于躍，金智新，栗繼祖，賈里

(1.太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西太原，030024；2.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西太原，030024；3.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西太原，030024)

汞是一種劇毒性微量元素，具有持久可累積性和易揮發(fā)擴(kuò)散的特點。以氣相隨煙氣進(jìn)入大氣中的單質(zhì)汞能夠通過干、濕沉降等方式大范圍污染地表土壤和水體，或通過呼吸道直接進(jìn)入人體后嚴(yán)重?fù)p壞大腦、神經(jīng)系統(tǒng)以及腎臟等，對生態(tài)平衡和人類健康帶來極大威脅[1]?，F(xiàn)階段大氣污染物種類中除SO2、NOx和顆粒物外，汞的污染防治問題已逐漸引起國際社會的關(guān)注，是目前唯一被列入環(huán)境公約的重金屬[2]。2015年中國大氣人為汞排放603 t，約占全球總汞排放量的30%，中國的大氣汞污染防治對于全球汞減排至關(guān)重要[3]。2017年，《關(guān)于汞的水俁公約》正式生效，作為締約國，中國需制定國家行動計劃，將大氣汞排放標(biāo)準(zhǔn)不斷加嚴(yán)。作為二次能源，電力行業(yè)在中國的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中占據(jù)重要地位，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程加快的驅(qū)動，中國電力需求量持續(xù)高速增長。而由于特殊的能源結(jié)構(gòu)，中國電力行業(yè)的生產(chǎn)過程過度依賴化石燃料的燃燒，導(dǎo)致行業(yè)自身的資源損耗和汞排放指標(biāo)與國際先進(jìn)水平相差較大[4]。大氣中人為排放的汞主要來源于煤炭等化石燃料的燃燒，而中國現(xiàn)階段以化石燃料(尤其是煤)為主導(dǎo)的能源消費結(jié)構(gòu)短時間內(nèi)不會發(fā)生根本變化，決定了在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，電力行業(yè)仍將是大氣汞排放的主要來源[5]。因此，電力行業(yè)生產(chǎn)過程中所造成的汞排放問題亟待解決，在中國現(xiàn)有排放約束條件下研究未來電力行業(yè)大氣汞的減排路徑，進(jìn)而有效解決化石能源日益匱乏和環(huán)境惡化的現(xiàn)狀，是中國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇?，F(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同行業(yè)和部門對大氣汞的排放控制進(jìn)行了研究。ENGSTROM等[6]評估了過去千年來大氣汞沉積的歷史變化，通過對深海中汞的測量，發(fā)現(xiàn)美國工業(yè)化前期在提取新大陸的金銀過程中，大量的汞被排放后沉積于采礦廢物中。LI等[7]研究了森林、濕地和城市等不同土地覆蓋物的汞排放通量，深入分析烏達(dá)煤田汞排放通量與日照強度、土壤表面溫度等影響因素的關(guān)系。吳清茹等[8]對有色金屬冶煉行業(yè)的大氣汞排放量以及趨勢進(jìn)行研究，深入討論鋅冶煉等控污技術(shù)組合對大氣汞減排的貢獻(xiàn)度。有關(guān)燃煤電廠的大氣汞排放的研究主要聚焦于排放特性和影響因素方面。JIA 等[9]從燃煤電廠的技術(shù)角度出發(fā)，通過測定循環(huán)流化床鍋爐煙氣中汞和固體汞含量，分析循環(huán)流化床鍋爐煙氣中汞的含量，將生物焦作為脫汞吸附劑研究汞排放量與粉煤灰吸附特性的關(guān)系?；蓦幜氐萚10]建立了燃煤部門大氣汞排放清單，從協(xié)同控制效果角度，發(fā)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、設(shè)備升級改造、洗煤力度提升3種措施能夠有效降低大氣汞減排量。但整體來看，專門針對中國電力行業(yè)并涵蓋多項脫汞技術(shù)措施的大氣汞排放研究較少，因此，迫切需要豐富有關(guān)電力行業(yè)大氣汞排放控制的研究，以尋求電力行業(yè)在節(jié)能和減排等多目標(biāo)約束下的最優(yōu)發(fā)展策略?；谏鲜鲅芯縿討B(tài)，本文作者將技術(shù)優(yōu)化、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、大氣汞排放共同納入傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)增長分析框架，構(gòu)建中國電力行業(yè)大氣汞排放特性的理論分析模型，并研究相應(yīng)的時序演變特征。

