結(jié)果，主要是由于以往排放因子數(shù)據(jù)(較早國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù))較少考慮超低排放改造對(duì)于排放的影響。

圖2 不同研究對(duì)我國(guó)2000—2020年燃煤電廠PM2.5，SO2和NOx排放量的估計(jì)Fig.2 Estimates of PM2.5，SO2 and NOx emissions from coal-fired power plants in China from 2000 to 2020 by different studies

全國(guó)排放清單MEIC估計(jì)2000—2004年煤電行業(yè)排放PM2.5由113萬(wàn)t上升至140萬(wàn)t[45](REAS年排放估計(jì)較MEIC高12.1%～67.3%)。自GB 13223—1996《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

頒布實(shí)施后，燃煤電廠原先普遍應(yīng)用的旋風(fēng)除塵器、文丘里水膜除塵器與斜棒柵除塵器等因其除塵效率低，無(wú)法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)而遭到淘汰，高效靜電除塵器開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用，1998年全國(guó)燃煤機(jī)組安裝ESP的比例超過(guò)75%[51]，除塵效率達(dá)到97%以上。但由于發(fā)電量的增加，PM2.5排放在第1階段仍呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著第2階段GB 13223—2003標(biāo)準(zhǔn)中煙塵排放限值的加嚴(yán)，燃煤電廠的先進(jìn)除塵技術(shù)進(jìn)入快速規(guī)?；瘧?yīng)用時(shí)期，促進(jìn)了PM2.5排放下降。電除塵器在燃煤電廠的應(yīng)用在2010年前后達(dá)到峰值，占全國(guó)煤電機(jī)組的95%；同時(shí)電袋復(fù)合除塵和袋式除塵技術(shù)不斷改進(jìn)。同時(shí)，“十一五”期間關(guān)停落后機(jī)組等措施也限制了污染物的排放?；跈C(jī)組的排放清單結(jié)果表明，2010年全國(guó)煤電行業(yè)PM2.5年排放量65萬(wàn)～83萬(wàn)t，相較2005年下降5.7%～53.6%[28-30,47,50]。2010年之后的第3，4階段，中國(guó)煤電行業(yè)的除塵技術(shù)形成了以高效電除塵器、電袋復(fù)合除塵器和袋式除塵器為主的格局，2015年安裝比例分別占全國(guó)煤電機(jī)組的68.3%，8.4%和23.3%；超低排放改造全面實(shí)施后，PM2.5排放量進(jìn)一步下降，2020年MEIC排放清單中煤電行業(yè)PM2.5排放量約為20萬(wàn)t，相較于歷史最高水平2004年下降85.7%[45]。CEMS信息能夠較好的反映超低排放改造成效(2019年燃煤電廠排放煙氣污染物小時(shí)平均質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)率達(dá)97.7%)，基于CEMS數(shù)據(jù)，2014—2017年燃煤電廠PM2.5年排放量下降73.1%，與MEIC結(jié)果相比減少31.6%～80.0%[33-34]。

