超低排放

 

    剛剛過去的“十二五”，無疑是中國大氣環(huán)境保護尤其是電力行業(yè)節(jié)能減排工作極不平凡的5年。特別是2014年以來，國家陸續(xù)出臺了《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》等一系列政策文件大力支持和推進燃煤電廠超低排放改造。目前，全國已完成超低排放改造機組容量約1億千瓦，正在改造的超低排放機組容量超過0.8億千瓦。

 

    超低排放不僅實現(xiàn)了燃煤煙氣多污染物的協(xié)同減排，還緩解了“煤改氣”的高成本及氣源不足的能源短缺問題，進一步推進了燃煤電廠的節(jié)能減排和綠色發(fā)展。那么，超低排放對于我國能源與環(huán)境發(fā)展有何意義?如何推動煤炭集中清潔高效利用?

 

    超低排放是能源與環(huán)境可持續(xù)協(xié)調發(fā)展的要求

 

    國際上，發(fā)達國家經(jīng)過數(shù)十年的治理，空氣質量已得到顯著改善，但近年來國際上針對燃煤電廠大氣污染物的排放標準日趨加嚴、排放控制指標不斷增加，如2013年美國環(huán)保局(EPA)針對新建燃煤電廠修訂了大氣污染物排放標準，對普通燃煤機組和低品質煤機組規(guī)定了更嚴格的常規(guī)污染物排放標準，其中顆粒物(PM)、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOX)的排放限值分別為10.21mg/Nm3、113.40mg/Nm3和181.44mg/Nm3。除常規(guī)污染物外，發(fā)達國家針對三氧化硫(SO3)等可凝結顆粒物也提出了排放限值要求，如美國有14個州的SO3排放限值低于6mg/m3，德國、新加坡等國家燃煤煙氣中SO3的排放濃度限值為10mg/m3。

 

    我國能源資源的基本特征是富煤、少油、缺氣。煤炭占我國已探明化石能源資源儲量的94%左右，是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展最大的能源支撐，在保障我國能源安全方面起基礎性作用。為解決燃煤造成的環(huán)境污染問題，全國各地相繼推出了以天然氣替代燃煤的措施。然而2014年我國天然氣產(chǎn)量僅為1329億立方米，進口天然氣約580億立方米，天然氣產(chǎn)量和進口量遠不能滿足消費需求，全面煤改氣難以實現(xiàn)。

 

    2013年我國煤炭消費量約為36.1億噸(約占全球的50%)，其中散燒煤量占全國的22%左右，而煤炭在燃煤電廠的消費量僅18億噸(約占全國的50%，遠低于2010年美國的92%、德國的80%);京津冀、長三角、珠三角等重點地區(qū)單位國土面積能源消費強度大，尤其是煤炭消費強度約為全國平均水平的4.9倍，是美國的15.7倍，導致單位國土面積污染物排放強度大。要使重點地區(qū)空氣質量達標，必須執(zhí)行比發(fā)達國家更為嚴格的燃煤大氣污染物排放標準。

 

    鑒于我國能源消費現(xiàn)狀以及大氣污染治理的嚴峻形勢，實施燃煤電站超低排放改造，大力推進煤炭集中清潔高效利用，已成為我國深入推進能源消費革命的重要方向，是新形勢下我國大氣污染防治從減排為主向減排與質量改善并重轉變過程中的戰(zhàn)略需求。

 

    超低排放推動了大氣污染控制技術創(chuàng)新成果快速轉化應用

 

    一直以來，我國都非常重視燃煤煙氣污染控制技術的研發(fā)及應用工作。在國家和地方財政資金的長期持續(xù)支持下，特別是“十二五”以來，涌現(xiàn)了一批適應超低排放限值要求的顆粒物、二氧化硫和氮氧化物等污染物高效治理關鍵技術，如單塔高效脫硫協(xié)同除塵脫汞、全負荷高效催化脫硝協(xié)同汞氧化、高效干式除塵協(xié)同SO3控制、濕式靜電煙氣多種污染物深度凈化等關鍵技術的成功開發(fā)，為燃煤電廠實現(xiàn)超低排放奠定了良好的基礎。

 

