沈海萍;刘寒梅;范海燕;钱莲英;骆倩
【摘 要】结合火电行业发展趋势、治理技术进步和减排效果等多个要素,对火电行业主要污染物排放控制现状以及实施超低排放的火电机组排放绩效进行分析比对,通过基于火电行业主要污染物总量控制目标核定下的热能动力学因子研究确定火电行业超低排放绩效标准,为排污许可证发放等环境管理制度提供技术支撑. 【期刊名称】《能源工程》 【年(卷),期】2018(000)006 【总页数】7页(P44-50)
【关键词】火电行业;超低排放;总量控制;排放绩效标准 【作 者】沈海萍;刘寒梅;范海燕;钱莲英;骆倩
【作者单位】浙江省环境保护科学设计研究院,浙江 杭州310007;浙江天地环保科技有限公司,浙江 杭州310012;浙江省环境保护科学设计研究院,浙江 杭州310007;浙江省环境监测中心,浙江 杭州310012;浙江省环境保护科学设计研究院,浙江 杭州310007 【正文语种】中 文 【中图分类】X3 0 引 言
火电行业的排放绩效标准(generating performance standard,GPS)是指每生产1
kWh电所排放的污染物的量[1-3]。GPS反映了单位电量的污染物排放强度，是一项综合反映火电机组发电过程中能源利用效率与污染物排放情况的重要指标，可以从微观到宏观用以比较不同发电机组、电厂、发电公司、电网、区域或国家的污染物排放情况[4]。该指标综合考虑了火电企业生产技术、燃料质量、发电效率、污染治理状况以及污染物排放量等因素，所以采用GPS来进行污染物排放配额分配时就不必受火电企业的机组类型、燃料硫分、生产工艺、烟气处理技术等具体情况的影响。这种分配方法易于操作、简洁，充分体现“一视同仁”的公平公正，使所有火电企业遵循同等的环境管理要求，为火电企业提供有效的竞争机制，是相对合理而科学的污染物排放控制配额分配方法[5]。
“十二五”以来，浙江省先后出台了相关政策来推进燃煤电厂超低排放工作[6]，2014年浙江省发改委发布了《关于印发浙江省2014-2017年大型燃煤机组清洁排放实施计划的通知》(浙政办发〔2014〕160号)、2015年浙江省经信委发布了《浙江省地方燃煤热电联产行业综合改造升级行动计划》(浙经信电力〔2015〕371号)的通知，要求燃煤火电机组达到统一的超低排放浓度限值，即在基准氧含量6%条件下，烟尘排放浓度不大于5 mg/m3、二氧化硫排放浓度不大于35 mg/m3、氮氧化物排放浓度不大于50 mg/m3。同时随着火电行业许可排放总量核定工作的进一步要求，对燃煤电厂超低排放的监管需求日益强烈。本研究结合浙江省火电行业发展趋势、治理技术进步和减排效果等多个要素，对火电行业主要污染物排放控制现状以及实施超低排放的火电机组排放绩效进行分析比对，通过基于火电行业主要污染物总量控制目标核定下的热能动力学因子研究确定火电行业超低排放绩效标准，为排污许可证发放等环境管理制度提供技术支撑。 1 国内外火电行业排放绩效标准实施现状和发展趋势
总量控制思想最初始于日、美等发达国家[7-8]。20世纪70年代，日本颁布了“大气污染防治法规”，首先提出排放总量控制方法，并率先在国内指定的11个
地区对SO2实行总量控制。1995年，日本分别以第70号、第75号法律重新修订了《日本大气污染控制法》，使总量控制制度得到了较大发展[9-10]。在总量控制基础上，污染物排放绩效标准最先应用在美国大气环境污染防治中，作为促进电力企业减排、实现电力工业可持续发展的一项重要举措被引入。1996年，基于产出的排放绩效标准由《州电力重组法案》开始建议使用。同期，美国环保局也开始探索用其来控制氮氧化物排放，并且在1998年和2005年修改了《新固定源》排放标准。1999年通过的美国《能源清洁法案》也要求使用统一的基于产出的排放绩效标准，对所有矿物燃料电厂实行全国范围内的污染排放控制[11]。1999年11月，美国马萨诸塞州在设计氮氧化物交易计划时，率先将排放绩效标准GPS的概念运用于火电厂氮氧化物排放权的总量分配中，取得了显著的成效[11]。美国的实践经验表明，排放绩效法在控制大气污染物排放总量方面能够有效促进电力清洁化发展并提高发电效率[12-13]。
