通訊作者：王佩華(1965—)，男，江蘇丹陽人，教授級高級工程師，學(xué)士，主要從事電力環(huán)保工作，E-mail：wphok@263.net

燃煤電廠“超低排放”成本效益分析

石睿，王佩華，楊倩，趙恒

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院， 武漢430071)

摘要：通過分析為實(shí)現(xiàn)“超低排放”目標(biāo)而在現(xiàn)階段采用的處理措施及其投資、運(yùn)行成本，估算相應(yīng)污染物排放量、落地濃度，并與執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)的情形對照，分析“超低排放”的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境效益?！俺团欧拧痹谀壳凹夹g(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)濟(jì)上投入增加較多，環(huán)境收益相對較弱。建議加強(qiáng)科研投入，區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，社會效益將更為明顯。

關(guān)鍵詞：超低排放；燃煤電廠；成本效益

作者簡介：石睿(1989—)，男，江蘇鹽城人，工程師，碩士，主要從事大氣環(huán)境影響研究，E-mail：shirui23@126.com

中圖分類號：X701

收稿日期：2015-07-06

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.002

“超低排放”是指在《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)的基礎(chǔ)上，燃煤電廠排放的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、煙塵濃度達(dá)到或接近該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)組的大氣污染物排放限值。目前，在浙江、廣東、江蘇、山東等省市，已建成或改造了一批達(dá)到“超低排放”限值的燃煤電廠[1]。本文從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益角度，研究燃煤電廠達(dá)到“超低排放”目標(biāo)需要的投資、運(yùn)行成本和由此減少污染物排放、改善環(huán)境空氣質(zhì)量取得的環(huán)境效益，以期對推進(jìn)“超低排放”有所參考。

1“超低排放”發(fā)展概況

《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)于2011年7月29日發(fā)布，針對現(xiàn)有燃煤發(fā)電機(jī)組和新建機(jī)組，要求分別自2014年7月1日和2012年1月1日起，執(zhí)行新的標(biāo)準(zhǔn)[2]；重點(diǎn)地區(qū)執(zhí)行特別排放限值，SO2和煙塵的控制濃度更低。近年來，電力企業(yè)紛紛提出按“超低排放”設(shè)計(jì)或改造燃煤電廠[3]。2014年3月24日，國家發(fā)改委、能源局和環(huán)保部聯(lián)合發(fā)布了《能源行業(yè)加強(qiáng)大氣污染防治工作方案》(發(fā)改能源[2014]506號)，提出“推廣應(yīng)用達(dá)到燃?xì)鈾C(jī)組排放標(biāo)準(zhǔn)的燃煤電廠大氣污染物超低排放技術(shù)”[4]。2014年6月7日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃(2014—2020年)》(國辦發(fā)[2014]31號)，明確提出“提高煤電機(jī)組準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，新建燃煤發(fā)電機(jī)組供電煤耗低于每千瓦時(shí)300克標(biāo)準(zhǔn)煤，污染物排放接近燃?xì)鈾C(jī)組排放水平”[5]。2014年9月12日，國家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局共同發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃(2014—2020年)》(發(fā)改能源[2014]2093號)，明確指出新建機(jī)組基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，即在基準(zhǔn)含氧量6%的情況下，煙塵、SO2和NOx分別達(dá)到10、35和50 mg/m3[6]。本文“超低排放”指標(biāo)即按該限值執(zhí)行。

2“超低排放”技術(shù)路線

燃煤電廠二氧化硫和氮氧化物所占比例較高，是造成我國酸雨的重要原因。針對電廠污染，從20世紀(jì)90年代開始，我國環(huán)境治理力度顯著加強(qiáng)。截至2013年，全國已投運(yùn)煙氣脫硫機(jī)組容量約7.15億kW，占全國煤電機(jī)組容量的91%，煙氣脫硝機(jī)組容量達(dá)到4.3億kW，煤電脫硝比例達(dá)到55%，所有煤電機(jī)組都配置高效除塵設(shè)施[7]。2013年燃煤電廠煙塵排放總量約為1 200萬t，SO2排放總量約為2 000萬t，NOx排放總量約為2 200萬t，其中電力行業(yè)對應(yīng)排放量分別約為140萬t、820萬t、840萬t[8]。

2.1　脫硫系統(tǒng)

我國脫硫系統(tǒng)主要引進(jìn)自國外成熟技術(shù)，目前國內(nèi)主要采用的方法包括濕法、半干法、干法、可再生工藝和聯(lián)合脫SO2/NOx等[9]。

2.2　脫硝系統(tǒng)