    在改善區(qū)域大氣環(huán)境質量、推進煤炭清潔高效利用和加快行業(yè)轉型升級的客觀需求下，國內浙江能源集團、神華集團等發(fā)電集團和地方政府進一步自我加壓，通過產(chǎn)學研合作，于2014年5月底6月初率先在長三角地區(qū)的嘉興嘉華電廠1000MW機組、舟山電廠350MW機組等完成了燃煤電廠超低排放改造。隨后，超低排放技術開始逐步在京津冀魯、珠三角等重點區(qū)域燃煤機組(如三河電廠、五沙電廠等)上實現(xiàn)工程化試點應用和推廣。

 

    在實施超低排放改造的過程中，國內高等院校、科研院所、電力集團、環(huán)保企業(yè)等相繼從全過程控制角度對顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等污染物的高效協(xié)同脫除開展了進一步系統(tǒng)研究，并通過對不同環(huán)保設備的優(yōu)化集成研究，開發(fā)了自主創(chuàng)新的系列超低排放成套技術與裝備。高精度的低濃度污染物檢測方法和儀器也得到了發(fā)展和示范應用，提高了低濃度污染物的監(jiān)測能力和水平，如針對高濕條件下超低濃度的顆粒物連續(xù)在線監(jiān)測問題已實現(xiàn)突破，可滿足現(xiàn)有監(jiān)測水平的需求;SO3在線監(jiān)測儀器已開發(fā)成功，并在1000MW等機組上進行了比對試驗研究;同時，低污染燃燒技術、劣質煤超低排放技術、超超低排放技術、低成本超低排放技術等一批先進控制技術也正在加緊研發(fā)和示范應用中。此外，實施超低排放改造還促進了我國鋼鐵、建材、化工、有色等非電行業(yè)大氣污染高效治理技術的研發(fā)及應用，如非電行業(yè)全過程多污染物排放協(xié)同控制、污染物脫除與資源化利用一體化、多污染物協(xié)同控制、典型行業(yè)VOCs排放控制及替代、機動車(柴油車、汽油車、摩托車和替代燃料車)尾氣高效后處理、船舶與非道路機械污染高效控制、氨排放控制等技術。

 

    國家長期科研成果的積累和政府及企業(yè)的共同努力，為超低排放技術工程化應用夯實了基礎。同時，實施超低排放改造也推動了新技術的研發(fā)及應用，正逐漸形成相互促進、良性互動的局面。

 

    超低排放扭轉了“煤炭=污染”的觀念

 

    浙能集團嘉興嘉華電廠1000MW機組超低排放改造示范工程于2014年5月底在國內率先投入了滿負荷運行，是國內首臺超低排放燃煤發(fā)電機組。2015年環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心組織專家對超低排放機組環(huán)保性能、運行狀態(tài)、費用效益等進行了綜合評估分析，結果表明超低排放機組具有很好的穩(wěn)定性，技術經(jīng)濟性良好。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站對嘉興電廠的實測數(shù)據(jù)，示范工程的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小于超低排放限值。示范工程項目為全國燃煤電廠實施超低排放技術應用樹立了典范，推動了燃煤電廠超低排放技術的推廣，被國家能源局授予“國家煤電節(jié)能減排示范電站”榮譽稱號。超低排放技術的成功示范，扭轉了“煤炭=污染”的觀念，為煤炭清潔化利用提供了一條重要途徑。

 

    溫州發(fā)電廠330MW燃煤機組超低排放示范工程脫硝裝置采用寬溫度窗口催化劑，實現(xiàn)了機組的全負荷高效脫硝。2016年1月，華電電力科學研究院對溫州電廠330MW機組SCR脫硝裝置進行了現(xiàn)場監(jiān)測，測試結果表明在鍋爐35%~100%負荷下系統(tǒng)脫硝效率穩(wěn)定在85%以上，NOX排放濃度小于40mg/m3。

 

    燃煤電廠超低排放還同步解決了多個問題(如脫硫設計裕量不足、脫硝裝置低負荷退出、Hg等重金屬協(xié)同控制、SO3脫除以及石膏雨、酸霧等環(huán)境問題)，不僅有效提升了整體燃煤電力行業(yè)的大氣污染物減排能力，還降低了燃煤電廠大氣污染環(huán)境損害成本。

 

