燃煤電廠減污降碳協(xié)同治理探析*

馮永超，胡 勇，彭 逸，熊 強(qiáng)

(重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，重慶 401147)

2020年9月，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出，我國(guó)力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。十九屆五中全會(huì)將“碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降”納入2035年基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化遠(yuǎn)景目標(biāo)?，F(xiàn)階段，各個(gè)城市還普遍面臨著日益嚴(yán)重的局地大氣污染物和 CO2減排雙重壓力，我國(guó)需要在推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速減排，面臨巨大挑戰(zhàn)。好在主要大氣污染物與 CO2排放的同根同源性、措施的同效性使得兩者之間的協(xié)同控制具有較大潛力[1]。我國(guó)正在統(tǒng)籌加快開展大氣污染物治理和 CO2減排工作，推動(dòng)煤電、鋼鐵等重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超低排放，并要求在重點(diǎn)行業(yè)制定達(dá)峰專項(xiàng)方案和提出明確達(dá)峰目標(biāo)。

煤電是我國(guó)大氣污染物和二氧化碳排放的最主要來源之一[2-3]。燃煤電廠耗煤量大，排放煙氣是大氣污染物和 CO2連續(xù)集中排放源，其所排放CO2量占我國(guó)總排放量50%左右[4-5]。由于其大氣污染物和 CO2排放量大，排放相對(duì)集中，對(duì)其研究易于實(shí)現(xiàn)大氣污染物和 CO2的協(xié)同控制，因此對(duì)燃煤電站鍋爐煙氣中大氣污染物和 CO2排放的協(xié)同控制研究為國(guó)內(nèi)外廣泛重視。

1 實(shí) 驗(yàn)

某工業(yè)園區(qū)內(nèi)新建“關(guān)小建大”熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包括3×500 t/h超高壓燃煤鍋爐+2×80 MW背壓機(jī)組+1×8 MW高背壓機(jī)組，同步實(shí)施石灰石—石膏濕法脫硫、SCR脫硝、雙室一電場(chǎng)二袋場(chǎng)電袋復(fù)合式除塵。項(xiàng)目供電煤耗、綜合供熱煤耗均按優(yōu)于《GB 35574-2017熱電聯(lián)產(chǎn)單位產(chǎn)品能耗消耗限額》中規(guī)定1級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，項(xiàng)目消耗煤約155.20萬t/a，脫硫石灰石14萬t/a，建成后年運(yùn)行7500h，機(jī)組總熱效率不低于74.7%，熱電比為445%。

2 結(jié)果與討論

2.1 排污情況

擬建項(xiàng)目燃煤鍋爐按低氮燃燒技術(shù)，煙氣經(jīng)選擇性催化還原法(SCR)脫硝(尿素為脫硝劑，催化劑層數(shù)3+1)、電袋復(fù)合除塵系統(tǒng)、石灰石石膏濕法脫硫處理設(shè)計(jì)，煙氣中煙塵、二氧化硫、氮氧化物達(dá)到《全面實(shí)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(hào))中超低排放限制要求，即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3，本項(xiàng)目經(jīng)環(huán)評(píng)預(yù)測(cè)主要污染物排放見表1。該排放水平已明顯嚴(yán)于歐盟《2001年10月23日歐盟議會(huì)和歐盟委員會(huì)第2001/81/EC號(hào)指令(B)》(關(guān)于大型<大于50 MW>燃燒設(shè)備的幾種大氣污染物限值)和美國(guó)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相應(yīng)排放限值。盡管排放濃度實(shí)現(xiàn)了超低排放，但排放總量不可忽視，煙塵、二氧化硫、氮氧化物年排放總量分別達(dá)到100、400、578 t。為了環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)嚴(yán)格落實(shí)新建項(xiàng)目顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放總量替代削減方案，做到區(qū)域“增產(chǎn)不增污”。

表1 大氣污染物預(yù)測(cè)排放量

2.2 碳排放情況

根據(jù)《中國(guó)發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》、北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《二氧化碳排放核算和報(bào)告要求 電力生產(chǎn)業(yè)》(DB 11/T 1781-2020)，以建設(shè)內(nèi)容為邊界，核算生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的溫室氣體排放[6]。本項(xiàng)目主要排放源為化石燃料燃燒的二氧化碳排放、脫硫過程的二氧化碳排放。本項(xiàng)目碳排放量見表2。

表2 碳排放預(yù)測(cè)量

主要排放源為燃料燃燒排放、脫硫過程排放，碳排放總量達(dá)到3379695 t CO2。其中燃料燃燒排放量為3318095 t CO2，占比約98.2%，項(xiàng)目 CO2排放主要是燃煤排放；脫硫過程碳排放量為61600 t CO2，占比約1.8%，盡管脫硫污染治理增加了廠供電能耗，導(dǎo)致CO2排放增加，但占比僅1.8%，卻能有效降低SO2排放，脫硫效率可達(dá)到99.1%。因此，為減少碳排放，需要在技術(shù)上繼續(xù)突破，需要進(jìn)一步減少煤炭用量，未來加大燃煤清潔利用，進(jìn)一步減少燃煤用于發(fā)電的比例。

E=E燃燒+E脫硫+E電和熱

(1)

(2)

ADi=FCi×NCVi×10-6

(3)

(4)

(5)

EFk=EFk,t×TR

(6)