1 研究方法

1.1 模型介紹

目前在污染物排放研究過程中所用的能源?經(jīng)濟(jì)?環(huán)境3E(Energy-Economy-Environment)系統(tǒng)分析模型可分為“自上而下”的能源經(jīng)濟(jì)模型和“自下而上”的能源技術(shù)模型。能源經(jīng)濟(jì)模型多應(yīng)用于能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策的研究，而能源技術(shù)模型則是從能源供應(yīng)、轉(zhuǎn)換和需求等方面進(jìn)行分析計算及全程優(yōu)化，相比前者更適用于電力行業(yè)的減排研究[11]。其中，MARKAL-EFOM 系統(tǒng)綜合模型TIMES(The Integrated MARKALEFOM System)是能源技術(shù)系統(tǒng)分析項目ETSAP(Energy TechnologySystemsAnalysis Program)在技術(shù)市場配置模型MARKAL(Market Allocation of Technologies Model)基礎(chǔ)上綜合了能流優(yōu)化模型EFOM(Energy Flow Optimization Model)的優(yōu)點開發(fā)出的新一代氣候變化綜合評估模型[12]。TIMES是動態(tài)線性規(guī)劃模型，假設(shè)能源系統(tǒng)處于完全競爭狀態(tài)，尋求凈總剩余最大化即凈總成本最小化，從而模擬市場均衡，在滿足終端能源服務(wù)需求的同時，選擇成本最小的技術(shù)組合[13?14]。模型不僅可以考慮現(xiàn)有的技術(shù)，還可以考慮未來可能出現(xiàn)的技術(shù)及相關(guān)替代。一般用于模擬整個能源系統(tǒng)，也可用于研究某個具體行業(yè)，如交通、建筑、鋼鐵行業(yè)等[15]。近年來該模型已用于大約70 個國家的氣候和能源政策的經(jīng)濟(jì)分析中，賈彥鵬等[16]利用TIMES 模型分析2010—2020年節(jié)能減排政策對北京市能源供求和大氣污染物排放方面的影響；DALY等[17]運用TIMES模型研究了伊朗居民出行成本對于交通部門CO2排放的影響。上述研究均表明該模型在能源?環(huán)境領(lǐng)域具有較好的可應(yīng)用性。

本文基于中國能源消費和大氣汞排放現(xiàn)狀，針對電力行業(yè)自身的實際運行和發(fā)展?fàn)顩r，建立自下向上的中國電力行業(yè)能源系統(tǒng)優(yōu)化模型體系，如圖1所示。所構(gòu)建的能源技術(shù)模型以2015年為基準(zhǔn)年，基于對中國未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的預(yù)測，耦合需求預(yù)測和排放分析模塊，并結(jié)合電力行業(yè)自身發(fā)展屬性和大氣汞排放控制技術(shù)特性，綜合多種模擬預(yù)測方法和情景分析方法，系統(tǒng)研究中國電力行業(yè)2020—2050年期間，通過能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制技術(shù)升級等途徑實現(xiàn)大氣汞減排的控制路徑。模型計算流程如圖2所示。

1.1.1 能源消費需求模塊

圖1 中國電力行業(yè)能源系統(tǒng)優(yōu)化模型Fig.1 Energy system optimization model of China's power industry