    根據(jù)對國內典型的300MW、600MW及1000MW等超低排放機組評估研究結果，不同超低排放機組總運行成本在2.56分/kWh~4.17分/kWh之間;鍋爐機組負荷對脫硫、脫硝系統(tǒng)運行成本影響較大，負荷越高，運行成本越低。當前，我國已投運超低排放機組主要燃用低硫煤，硫分在0.35%~0.99%之間，部分機組在設計上仍有一定的裕量，一定程度上考慮了煤質、鍋爐負荷波動時達到超低排放限值及應對重霧霾天氣條件下污染物排放達到更低排放限值的要求。表1給出了不同發(fā)電方式的發(fā)電成本對比。從表1中可以看出，超低排放燃煤機組發(fā)電成本只比執(zhí)行國家標準排放限值燃煤機組高0.016元/kWh;與燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組、燃氣鍋爐發(fā)電機組、太陽能光伏發(fā)電機組等相比，具有較好的經(jīng)濟效益。

 

    隨著燃煤電廠超低排放改造的深入實施，超低排放關鍵技術得到了不斷發(fā)展和優(yōu)化，整體改造成本有所下降，市場也逐步成熟。

 

    超低排放推動煤炭集中清潔高效利用

 

    除了燃煤電廠外，我國每年仍有7億噸左右的煤炭用于分散的、難以管控的、燃燒效率較低和污染治理措施落后或無污染治理的中小工業(yè)鍋爐/爐窯、民用鍋爐等燃燒。噸煤主要污染物排放是大型超低排放電站鍋爐的50倍以上，排放了大量污染物，尤其在冬季采暖期污染更為嚴重。例如，京津冀地區(qū)農(nóng)村散煤中，采暖用煤占90%左右，且主要集中在冬季(11月~次年3月)燃燒采暖，期間實現(xiàn)燃煤污染物超低排放顯得尤為重要。

 

    當前，我國能源領域供給側結構性改革正在加快推進。針對散燒煤污染治理問題，筆者認為也要用改革的辦法推進煤炭消費結構調整，減少終端用能散燒煤的供給，擴大煤炭在火電行業(yè)的集中利用。通過天然氣或電能等清潔能源來替代散煤，提高終端用能的非煤化比例，實現(xiàn)冬季采暖期大氣污染物超低排放。同時，將散燒煤炭集中用于污染控制設施先進的燃煤發(fā)電鍋爐或熱電聯(lián)供鍋爐上燃燒，提高散燒煤炭的利用效率，并通過升級改造實現(xiàn)燃煤煙氣污染物超低排放，從而大幅降低散燒煤污染排放水平。

 

    經(jīng)濟新常態(tài)下我國電力相對過剩的現(xiàn)象日趨顯現(xiàn)。據(jù)測算，通過電能替代散燒煤，與散燒煤炭相比，預計可實現(xiàn)大氣污染物減排90%以上，熱效率可提高20%以上，節(jié)約用煤約1.4億噸/年。同時，可提高火電廠發(fā)電設備年平均利用小時數(shù)至5600小時以上(2015年全國平均水平僅4329小時)，節(jié)約用煤約8600萬噸/年。因此，通過電價調控機制，特別是冬季采暖季節(jié)適度降低居民用電電價，引導用電采暖替代散燒煤采暖，提高社會電氣化水平，同時提高超低排放發(fā)電機組的發(fā)電負荷，降低發(fā)電成本，可顯著提升整體社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

 

    不難看出，我國以煤為主的一次能源消費結構在短期內難以根本改變，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源和環(huán)境的問題日益嚴峻。新形勢下，加快實施燃煤電廠超低排放改造，建設環(huán)境友好型的清潔燃煤電廠，是深化煤炭行業(yè)供給側改革的重要舉措，為破解我國同時存在的燃煤大氣污染和能源安全問題提供了一條重要出路，對推進大氣污染減排和加快生態(tài)文明建設都具有重要意義。

 

    另外，在實施燃煤電廠超低排放改造，推動超低排放技術創(chuàng)新發(fā)展和應用，不斷提高煤炭集中、清潔、高效利用水平的過程中，除依靠政府的政策驅動外，還需呼吁社會各方力量凝聚起來，共同推進我國大氣環(huán)境保護。

 

    作者系浙江大學能源工程學院副院長