“十一五”开始，我国以刚性约束手段对大气主要污染物实行总量控制，在全国范围内开展了SO2总量减排实践，“十二五”在SO2基础上增加了NOx减排指标，“十三五”已将大气环境质量改善目标作为减排考核中心[14]。而火电行业作为大气污染物的重点排放源，是总量控制重点监管的领域。2006年国家环保部颁布的《二氧化硫总量分配指导意见》中加强和规范了SO2总量分配的落实工作，按照区域和时段(《火电厂大气污染物排放标准》)划分，统一规定排放绩效值，将排放绩效引入电力行业的二氧化硫总量分配中，其中东部地区第Ⅲ时段机组SO2排放绩效为0.7 g/kWh，详见图1。
图1 2006年我国不同区域和时段的火电机组SO2排放绩效比对
在排放标准方面，2011年发布了行业新标准《火电厂大气污染物排放标准》，对火电行业主要大气污染物的排放浓度限值进行了大幅度提标[15-16]。2016年国家环保部印发了《火电行业排污许可证申请与核发技术规范》，对燃煤电厂排放绩
效值进行了规定，其中重点地区750 MW及以上机组的三项主要污染物SO2、NOx和烟尘的排放绩效选取值为0.175 g/kWh、0.35 g/kWh和0.07 g/kWh。“十三五”期间环保部已将火电行业超低排放作为重点行业污染物总量控制的重要减排途径。包括浙江省在内的不少地区已在逐步出台火电行业超低排放的地方标准。 图2 火电行业污染物总量指标分配绩效预测值
国内不少学者对火电行业的排放绩效进行了不同方案情景下的研究和测算。2013年，许艳玲等[1]通过基于火电厂排放标准、技术可行性以及同时考虑两者要素的三种不同方案对火电机组不同区域的排放绩效值进行测算，图2为三种方案下火电行业新建锅炉SO2和NOx总量分配绩效的预测结果，其中基于火电厂排放标准的排放绩效最低，重点地区基于排放标准下的新建锅炉SO2和NOx的排放绩效均为0.4 g/kWh。也有研究者对区域性火电行业的排放绩效进行了评估和测算。2003年朱法华等[17]评估了江苏省电力行业二氧化硫的排放现状和排放绩效的分配方案，将火电机组分为发电机组和热电联产机组，并依据装机容量进行划分，测算了2000年江苏省不同装机规模的SO2排放绩效水平，其中热电联产机组的SO2排放绩效最低，为5.27 g/kWh；600 MW的发电机组其次，为6.15 g/kWh，详见图3。2017年徐继先等[18]对浙江省2015年火电行业NOx排放绩效水平进行了研究测算，其中600 MW机组的NOx的排放绩效最低，为0.31 g/kWh，详见图4。
图3 2000年江苏省火电行业不同装机规模的SO2排放绩效水平 图4 2015年浙江省火电行业NOx排放绩效水平
尽管各学者对火电行业的排放绩效进行了广泛的研究，但大都停留在不同方案情景、不同规模、不同类型的排放绩效测评，针对火电行业超低排放并覆盖所有机组规模的统一且完整的排放绩效研究尚缺乏，难以实现将这一指标统一应用于所有火电企业遵循同等的环境管理要求。因此本研究的目的在于确定浙江省火电行业超低排放
限值下三项污染物的许可排放绩效标准，为核算许可排放量提供统一的排放绩效基数。
2 浙江省火电行业排放绩效现状分析 2.1 浙江省火电行业排放绩效趋势分析
根据浙江省2010年至2017年历年环境统计和电力统计数据，全省火电行业三项主要污染物二氧化硫、氮氧化物和烟尘的单位发电量的排放绩效总体上呈明显下降趋势。2017年，全省火电行业二氧化硫排放绩效为0.13 g/kWh，较上年下降66.07%，比2010年下降92.22%；氮氧化物排放绩效为0.17 g/kWh；较上年下降57.00%，比2010年下降92.77%；烟尘排放绩效为0.04 g/kWh，较上年下降64.37%，比2010年下降90.48%。其中，浙江省统调火电机组三项污染物的排放绩效明显低于整个火电行业平均水平，分别为0.05 g/kWh、0.13 g/kWh和0.01 g/kWh。详见图5。