圖2 TIMES模型計算流程圖Fig.2 Calculation flow chart of TIMES model

該模塊將終端部門分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑和交通。針對各部門自身的發(fā)展特性，采用不同方法進(jìn)行需求預(yù)測。其中，農(nóng)業(yè)部門采用彈性系數(shù)法[18]；建筑部門在采用動態(tài)物質(zhì)流分析法的基礎(chǔ)上，同時考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、人均建筑面積和可能的氣候變化等因素，分析了不同區(qū)域制冷、供熱、熱水和炊事等方面的用能需求等[19?20]；工業(yè)部門采用了計量經(jīng)濟(jì)法以及產(chǎn)業(yè)生命周期曲線法[21]；交通部門則主要參考全球變化評估模型?中國GCAM-China (Global Change Assessment Model-China)預(yù)測客運和貨運周轉(zhuǎn)量[22]。

1.1.2 能源系統(tǒng)優(yōu)化模塊

該模塊的本質(zhì)是通過代數(shù)建模系統(tǒng)GAMS(General Algebraic Modelling System)求解線性規(guī)劃，模型的優(yōu)化目標(biāo)是在滿足給定條件下在規(guī)劃期內(nèi)能源系統(tǒng)的總成本最小化。目標(biāo)函數(shù)計算公式如下：

式中：φ為系統(tǒng)總成本，元；α為折現(xiàn)率，%；t為時間周期，年；R為折現(xiàn)目標(biāo)年，年；A(t)為時間周期t的技術(shù)成本，元；S為資產(chǎn)殘值，元。

技術(shù)成本A(t)的計算公式如下：

式中：C(t)為投資成本，元；T(t)為稅收和補貼，元；D(t)為拆除費用，元；F(t)為固定運維費用，元；X(t)為固定運維相關(guān)的稅收和補貼，元；V(t)為可變年運維費用，元；M(t)為價格彈性所導(dǎo)致的需求變化成本，元；L(t)為回收費用，元。

1.1.3 大氣汞排放評估模塊

該模塊主要包括排放預(yù)測和減排成本分析2部分。

排放預(yù)測模塊充分考慮不同能源加工環(huán)節(jié)以及生產(chǎn)過程中的脫除過程，獲得電力行業(yè)大氣汞排放量，進(jìn)而確定峰值水平和達(dá)峰時間。大氣汞排放量的計算公式如式(3)～(5)所示。

式中：i為某一省份的電廠；k為燃料種類；l為發(fā)電技術(shù)類型；p為大氣汞控制技術(shù)類別；W為所有的發(fā)電技術(shù)類型；Vl為發(fā)電技術(shù)l配備的汞控制技術(shù)；D為發(fā)電量，kW·h；X為某種發(fā)電技術(shù)供應(yīng)的電量占總發(fā)電量的比例，%；E為單位發(fā)電量的能耗(以標(biāo)準(zhǔn)煤計)，t/(kW·h)；為總能源消耗(以標(biāo)準(zhǔn)煤計)，t；f為某種發(fā)電技術(shù)燃燒單位燃料(以標(biāo)準(zhǔn)煤計)的大氣汞排放量，即燃燒無控排放因子，kg/t；Y為裝備某種控制技術(shù)的發(fā)電技術(shù)所占的比例，%；d為控制技術(shù)對大氣汞的去除率，%；Q為總大氣汞排放量，kg。

減排成本分析模塊根據(jù)所獲得不同情景下大氣汞的減排結(jié)果，依據(jù)能源消費結(jié)構(gòu)和減排技術(shù)先進(jìn)程度，研究相應(yīng)的單位減排成本。本文同時考慮發(fā)電技術(shù)和末端控制措施的成本，總成本由年均固定投資成本、運行成本和燃料成本3部分組成，如式(6)和(7)所示。