煙氣中NOx的來源主要有：(1)熱力型，空氣中的N2在高溫下氧化生成NOx；(2)燃料型，燃料中的含氮化合物在燃燒過程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化而生成NOx；(3)快速型，燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)等反應(yīng)生成NOx[10]。其中，燃煤電廠煙氣中的NOx主要為燃料型，為降低NOx的排放，采取的主要減排措施是控制燃燒過程中NOx的生成和對已生成的NOx進(jìn)行處理。目前主要的處理方法包括低氮燃燒、選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)和選擇性非催化還原法(Selective Non-catalytic Reduction，SNCR)脫硝等[11]。

>>“超低排放”在目前技術(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)濟(jì)上投入增加較多，環(huán)境收益相對較弱。

2.3　除塵系統(tǒng)

煙氣中的煙塵主要來源于燃燒產(chǎn)生的灰分，目前采用的除塵方式主要包括電除塵(含濕式電除塵)、袋式除塵和電袋復(fù)合除塵等。電除塵器(Electrostatic precipitator，ESP)是利用煙塵經(jīng)過高壓電場時(shí)被電離，塵粒與負(fù)離子結(jié)合帶上負(fù)電后，趨向陽極表面放電而沉積進(jìn)行除塵[12]。電袋復(fù)合型除塵器是將電除塵與布袋除塵有機(jī)結(jié)合，在原有電除塵器的下游加一臺袋式除塵器，來捕集電除塵器未能捕集的微細(xì)煙塵，使排放濃度能滿足國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)要求[13]。

2.4　技術(shù)路線比較

為滿足“超低排放”的要求，需要對煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)：

(1)一般地區(qū)

對于一般地區(qū)，采用常規(guī)煙氣治理技術(shù)路線，低氮燃燒+SCR脫硝+電除塵器+石灰石-石膏濕法脫硫裝置即可滿足要求。NOx的控制采用低氮燃燒技術(shù)+SCR脫硝設(shè)施，脫硝效率η>70%；除塵系統(tǒng)采用三室五電場靜電除塵器，除塵效率η>99.8%；脫硫系統(tǒng)采用常規(guī)石灰石-石膏濕法脫硫裝置，脫硫效率η>96%。

(2)重點(diǎn)地區(qū)

在重點(diǎn)地區(qū)，需要提高脫硫、除塵效率，需要將常規(guī)電除塵器改為低低溫電除塵器或者旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器，脫硫系統(tǒng)需要采用單塔雙循環(huán)、托盤技術(shù)、增效環(huán)技術(shù)等。NOx的控制措施采用低氮燃燒技術(shù)+SCR脫硝設(shè)施，脫硝效率η>70%；除塵系統(tǒng)采用低低溫三室五電場電除塵器，除塵效率η>99.9%；脫硫系統(tǒng)采用單塔雙循環(huán)石灰石-石膏濕法脫硫，脫硫效率η>98%。

(3)超低排放

為達(dá)到“超低排放”，需要提高脫硫系統(tǒng)的除塵能力，脫硝系統(tǒng)需增大催化劑的接觸面積，將常規(guī)的2層催化劑+1層備用改為3層催化劑+1層備用[14]。煙氣處理系統(tǒng)中脫硝系統(tǒng)采用低氮燃燒+SCR催化劑脫硝，采用3層催化劑+1層備用，η>85%；除塵系統(tǒng)采用低低溫三室五電場電除塵器，η>99.9%；脫硫系統(tǒng)采用單塔雙循環(huán)濕法脫硫，并提高除塵效率，η>98.5%。

3“超低排放”經(jīng)濟(jì)效益

在計(jì)算“超低排放”時(shí)，假定煤質(zhì)資料如表1所示，分析采用不同排放方案時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益。

表1　煤質(zhì)資料

目前燃煤電廠主要機(jī)組包括1 000 MW級、600 MW級和300 MW級3種，本文考慮兩臺機(jī)組，分3個(gè)方案進(jìn)行比較。燃煤機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)即滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)，加裝脫硝裝置和除塵裝置，分別以一般地區(qū)和重點(diǎn)地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)，計(jì)算“超低排放”經(jīng)濟(jì)效益。

采用“超低排放”設(shè)計(jì)后，增加的投資成本主要包括基礎(chǔ)投資和運(yùn)行費(fèi)用兩部分。其中，基礎(chǔ)投資包括設(shè)備的采購和安裝；運(yùn)行費(fèi)用主要包括燃料費(fèi)用、運(yùn)行電耗費(fèi)用、水耗費(fèi)用、液氨費(fèi)用、石灰石粉費(fèi)用、堿耗費(fèi)用和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，按10年固定資產(chǎn)折舊，年利用小時(shí)數(shù)按5 000 h計(jì)，各項(xiàng)消耗品單價(jià)暫按如下：標(biāo)煤價(jià)900元/t、廠用電價(jià)0.4元/(kW·h)、水價(jià)0.5元/t、液氨價(jià)格3 000元/t、石灰石粉價(jià)100元/t。