图5 2010-2017年浙江省火电机组三项污染物排放绩效变化趋势 2.2 浙江省火电行业超低排放实例分析
截止2017年底，浙江省已全面完成63台39720 MW大型煤电机组的超低排放改造以及323台地方燃煤热电机组超低排放改造。本研究选取了部分已实施超低排放改造的火电企业进行调研，分析改造前后三项主要污染物SO2、NOx和烟尘的排放绩效的变化。根据调研数据，不同规模的火电机组改造后的三项污染物的排放绩效平均值均比较接近，其平均值分别为30～51、87～112、5～8 mg/kWh。且较改造前均大幅下降：装机容量300～350 MW的机组，改造后的三项污染物的排放绩效平均值分别降低85.89%、55.74%和80.90%；装机容量600～660 MW的机组，改造后三项指标平均值分别降低76.71%、57.35%和88.30%；装机容量1000～1030 MW的机组，改造后三项指标平均值分别降低74.24%、62.29%和86.66%。详见图6。
图6 浙江省火电机组实施超低排放前后三项污染物排放绩效变化情况 3 火电行业排放绩效研究
3.1 基于火电行业总量控制目标的排放绩效宏观测算研究
根据浙江省“十三五”火电行业污染物减排总量控制目标和总发电量(包括发电量以及供热折算等效发电量)的规划目标，来宏观测算浙江省“十三五”火电行业排放绩效。由于“十三五”期间，仅二氧化硫和氮氧化物两项指标作为约束性减排总量控制指标，故仅对此两项指标进行测算。浙江省“十三五”火电行业污染物总量控制目标测算方法为2015年现有机组排放量基数加上“十三五”新规划建设机组的增量再减去现有机组超低排放改造的减排量以及结构关停量。根据2015年环境统计数据，以及浙江省发改委“十三五”规划新建清洁燃煤机组的环境评价数据和结构关停计划，测算出浙江省“十三五”期间火电行业SO2和NOx排放总量控制目标分别为12.94万t和16.25万t,详见图7。浙江省“十三五”火电行业总发电量规划目标测算方法为2015年现存发电量和供热等效发电量基数之和加上“十三五”规划新增发电量以及新增供热等效发电量然后减去结构关停量。根据2015年浙江省能源统计数据和“十三五”能源发展规划，测算出浙江省“十三五”期间规划总发电量为4.88×1011 kWh,详见图8。最后根据浙江省“十三五”火电行业两项污染物排放总量控制目标和总发电量的规划目标，得出“十三五”SO2和NOx的宏观排放绩效分别为0.265 g/kWh和0.333 g/kWh。 图7 浙江省“十三五”火电行业主要污染物控制目标 图8 浙江省“十三五”火电行业发电量规划目标 3.2 基于热能动力学的火电行业排放绩效理论计算研究
采用热能动力学方法进行火电行业超低排放限值下的排放绩效的理论计算研究。首先将机组分为300、750和1000 MW三档规模，年利用小时数均按照《火电行业排污许可证申请与核发技术规范》规定的5000 h，300 MW及以上机组的排放
限值按照超低排放限值，即二氧化硫35 mg/m3，氮氧化物50 mg/m3，烟尘5 mg/m3；300 MW以下机组的二氧化硫和氮氧化物按照超低排放浓度限值，烟尘排放浓度限值根据实施计划分两个阶段执行，即10 mg/m3和5 mg/m3。污染物排放绩效计算公式如下： GPS=E/D (1)
E=c·M/1000 (2)
D=CAP×1000×5000 (3)
式中：GPS为排放绩效，g/kWh；E为污染物许可排放量，g；D为理论发电量，kWh；c为污染物许可排放浓度，mg/m3；M为废气排放量，m3；CAP为装机容量，MW。
废气排放量采用系数推算法计算： V0=0.251×QL/1000+0.278 (4)
Vy=1.04×QL/4187+0.77+1.0161(α-1)V0 (5)
M=Vy·CAP×5000×g (6)
式中：V0为理论空气需要量，m3/kg；QL为燃料煤平均低位发热量，kJ/kg；Vy为实际烟气量，m3/kg；α为过量空气系数；g为发电煤耗，g/kWh。