對(duì)于煤電行業(yè)SO2排放，第1階段污染防治政策和排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行相對(duì)寬松，例如在GB 13223—1996標(biāo)準(zhǔn)(具體限值如圖1所示)要求下，全國(guó)大部分電廠無(wú)需安裝FGD即可排放達(dá)標(biāo)；截至2003年，全國(guó)FGD機(jī)組裝機(jī)容量?jī)H占全國(guó)總量的4.5%。煤電行業(yè)煤炭消耗量的快速增加導(dǎo)致第1階段SO2排放顯著上升，大量研究結(jié)果表明，“十五”期間(2000—2005年)煤電行業(yè)SO2年排放量由810萬(wàn)～1 080萬(wàn)t上升至1 300萬(wàn)～1 840萬(wàn)t[11,30,45,50]。第2階段，中國(guó)燃煤電廠的煙氣脫硫進(jìn)入了快速發(fā)展階段，石灰石-石膏濕法等FGD技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年全國(guó)煙氣脫硫裝置的裝機(jī)容量占比增加到71.0%(4.6億kW)，國(guó)家通過(guò)調(diào)整脫硫電價(jià)的方式對(duì)安裝FGD設(shè)施的電廠進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼，為脫硫提供市場(chǎng)激勵(lì)政策。燃煤電廠SO2排放量迅速下降，部分研究計(jì)算2010年排放量730萬(wàn)～930萬(wàn)t，已低于2000年的水平。但在此期間，存在FGD投運(yùn)成本較高、脫硫監(jiān)管力度不足等問(wèn)題，部分電廠FGD并未全時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行，削弱了污染控制成效[52-53]。第3階段和第4階段，隨著GB 13223—2011和超低排放限值的執(zhí)行，所有燃煤機(jī)組要求必須安裝脫硫設(shè)施，綜合脫硫效率達(dá)到85%以上。以MEIC結(jié)果為例，2015和2020年煤電行業(yè)SO2排放量分別為390萬(wàn)和120萬(wàn)t，較2010年減少49.4%和84.4%?；贑EMS數(shù)據(jù)，2014—2017年燃煤電廠SO2平均排放因子為0.01～2.60 kg/t(標(biāo)準(zhǔn)煤)，3 a間年排放量下降65.2%；與 MEIC結(jié)果相比，年排放量減少13.8%～69.5%[30-34]。

中國(guó)對(duì)于NOx控制落后于SO2。雖然早在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始應(yīng)用鍋爐低NOx燃燒器(LNB)，但2011年之前相對(duì)寬松的排放標(biāo)準(zhǔn)并未強(qiáng)制煤電行業(yè)應(yīng)用煙氣脫硝設(shè)施。截至2011年初，全國(guó)僅有200余燃煤機(jī)組配置和運(yùn)行了煙氣脫硝裝置，所占裝機(jī)容量比例僅為14%?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，在未使用煙氣脫硝情況下，煤粉爐NOx排放因子受裝機(jī)容量、燃料類型和燃燒器布置方式影響較大，平均值大體在4.0～11.0 kg/t(標(biāo)準(zhǔn)煤)；其中，LNB技術(shù)對(duì)NOx實(shí)際去除率僅為40%左右[54]。由于燃煤過(guò)程中排放的大量NOx屬于熱力型(即由空氣中N2和O2反應(yīng)生成)，第2階段燃煤效率的提升對(duì)于NOx排放控制的作用并不明顯，NOx排放隨火力發(fā)電量上升而迅速增加[55]。不同研究結(jié)果表明，2000—2011年煤電行業(yè)NOx排放量由340萬(wàn)～470萬(wàn)t增加至950萬(wàn)～1 130萬(wàn)t?！笆濉币?guī)劃首次對(duì)NOx提出了全國(guó)排放總量削減10%的要求，規(guī)定現(xiàn)役機(jī)組全部進(jìn)行低氮燃燒改造，裝機(jī)容量大于300 MW的燃煤機(jī)組必須安裝脫硝裝置。燃煤機(jī)組脫硝技術(shù)形成了煤粉爐以LNB+SCR為主、循環(huán)流化床鍋爐以LNB+SNCR為主的格局；2014年燃煤機(jī)組煙氣脫硝裝置的安裝比例上升至83.2%[45]。大量研究表明，煤電行業(yè)NOx排放在2011年出現(xiàn)拐點(diǎn)； MEIC和REAS排放清單分別估計(jì)2015年排放量較2010年下降了31.2%和41.1%，達(dá)到680萬(wàn)和510萬(wàn)t。2015年后，隨著超低排放改造的推進(jìn)，煤電行業(yè)NOx排放量持續(xù)降低，MEIC排放清單中2020年排放量下降至370萬(wàn)t，較2015年減少26.5%[45]?；贑EMS數(shù)據(jù)，2014—2017年燃煤電廠NOx平均排放因子為0.03～2.80 kg/t(標(biāo)準(zhǔn)煤)，3 a間排放量下降了59.5%；與MEIC結(jié)果相比，年排放量減少24.0%～79.6%[33-34]。