(1)2×1 000 MW新建機(jī)組

以目前國內(nèi)百萬千瓦新建超超臨界燃煤機(jī)組為例，煙氣治理措施采用上文提供的方案，一般地區(qū)采用“超低排放”設(shè)計(jì)后，總投資增加1.6億元，其中設(shè)備購置增加1.4億元、建筑安裝增加2 000萬元；年運(yùn)行費(fèi)用增加8 000萬元；污染物排放共減少0.7 t/h，排污費(fèi)減少200萬元，為達(dá)到“超低排放”限值處理污染物增加的運(yùn)行成本為23元/kg。

重點(diǎn)地區(qū)采用“超低排放”后，總投資增加6 000萬元，其中設(shè)備購置增加5 000萬元、建筑安裝增加1 000萬元；年運(yùn)行費(fèi)用增加2 500萬元；污染物共減少0.4 t/h，排污費(fèi)減少120萬元，達(dá)到“超低排放”處理污染物增加的運(yùn)行成本為13元/kg。

(2)2×600 MW新建機(jī)組

計(jì)算兩臺新建60萬千瓦機(jī)組采用“超低排放”設(shè)計(jì)后的經(jīng)濟(jì)效益，煙氣治理措施同上，一般地區(qū)總投資增加1.2億元，其中設(shè)備費(fèi)用為1.1億元、建筑安裝增加1 000萬元；年運(yùn)行費(fèi)用增加6 000萬元；污染物排放速率減少0.5 t/h，排污費(fèi)減少140萬元，達(dá)到“超低排放”處理污染物增加的運(yùn)行成本為26元/kg。

重點(diǎn)地區(qū)總投資增加7 000萬元，其中設(shè)備費(fèi)用為6 500萬元、建筑安裝費(fèi)用500萬元；年運(yùn)行費(fèi)用增加2 700萬元；污染物削減量為0.3 t/h，排污費(fèi)減少100萬元，達(dá)到“超低排放”處理污染物增加的運(yùn)行成本為21元/kg。

(3)2×300 MW改造機(jī)組

兩臺30萬千瓦改造機(jī)組為達(dá)到“超低排放”限值，采用上文所述煙氣處理措施后，在一般地區(qū)總投資需要增加5 000萬元，其中設(shè)備費(fèi)用增加4 000萬元、建筑安裝費(fèi)用增加1 000萬元；年運(yùn)行費(fèi)用增加2 500萬元；污染物排放削減0.3 t/h，排污費(fèi)減少100萬元，達(dá)到“超低排放”處理污染物增加的運(yùn)行成本為17元/kg。

在重點(diǎn)地區(qū)總投資增加1 500萬元，其中設(shè)備費(fèi)增加1 000萬元、建筑安裝費(fèi)增加500萬元；年運(yùn)行費(fèi)用增加500萬元；污染物排放降低0.2 t/h，排污費(fèi)減少50萬元，達(dá)到“超低排放”處理污染物增加的運(yùn)行成本為5元/kg。

進(jìn)行“超低排放”改造后總投資、年運(yùn)行費(fèi)用增加較多，排污費(fèi)略有減少。

4“超低排放”環(huán)境效益

環(huán)境空氣影響預(yù)測采用《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2008)中推薦的AERMOD模式，預(yù)測污染物落地濃度。不同機(jī)組的煙氣參數(shù)如表2所示，選取了山區(qū)、平原兩個(gè)有代表性的地形進(jìn)行濃度預(yù)測。以SO2為例，分別計(jì)算出不同機(jī)組采用“超低排放”之后落地濃度的變化情況。

表2　地面濃度預(yù)測所采用的煙氣參數(shù)

4.1　平原地區(qū)濃度預(yù)測

平原地區(qū)SO2落地濃度在一般地區(qū)兩臺百萬千瓦機(jī)組采用“超低排放”限值后，占標(biāo)率從8.0%降至2.8%，降低了5.2%；兩臺60萬千瓦機(jī)組落地濃度占標(biāo)率從5.2%降低至1.8%，降低了3.4%；兩臺30萬千瓦機(jī)組落地濃度占標(biāo)率從6.6%降至2.4%，降低了4.2%。重點(diǎn)地區(qū)兩臺百萬千瓦機(jī)組采用“超低排放”限值后，落地濃度占標(biāo)率從4.0%下降至2.8%，降低了1.2%；60萬千瓦機(jī)組從2.6%下降至1.8%，降低了0.8%；30萬千瓦機(jī)組從3.4%降至2.4%，降低了1.0%。