式中：TC為總成本，106元；Cl,p為裝備p類控制技術(shù)、采用l類型發(fā)電技術(shù)設(shè)施的年均固定投資成本，元/kW；rl,p為裝備p類控制技術(shù)、采用l類型發(fā)電技術(shù)設(shè)施的裝機(jī)容量，106kW；gl,p為裝備p類控制技術(shù)、采用l類型發(fā)電技術(shù)設(shè)施的運行成本，元/(kW·a)；Xl,p為裝備p類控制技術(shù)、采用l類型發(fā)電技術(shù)設(shè)施的運行容量，106kW；Bl,p為裝備p類控制技術(shù)、采用l類型發(fā)電技術(shù)設(shè)施的初始投資成本，元/kW；Tl,p為裝備p類控制技術(shù)、采用l類型發(fā)電技術(shù)設(shè)施的壽命，a；α為折現(xiàn)率，%；gk為k類燃料的價格(以標(biāo)準(zhǔn)煤計算)，元/t；E'k,l,p為裝備p類控制技術(shù)、采用l類型發(fā)電技術(shù)設(shè)施對燃料k的消耗量(以標(biāo)準(zhǔn)煤計算)，106t。

1.2 模型假設(shè)

結(jié)合現(xiàn)有規(guī)劃和未來預(yù)測，本文對中國未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展進(jìn)行初步假定，主要包括人口、城市化率、GDP 以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等部分[23]，模型的基本假設(shè)如表1所示。

1.3 技術(shù)數(shù)據(jù)庫

本文所構(gòu)建的電力行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)數(shù)據(jù)庫以中國國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的《工業(yè)部門重點節(jié)能減排技術(shù)目錄》、中國973 國家科技支撐項目、《電力年鑒》以及電力聯(lián)合會等發(fā)布的報告為主要依據(jù)[24?26]。數(shù)據(jù)庫中每項技術(shù)包含投資運維成本、減排系數(shù)、脫除效率、機(jī)組容量、應(yīng)用年等技術(shù)參數(shù)和相應(yīng)反應(yīng)機(jī)理，大氣汞主要控制技術(shù)的工藝與經(jīng)濟(jì)參數(shù)如表2所示。

1.4 情景設(shè)置

本文分別設(shè)置具有不同的能源消費結(jié)構(gòu)構(gòu)成和控制技術(shù)水平的4種情景，情景設(shè)置如下：

1)參考(reference,REF)情景是指從基年開始，電力系統(tǒng)在充分考慮已采取的政策和措施條件下，當(dāng)前的電力政策和發(fā)展趨勢不發(fā)生改變，并將這些政策措施在2015年之后予以延伸，不再附加其他額外針對性政策和措施。

2)結(jié)構(gòu)減排(structural emission reduction,SER)情景則是在REF 情景的基礎(chǔ)上對能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，采取更高效和更嚴(yán)格的能源轉(zhuǎn)化措施和技術(shù)，最大程度控制化石能源的使用，增加清潔能源與可再生能源的使用比例，從而實現(xiàn)高效清潔發(fā)電方式對傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的替代。在該情景下，主要通過能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整實現(xiàn)對大氣汞的“源頭控制”。

3)技術(shù)減排(technical emission reduction,TER)情景是在REF 情景基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有電力行業(yè)生產(chǎn)過程中的大氣汞脫除技術(shù)進(jìn)行升級改造，該情景下假設(shè)所用的主要控制脫除技術(shù)均為所處階段可達(dá)到的最優(yōu)技術(shù)，即實現(xiàn)最優(yōu)技術(shù)的最廣泛應(yīng)用。技術(shù)減排措施主要包含前端控制措施和末端治理措施。其中，前端控制措施主要包括潔凈煤技術(shù)，如燃煤洗選和燃煤熱處理等，以及引入高效利用煤炭的新發(fā)電技術(shù)，如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)等；終端控制措施則指電力生產(chǎn)過程中在最后階段對所形成的脫汞技術(shù)。

表1 模型基本假設(shè)Table 1 Basic assumptions of model

4)綜合減排(co-control,COC)情景則基于REF情景，同時引入結(jié)構(gòu)減排和技術(shù)減排這2種措施方法，即電力行業(yè)在優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)的同時引入并最大化應(yīng)用最優(yōu)技術(shù)，從而在實現(xiàn)能源節(jié)約的同時降低大氣汞排放。