其中燃料煤平均低位发热量QL根据环境统计数据取值22051 kJ/kg；过量空气系数α根据《火电厂大气污染物排放标准》燃煤锅炉取值1.4；发电煤耗g采用《浙
江省电力行业节能环保白皮书》中发电标准煤耗284 g/kWh。根据公式(4)、式(5)和式(6)计算得出300、750和1000 MW机组的废气排放量M分别为4.87×109、1.22×1010和1.62×1010 m3。
然后根据公式(2)废气量M和许可排放浓度c计算得出许可排放量E；根据公式(3)装机容量CAP和年运行5000 h计算得出理论发电量D。最后根据许可排放量E和理论发电量D计算出理论排放绩效GPS。300、750和1000 MW机组的SO2理论排放绩效均为0.11 g/kWh，NOx理论排放绩效均为0.16 g/kWh；300 MW以上机组烟尘理论排放绩效均为0.016 g/kWh，300 MW以下机组两个阶段的烟尘理论排放绩效分别为0.032 g/kWh和0.016 g/kWh,详见图9和图10。 图9 火电机组废气排放量与污染物许可排放量 图10 火电机组理论发电量与污染物排放绩效 4 结 论
根据浙江省大气环境质量改善和污染物减排要求，通过对已实施超低排放火电机组的实际排放绩效分析、“十三五”火电行业总量控制排放绩效的宏观测算以及基于热能动力学的火电机组超低排放限值下的排放绩效理论计算研究，可以得出以下结论：
(1)基于总量控制目标的二氧化硫和氮氧化物的排放绩效宏观测算结果(265 mg/kWh和333 mg/kWh)均为热能动力学理论计算值(110 mg/kWh和160 mg/kWh)的两倍多，表明火电机组实施超低排放后，在年运行5000 h的前提下，“十三五”火电行业污染物总量控制目标的完成具有一定冗余量。
(2)已实施超低排放的火电机组的二氧化硫、氮氧化物和烟尘的实际排放绩效范围(30～51 mg/kWh，87～112 mg/kWh，5～8 mg/kWh)均低于理论计算值(110 mg/kWh，160 mg/kWh和16/32 mg/kWh)，表明理论计算值具备较高的实际操作性和可实现性。
(3)基于热能动力学的理论计算结果表明，在年运行小时等因子统一的前提下，排放绩效仅和排放浓度相关，与火电机组规模无相关性。
(4)火电机组超低排放限值下的三项污染物排放绩效理论计算值(110 mg/kWh、160 mg/kWh和16/32 mg/kWh)和根据国家环保部发布的《火电行业排污许可证申请与核发技术规范》中规定的重点地区排放绩效值折算成超低排放绩效值(122.5 mg/kWh、175 mg/kWh和17.5/35 mg/kWh)较接近并略小约10%，表明理论计算结果符合国家对火电行业排放绩效的要求。
综上所述，基于“十三五”火电行业总量控制目标的排放绩效宏观测算结果，结合已实施超低排放火电机组的实际排放绩效以及《火电行业排污许可证申请与核发技术规范》规定的重点地区排放绩效，在火电机组超低排放限值下的排放绩效的理论计算基础上，留有10%左右的余量，确定浙江省火电燃煤机组超低排放浓度限值下的排放绩效限值如表1。
表1 燃煤电厂排放绩效限值 mg/kWh污染物排放绩效限值<300 MW≥300 MW颗粒物35①/17.5②17.5二氧化硫122122氮氧化物175175
注：①对应阶段的排放浓度限值为10 mg/m3；②对应阶段的排放浓度限值为5 mg/m3。 5 结 语
采用排放绩效标准作为反映火电机组发电过程中兼顾能源利用效率与污染物排放控制的综合指标，根据火电机组发电量来计算其污染物许可排放量，使所有火电企业遵循同等的环境管理要求，在大气污染物总量控制方面不仅可以有效促进火电行业的清洁化发展，还可以提高发电效率。由此，实施统一的基于产出的排放绩效标准，一方面在环境管理政策方面操作简单而公平，另一方面为火电企业提供有效的竞争机制，促进火电行业的绿色持续发展。 参考文献：
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