我國(guó)西電東送的國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃將不同省份劃分為東部發(fā)達(dá)地區(qū)(包括北京、天津、河北、上海、江蘇、安徽、浙江和廣東；西部包括新疆、西藏、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、四川、貴州、云南、廣西)和西部能源供應(yīng)地區(qū)，其中西部能源供應(yīng)地區(qū)主要包括新疆、西藏、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、四川、貴州、云南、廣西12個(gè)省份/自治區(qū)，東部發(fā)達(dá)地區(qū)包括北京、天津、河北、上海、江蘇、安徽、浙江和廣東8個(gè)省份/直轄市。

MEIC排放清單結(jié)果表明，2000—2020年，東部發(fā)達(dá)地區(qū)煤電行業(yè)PM2.5，SO2和NOx排放占比分別由32.2%，29.2%，38.3%下降至27.0%，16.0%，29.5%，而西部能源供應(yīng)地區(qū)相應(yīng)占比分別由26.4%，36.8%，25.7%提升至34.8%，54.0%，36.2%(圖3)。這一結(jié)果反映了我國(guó)煤電行業(yè)產(chǎn)能與污染物排放地區(qū)分布的時(shí)間變化過(guò)程，一方面揭示其逐漸由高電力需求區(qū)域向高能源富集區(qū)域轉(zhuǎn)移的特征，另一方面也體現(xiàn)了我國(guó)東部大氣污染相對(duì)嚴(yán)重地區(qū)的煤電行業(yè)排放控制成效。

圖3 西電東送戰(zhàn)略涉及東、西部省級(jí)行政區(qū)煤電SO2， NOx和PM2.5排放占比(數(shù)據(jù)來(lái)源于MEIC)Fig.3 Fractions of SO2，NOx and PM2.5 emissions of coal-fired power plants by eastern and western provincial-level administrative regions involved in the West-to-East Power Transmission Project for typical years (Data source：MEIC)

2000—2020年間，我國(guó)電力行業(yè)大氣污染物排放量占全國(guó)人為源總排放量呈先上升后下降的趨勢(shì)。MEIC數(shù)據(jù)結(jié)果表明，2020年電力行業(yè)PM2.5，SO2和NOx排放量占人為源總排放比例分別為3.4%，15.4%和18.9%，顯著低于歷史最高水平(2004年的10.9%，53.1%和34.5%，圖4(a))。當(dāng)前，我國(guó)提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，對(duì)煤電行業(yè)清潔化和低碳化水平提出了更高要求。2000—2020年，我國(guó)煤炭發(fā)電量占比由82.3%下降至71.2%，但與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，煤電的占比仍相對(duì)較高。未來(lái)我國(guó)新能源的裝機(jī)容量比重將不斷提升，2060年預(yù)計(jì)將達(dá)到93.6%(圖4(b))[3,13,59]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，煤電行業(yè)大氣污染物的排放量及其占比將會(huì)持續(xù)減少。

圖4 煤電排放的污染物占全行業(yè)排放的比例及不同來(lái)源的發(fā)電裝機(jī)容量占比Fig.4 Proportions of air pollutants emissions from coal-fired power plants to total anthropogenic emissions and proportion of installed capacity by primary energy type in China