表2 大氣汞主要控制技術(shù)的工藝與經(jīng)濟(jì)參數(shù)Table 2 Process and economic parameters of main control technologies for atmospheric mercury

2 結(jié)果與討論

2.1 電力消費需求

根據(jù)前文所獲得的中國未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展結(jié)果，可以得出我國未來終端需求部門的電力需求量，如圖3和表3所示。中國電力消費需求量將呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，且終端部門的電力消費構(gòu)成也將產(chǎn)生變化。結(jié)合前文預(yù)測結(jié)果，中國2035年時城市化率約為70%，城市化進(jìn)程基本完成，人均電力消費量則從2015年的4 342 kW·h/人增長到2035年的9 294 kW·h/人，在此期間人均電力消費年均增速約為20%。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與電力行業(yè)的發(fā)展存在著密切的相關(guān)關(guān)系，在中國現(xiàn)階段所處的工業(yè)化進(jìn)程中，隨著城市化推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展以重工業(yè)化和剛性能源需求為重要特征，其中第二產(chǎn)業(yè)比率在2020年前為40%左右，重工業(yè)導(dǎo)致電力消費高需求并呈現(xiàn)明顯工業(yè)化結(jié)構(gòu)特征；工業(yè)化完成之后，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，電力消耗強度也隨之下降，增速變緩，2050年時中國整體電力需求量增速由2015年的26%下降至6%。

圖3 終端部門電力消費需求量Fig.3 Power consumption demand of terminal sectors

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力需求量的重心逐漸從工業(yè)轉(zhuǎn)移到交通和建筑，其中，交通部門的用電需求量占比將于2050年達(dá)到31.81%，主要原因在于電動汽車技術(shù)的廣泛應(yīng)用；建筑部門的用電需求量增幅較大，是由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，居民家電等用電消費品擁有率的提高，以及城市人口增加所帶來對基礎(chǔ)設(shè)施需求的提升。另外，在排除氣候因素的前提下，農(nóng)業(yè)用電量增長的主要驅(qū)動力來源于農(nóng)村電網(wǎng)改造及機(jī)械化普及，而隨著中國未來土地流轉(zhuǎn)的范圍擴(kuò)張，這種基于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的規(guī)模效應(yīng)也將繼續(xù)呈現(xiàn)加速態(tài)勢，因此農(nóng)業(yè)用電量的增速平均值為1.6%。

表3 電力消費需求量預(yù)測Table 3 Forecast of power consumption demand

2.2 能源消費

不同情景下的能源消費及構(gòu)成如圖4所示，圖中R，T，S，C分別表示REF，TER，SER和COC情景。在REF 情景下，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力行業(yè)的能源消費量將持續(xù)增加，2020年，2030年和2040年的一次能源消費規(guī)模分別為63.17 EJ，76.61 EJ 和87.01 EJ，到2050年時達(dá)到93.24 EJ，屆時將會給中國的能源供應(yīng)及排放控制產(chǎn)生極大壓力，因此需要對能源消費構(gòu)成進(jìn)行優(yōu)化。在此期間，能源消費增速逐年降低，結(jié)合前文可知，這是由于第二產(chǎn)業(yè)比率下降，第三產(chǎn)業(yè)比率增加所導(dǎo)致。

圖4 不同情景下電力行業(yè)一次能源消費Fig.4 Primary energy consumption in power industry under different scenarios