一般地區(qū)采用“超低排放”后，SO2落地濃度占標(biāo)率下降了3.4%～5.2%，而在重點(diǎn)地區(qū)，落地濃度占標(biāo)率僅下降了0.8%～1.2%，改變幅度很小。

4.2　山區(qū)濃度預(yù)測

山區(qū)SO2落地濃度采用AERMOD預(yù)測時(shí)容易發(fā)生煙流撞山現(xiàn)象，在此情景下，一般地區(qū)兩臺百萬千瓦機(jī)組采用“超低排放”限值后，占標(biāo)率從21.2%降至7.4%，下降了13.8%；兩臺60萬千瓦機(jī)組落地濃度占標(biāo)率從14.0%降低至4.8%，下降了9.2%；兩臺30萬千瓦機(jī)組落地濃度疊加值占標(biāo)率從25.8%降至9.2%，下降了16.6%。重點(diǎn)地區(qū)兩臺百萬千瓦機(jī)組采用“超低排放”，落地濃度占標(biāo)率從10.6%下降至7.4%，下降了3.2%；60萬千瓦機(jī)組從7.0%下降至4.8%，下降了2.2%；30萬千瓦機(jī)組從13.0%降至9.2%，下降了3.8%。

一般地區(qū)采用“超低排放”后，SO2落地濃度下降了9.2%～16.6%，而在重點(diǎn)地區(qū)，采用“超低排放”后，落地濃度削減幅度僅為2.2%～3.8%，改變幅度相對于一般地區(qū)較小。

5總結(jié)

總體而言，對于不同機(jī)組，在進(jìn)行“超低排放”設(shè)計(jì)后，一般地區(qū)和重點(diǎn)地區(qū)的污染物地面落地濃度均有所下降，重點(diǎn)地區(qū)采用“超低排放”限值后落地濃度疊加值變化幅度較小。一般地區(qū)污染物削減邊際成本為17～26元/kg；而在重點(diǎn)地區(qū)，邊際成本為5～21元/kg，與全社會平均污染物治理成本1.26元/kg相比較高。因此，為達(dá)到“超低排放”，將導(dǎo)致污染物處理成本迅速增加，經(jīng)濟(jì)效益較差。

電廠采用環(huán)保設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效益主要來自于排污費(fèi)的減少和環(huán)保電價(jià)的補(bǔ)貼，目前脫硫、脫硝和除塵的電價(jià)補(bǔ)貼分別為1.5分/(kW·h)、1分/(k·Wh)和0.2分/(k·Wh)。滿足一般排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即可獲得環(huán)保電價(jià)補(bǔ)貼，因而達(dá)到“超低排放”在經(jīng)濟(jì)上并沒有較大收益。

“超低排放”在目前的技術(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)，但需要增加的系統(tǒng)較為復(fù)雜，耗費(fèi)材料較多，尚未取得新興技術(shù)重大突破；在經(jīng)濟(jì)上投入增加較多，環(huán)境收益卻相對較弱。為實(shí)現(xiàn)“超低排放”，改善環(huán)境質(zhì)量，宜進(jìn)一步加大在煙氣處理技術(shù)上的科研投入；或采用集中供熱，以提供蒸汽來替代環(huán)保措施落后的鍋爐；甚至可另辟新的社會補(bǔ)償機(jī)制，將“超低排放”的改造資金投入現(xiàn)有污染源或其他行業(yè)的削減中，從區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控著手，社會效益會更為明顯。

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Costs & Benefits of “Ultra-low Emissions” in Coal-fired Power Plants

SHI Rui, WANG Pei-hua, YANG Qian, ZHAO Heng

(Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430071, China)

Abstract:The paper analyzes the costs and benefits of “ultra-low emissions” of air pollutants in coal-fired power plants by explaining the measures taken in order to reach the target, the investment and operation cost incurred, and predicting the pollutant emission, the ground level concentration compared with Air Pollutants Emission Standards for Coal-fired Power Plants (GB 13223-2011). “Ultra-low emissions” can be realized under the current technological situation, but the costs are high and the benefits are low. It is suggested that more research should be done and that coordinated actions among different regions should be enhanced in order to improve the cost-efficiency.

Key words: ultra-low emissions; coal-fired power plant; costs & benefits