3.2 基于“自上而下”的燃煤電廠排放特征

基于“自上而下”方法發(fā)展起步較晚，在第2階段(污染緩和階段)的中后期開(kāi)始逐步應(yīng)用于煤電行業(yè)大氣污染物排放的研究中，通常是通過(guò)衛(wèi)星柱質(zhì)量濃度的變化來(lái)反映或檢驗(yàn)燃煤電廠排放變化，或結(jié)合化學(xué)傳輸模式量化典型污染物(主要是NOx和SO2)的排放水平。早期的研究中，ZHANG等通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)“自下而上”的NOx排放和基于衛(wèi)星的NO2柱質(zhì)量濃度在時(shí)間演變和空間分布上表現(xiàn)出廣泛的一致性[57]，進(jìn)一步證實(shí)了來(lái)自美國(guó)宇航局Aura衛(wèi)星上的臭氧檢測(cè)儀(OMI)能夠在我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)識(shí)別新建設(shè)的大型燃煤電廠排放[23]。類似地，WANG等在隨后研究中發(fā)現(xiàn)在NOx排放源干擾較少的情況下，OMI具有追蹤燃煤電廠NOx變化的能力；并結(jié)合大氣化學(xué)傳輸模式GEOS-Chem，發(fā)現(xiàn)2007 年內(nèi)蒙古和華北地區(qū)新建電廠分別貢獻(xiàn)了當(dāng)年平均NO2柱質(zhì)量濃度的18.5%和10.0%[40]。隨著研究的深入，WANG等和LIU等分別基于OMI觀測(cè)的SO2與NO2柱質(zhì)量濃度，應(yīng)用改進(jìn)的高斯模型對(duì)全國(guó)26家電廠周?chē)腟O2排放量，以及全國(guó)48個(gè)城市的NOx排放進(jìn)行了定量評(píng)估。結(jié)果表明2005—2012年間全國(guó)燃煤電廠的平均SO2去除效率(56.0% ) 大大低于這 26 家發(fā)電廠的官方報(bào)告 (74.6%)，說(shuō)明早期較為薄弱的監(jiān)管使得中國(guó)燃煤機(jī)組運(yùn)行FGD帶來(lái)的SO2實(shí)際減排量低于預(yù)期[41]；NOx排放量在2005—2011年和2011—2015年分別增加了52%和下降了21%，且2011年后排放的下降主要?dú)w因于火電行業(yè)的減排[37]。除了應(yīng)用于燃煤電廠大氣污染物排放變化與定量的研究，衛(wèi)星數(shù)據(jù)也被用于檢驗(yàn)和評(píng)估燃煤電廠中CEMS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。Karplus等發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行GB 13223—2011標(biāo)準(zhǔn)后，CEMS和衛(wèi)星數(shù)據(jù)均顯示SO2的排放質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)，但衛(wèi)星數(shù)據(jù)估計(jì)的降幅小于CEMS的降幅，且部分地區(qū)衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示燃煤電廠SO2排放濃度并未有大幅下降[58]。因此，該研究建議在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)，建立健全鼓勵(lì)機(jī)制，督促電廠上報(bào)精確完整的排放數(shù)據(jù)，并給予電廠更多調(diào)整的時(shí)間。在最近的一項(xiàng)研究中，ZHENG等構(gòu)建了融合衛(wèi)星遙感觀測(cè)資料和“自下而上”排放源信息的動(dòng)態(tài)排放反演技術(shù)，通過(guò)衛(wèi)星柱質(zhì)量濃度校正“自下而上”NOx排放清單的部門(mén)分布，結(jié)果表明2019年NOx排放下降主要是受火電和工業(yè)行業(yè)驅(qū)動(dòng)[59]。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

煤電是煤炭消耗量和大氣污染物產(chǎn)生量最大的行業(yè)。為遏制污染物排放，我國(guó)在過(guò)去20 a實(shí)施日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和控制政策，不斷推動(dòng)發(fā)電效率的提升和末端控制技術(shù)的進(jìn)步。目前我國(guó)燃煤電廠煙氣治理水平技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，三大常規(guī)污染物(PM2.5，SO2和NOx)排放量穩(wěn)步下降，為中國(guó)空氣質(zhì)量改善做出了巨大貢獻(xiàn)。2000—2020年，煤電行業(yè)PM2.5排放由百萬(wàn)噸級(jí)下降至十萬(wàn)噸級(jí)，SO2和NOx排放由千萬(wàn)噸級(jí)下降至百萬(wàn)噸級(jí)。未來(lái)在提高非化石能源利用占比的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步推動(dòng)煤炭發(fā)電清潔化和低碳化，充分發(fā)揮其在電力安全和供應(yīng)保障中的基礎(chǔ)性作用。一方面，持續(xù)強(qiáng)化煤炭清潔利用和提升煤炭燃燒效率，優(yōu)化完善塵、硫、氮、汞多污染物協(xié)同高效凈化技術(shù)；另一方面，研發(fā)可靠、安全的碳捕集、利用和封存(Carbon capture，usage and storage)技術(shù)并推動(dòng)其廣泛應(yīng)用。通過(guò)上述措施，持續(xù)降低大氣污染物和溫室氣體排放強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)減污降碳、協(xié)同增效目標(biāo)。