相比REF 情景，2050年SER，TER 和COC 這3 種情景下的能源消費量分別降低至88.79 EJ，91.27 EJ 和86.98 EJ。同時，這3 種情景的能源消費增長速度遠(yuǎn)低于GDP 增長速度，主要得益于非化石能源技術(shù)的推廣以及終端節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展。2050年時SER，TER 和COC 這3 種情景下的不可再生能源消費比例由REF 情景的78.98%分別下降至67.89%，76.51%和66.21%。在TER 情景下，由于IGCC技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用需要消耗大量的天然氣，因此相比其他3種情景，其天然氣的消費比率略微較大，2050年時將占10.12%。2050年時SER，TER 和COC 情景下電力行業(yè)煤炭消費量占一次能源總能耗的比例均有不同程度的下降，由REF情景的47.05%分別下降至38.32%，44.92%和37.18%。TER 情景降幅相對較少，主要由于該情景主要通過對前端控制措施和末端治理措施升級改造實現(xiàn)對大氣汞治理，對發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量影響較小，因此在該情景下電力行業(yè)仍將高度依賴煤炭。

2.3 大氣汞排放特性

不同情景下電力行業(yè)的大氣汞排放特性如圖5所示。

圖5 不同情景下大氣汞排放量預(yù)測Fig.5 Prediction of atmospheric mercury emissions under different scenarios

在REF 情景下，根據(jù)環(huán)境庫茲涅茨曲線原理可知，在國民人均收入處于較低水平時，經(jīng)濟(jì)增長過程會促使大氣污染物的排放量增加。由于現(xiàn)有大氣污染物控制設(shè)施對汞的協(xié)同減排效果較差，仍需單獨增設(shè)專門的汞排放控制裝置如活性炭噴射ACI(activated carbon injection)工藝，因此，在2015—2050年期間，大氣汞排放量一直呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，2050年時的排放量為226.71 t。

在另外3種情景下，大氣汞排放量均得到不同程度的下降。2050年，在TER，SER 和COC 情景下，大氣汞的排放總量分別為87.42 t，137.44 t 和51.22 t。

其中，在TER 情景下，由于為滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格的大氣汞排放限制，對新增機(jī)組及尚未安裝大氣汞控制設(shè)施的機(jī)組裝配高效控制設(shè)施，同時已安裝大氣汞控制設(shè)施的機(jī)組通過提效改造以實現(xiàn)更穩(wěn)定及更高效運行，因此雖然2030年之前大氣汞排放量仍呈現(xiàn)整體增加的趨勢，但增幅逐年下降。在該情景下，2030—2040年和2040—2050年這2個期間大氣汞的減排潛力分別為16.00 t和32.20 t，而且減幅越來越大。這是由于電力行業(yè)控制大氣汞污染的有效方法主要包括通過使用專門的控制設(shè)施直接減排，以及采用已有的煙氣污染物控制設(shè)備實現(xiàn)協(xié)同脫除。一方面，電力行業(yè)所增設(shè)的專門針對大氣汞污染的控制設(shè)施逐漸普及；另一方面，隨著煙氣污染控制力度不斷加大，針對不同大氣污染物的脫除技術(shù)組合得到完善和優(yōu)化，例如利于高效協(xié)同脫除汞的SCR+FF+WFGD 技術(shù)組合應(yīng)用比例將由2030年的10%提高到2045年的54%，進(jìn)而大幅增強汞的協(xié)同減排效果。因此，在該情景下大氣汞減排具有“后期減排”的特性。

在SER 情景下，可再生能源在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的占比將于2050年時達(dá)到32.11%，遠(yuǎn)比REF 情景(21.02%)和TER 情景(23.49%)的大。電力行業(yè)的大氣汞排放主要由礦物燃料燃燒所導(dǎo)致，因此可再生能源供應(yīng)和使用的比例提高將有助于降低因直接燃燒煤炭等化石燃料所造成的燃煤型大氣汞的排放。在該情景下，2035年時大氣汞排放量達(dá)到峰值(167.75 t)，并且在2015—2035年期間，雖然增幅逐年減小，但增量比TER情景的大。2035年后雖然排放量逐年下降，但減幅逐年減小，且減量也比TER 情景的小。2050年時大氣汞的排放量相比2015年時增加21.04 t，可以發(fā)現(xiàn)，僅通過結(jié)構(gòu)減排措施對大氣汞減排的促進(jìn)作用有限。這是由于能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整的前期投入和普及成本較高，效果存在一定的“滯后性”，在2030年前，可再生能源利用情況在SER 情景和TER 情景下的差別不夠顯著；在發(fā)電技術(shù)方面，可再生能源的規(guī)模及經(jīng)濟(jì)效益與化石燃料相比缺乏明顯優(yōu)勢。