式中：E燃燒為化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，單位為噸二氧化碳(tCO2)；

ADi為第i種化石燃料的活動(dòng)水平，單位為太焦(TJ)；

EFi為第i種化石燃料的二氧化碳排放因子，單位為tCO2/TJ；

i為化石燃料類型代號(hào)；

NCVi是第i種燃料的平均低位發(fā)熱量，kJ/kg(煤炭)；

CCi為第i種燃料的單位熱值含碳量，單位為噸碳/太焦(tC/TJ)；

OFi為第i種化石燃料的碳氧化率，單位為%，煤炭取98%；

E脫硫?yàn)槊摿蜻^程的二氧化碳排放量，t；

CALk為第k種脫硫劑中碳酸鹽消耗量，t；

EFk為脫硫劑中碳酸鹽的排放因子，tCO2/t；

E電和熱為0，無凈購(gòu)入使用電力。

2.3 減污降碳建議

(1)采取節(jié)能減排措施，源頭協(xié)同治理。常規(guī)大氣污染物與二氧化碳排放具有同根、同源、同過程的特點(diǎn)。減少污染物排放與降低二氧化碳之間可以產(chǎn)生很好的協(xié)同效應(yīng)，提高燃煤利用效率，在降低二氧化碳排放的同時(shí)，也可以減少常規(guī)污染物排放。一方面在總平面布置、設(shè)備選型、工藝系統(tǒng)、材料選擇、節(jié)能管理等方面挖掘潛力，采用選用高效發(fā)電機(jī)組背壓機(jī)組，節(jié)能新技術(shù)、新工藝、提高熱效率，降低發(fā)電標(biāo)煤耗；另一方面應(yīng)通過技術(shù)研發(fā)進(jìn)一步減少燃煤發(fā)電煤耗，甚至是由煤改為燃?xì)饣蛏镔|(zhì)清潔能源，會(huì)帶來明顯的減污降碳協(xié)同增效效果。

(2)堅(jiān)持科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，加強(qiáng)低碳技術(shù)研究應(yīng)用。新建項(xiàng)目應(yīng)采取并探索減少碳排放和二氧化碳綜合利用的措施，預(yù)留碳捕集及中和設(shè)施的空間或接口，逐步實(shí)現(xiàn)工藝過程的低碳運(yùn)行。對(duì)于火電廠煙氣中的 CO2減排一般可以分為源頭控制和末端治理。 源頭控制即通過工藝創(chuàng)新來提高新的發(fā)電機(jī)組效率，進(jìn)一步減少發(fā)電中能耗來減少CO2的排放；末端治理就是通過捕獲、封存等措施減少 CO2排放[7-11]。 目前，大多數(shù)燃煤電廠還沒有降碳的環(huán)保設(shè)施，應(yīng)加強(qiáng)與高校、科研院所等加強(qiáng)低碳技術(shù)創(chuàng)新合作，開展二氧化碳捕集、封存、綜合利用一體化研究工作，積極探索二氧化碳資源化利用的途徑、技術(shù)和方法，形成技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用聯(lián)動(dòng)機(jī)制。如重慶是豐富的頁巖氣開采區(qū)，探索超臨界二氧化碳代替水做壓裂液的研究對(duì)頁巖氣增產(chǎn)、二氧化碳減排、減少水資源消耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[12-14]。

(3)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)方面，嚴(yán)控煤炭消費(fèi)總量，提高水電等可再生能源電力占比。穩(wěn)妥開發(fā)建設(shè)水電，因地制宜發(fā)展風(fēng)電、太陽能光伏發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電等綠色能源。

(4)推動(dòng)將碳排放納入環(huán)境影響評(píng)價(jià)與排污許可管理，推動(dòng)統(tǒng)籌融合協(xié)同控制溫室氣體與污染物排放管理。通過規(guī)劃環(huán)評(píng)、項(xiàng)目環(huán)評(píng)、排污許可推動(dòng)區(qū)域、行業(yè)和企業(yè)落實(shí)煤炭消費(fèi)削減替代，進(jìn)行碳總量控制。重慶等部分省市已率先開展了相關(guān)工作。

(5)完善全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)制度和基礎(chǔ)能力建設(shè)，發(fā)電行業(yè)作為突破口已率先在全國(guó)上線交易，和傳統(tǒng)的行政管理手段相比，碳市場(chǎng)既能將溫室氣體控排責(zé)任壓實(shí)到企業(yè)，又能夠?yàn)闇p碳提供經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制，在發(fā)電行業(yè)碳市場(chǎng)穩(wěn)妥有效運(yùn)行基礎(chǔ)上，逐步擴(kuò)大市場(chǎng)覆蓋其他高排放行業(yè)范圍，充分利用市場(chǎng)機(jī)制控制和減少溫室氣體排放。

3 結(jié) 語

減污降碳協(xié)同增效是一項(xiàng)全新的工作，任務(wù)十分艱巨，對(duì)生態(tài)環(huán)境管理部門、能源主管部門以及火電企業(yè)提出了新的管理要求。

(1)生態(tài)環(huán)境管理部門做好頂層擘畫、突出協(xié)同增效，把降碳作為源頭治理的“牛鼻子”，強(qiáng)化科技和制度創(chuàng)新，完善綠色低碳評(píng)價(jià)體系，形成有效的激勵(lì)約束機(jī)制，協(xié)同控制溫室氣體與污染物排放。

(2)電力部門深挖協(xié)同減排措施。電力部門降低煤電比重、提高綠電比例，創(chuàng)新協(xié)同減排措施，挖掘潛力等方面的協(xié)同減排效果。

(3)優(yōu)化組合末端治理。雖然工業(yè)污染治理中的超低排放會(huì)明顯降低大氣污染物排放量，但同時(shí)物料以及能耗等增加會(huì)增加 CO2排放，因此合理組合污染控制措施，將末端治理發(fā)揮最大的效用。

(4)火電企業(yè)要嚴(yán)格履行環(huán)保主體責(zé)任，必須將減污降碳管理工作常態(tài)化，充分利用市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)“減排與收益”雙贏，堅(jiān)定走清潔低碳、綠色高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級(jí)之路。