在COC 情景下，大氣汞相比其他情景實現(xiàn)了最優(yōu)的減排效果。大氣汞排放將于2030年達(dá)到峰值121.31 t；而且，相比2015年，2050年時COC情景下大氣汞的總減排潛力遠(yuǎn)大于其他情景下大氣汞的總減排潛力。

不同情景下電力行業(yè)大氣汞減排率如圖6所示。大氣汞減排量和減排率的計算公式分別如式(8)和(9)所示。

式中：Eri為大氣汞減排量，t；Eoi為無控制條件下大氣汞排放量，t；Epi為同一時期所對應(yīng)大氣汞的實際排放量，t。

式中：Eη為大氣汞減排率，%。

圖6 不同情景下大氣汞減排率Fig.6 Emission reduction rate of atmospheric mercury under different scenarios

在TER，SER 以及COC 情景下，由于控制技術(shù)升級改造和能源消費結(jié)構(gòu)升級，大氣汞減排率也分別呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。2050年時大氣汞的減排率分別為61.63%(TER 情景)；39.67%(SER 情景)；77.52%(COC 情景)。TER 情景下大氣汞的減排率在預(yù)測期內(nèi)優(yōu)于SER情景下大氣汞的減排率。

2.4 減排成本

能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與減排技術(shù)的升級會對減排成本的確定產(chǎn)生較大影響，而減排成本有助于引導(dǎo)電力行業(yè)的生產(chǎn)方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而服務(wù)于中國整體經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級。電力作為資源密集型行業(yè)，相比近些年新興的電子計算機(jī)工業(yè)等技術(shù)密集型行業(yè)，其自身大氣汞排放的基數(shù)較大，且資源利用效率有很大的提高空間，因此減排所需要付出的代價較低，改善空間較大。本文結(jié)合前文研究結(jié)果，對不同情景下電力行業(yè)的大氣汞單位減排成本進(jìn)行研究，結(jié)果如表4所示。

表4 大氣汞單位減排成本Table 4 Unit emission reduction cost of atmospheric mercury 106 元/t

研究發(fā)現(xiàn)，由于大氣汞減排過程的實質(zhì)是資源利用問題，而不同情景下由于能源消費結(jié)構(gòu)不同，且減排技術(shù)先進(jìn)程度參差不齊，導(dǎo)致減排效果和對應(yīng)減排成本差異較大。

在REF 情景下，中國電力行業(yè)在未來發(fā)展過程中仍需要消耗大量的煤炭資源，對煤炭的依賴狀況難以改變，這是由煤炭的性質(zhì)以及中國的國情所決定。因此，在該情景下，2020—2050年期間，大氣汞的單位減排成本波動較小，呈現(xiàn)整體平緩的趨勢，維持在0.38×106元/t左右。同時，由于減排設(shè)備及工藝的壽命期基本為20年左右，因此在2030—2035年期間，單位減排成本會略微上升。

在TER 情景下，由于該情景主要通過控制技術(shù)的升級改造實現(xiàn)對大氣汞的治理，對能源消費結(jié)構(gòu)的影響較小，因此電力行業(yè)也仍將高度依賴煤炭等化石燃料。由于在起始階段需要投入大量資金引入先進(jìn)技術(shù)和升級脫除工藝，因此相比REF 情景，單位減排成本相對較高，且呈現(xiàn)一直升高的趨勢。由前文可知，這是由于電力行業(yè)在2030年前主要依靠其他大氣污染物脫除設(shè)備實現(xiàn)對汞的協(xié)同處理，此后隨著專門針對汞脫除的設(shè)備和技術(shù)推廣應(yīng)用，相應(yīng)成本大幅升高，在2030—2040年期間增幅最大。煙氣中汞的濃度極低，導(dǎo)致其捕集脫除難度較高，單位減排成本偏高，2050年時大氣汞的單位減排成本為125×106元/t。

在SER 情景下，單位減排成本在2020—2040年期間呈現(xiàn)整體不斷增長的趨勢，2040年時達(dá)到峰值(370.84×106元/t)。在此期間，所對應(yīng)的單位減排成本約為TER情景的4倍以上。這是由于該情景主要通過非化石能源的有效利用實現(xiàn)減排，而能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的前期投入和普及成本較高，并且利用清潔能源發(fā)電技術(shù)的成本也更為昂貴。在此之后，當(dāng)2045年和2050年時，由于能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整基本完成，減排費用逐步遞減，分別降至TER 情景所對應(yīng)成本的2.63 和1.38 倍，并隨著低碳能源(如天然氣)與清潔能源(非化石能源)所占比重的上升，單位減排成本下降幅度越來越大。

在COC 情景下，其減排效果在4 種情景中最為顯著。在2050年，其單位減排成本為111.25×106元/t，與TER 和SER 情景相比成本最低，能夠有效促使大氣汞減排與國家經(jīng)濟(jì)的增長之間實現(xiàn)脫鉤，進(jìn)而能夠提供更大的減排空間，同時產(chǎn)生降低生產(chǎn)能耗等附加效果。

2.5 政策建議

根據(jù)以上結(jié)果，關(guān)于電力行業(yè)大氣汞污染控制本文提出3點政策建議：

1)為解決電力行業(yè)目前所面對的節(jié)能和減排的雙重壓力，大氣汞的控制措施必須被施行。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和最大化利用新技術(shù)都能夠有效減少能源消費和降低汞污染。但兩者的結(jié)合能夠最大程度地將不同措施的優(yōu)點最大化，從而達(dá)到最優(yōu)效果。

2)推動能源消費結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，逐步減少化石燃料在電力生產(chǎn)中的能源占比，對新能源進(jìn)行補貼從而彌補使用過程中初期投入資金的不足，實現(xiàn)清潔能源對化石能源最大程度上的替代，從而加速電力行業(yè)的能源清潔化、大氣汞減排控制和多元化發(fā)展。

3)應(yīng)加強有關(guān)新技術(shù)推廣的政策支持。在初期，新技術(shù)的引進(jìn)和推廣需要高額的初始投資，但隨著脫汞技術(shù)在電廠的逐漸普及和推廣，節(jié)能和減排效益提高后能夠更好地抵消掉前期的成本投入，長期來看將有利于電廠的綠色高效發(fā)展。

3 結(jié)論

1)隨著城市化的發(fā)展和生活水平的提高，中國未來的電力需求量將呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。終端部門的整體電力消費量將有不同程度的提升，但其構(gòu)成會發(fā)生較大變化，電力需求量的重心將逐漸由工業(yè)轉(zhuǎn)移到建筑和交通。

2)如果維持現(xiàn)有政策和技術(shù)發(fā)展趨勢，能源結(jié)構(gòu)不進(jìn)行任何變化，并且不引進(jìn)任何新的發(fā)電和減排技術(shù)，電力行業(yè)的一次能源與大氣汞排放量將逐年上升，2050年時中國電力行業(yè)的一次能源消費為98.83 EJ，大氣汞的排放量為224.81 t，給中國的能源供應(yīng)及大氣汞排放控制產(chǎn)生極大壓力。

3)對于大氣汞的減排，僅通過實施和推廣非化石能源結(jié)構(gòu)減排措施的促進(jìn)作用有限，但是鑒于中國油氣資源有限，未來隨著能源消費逐漸穩(wěn)定，非化石能源的發(fā)展將趨于多樣化。若可以進(jìn)一步降低成本，克服并網(wǎng)困難等障礙，則清潔能源將逐漸成為非化石能源發(fā)展的支撐力量。

4)電力行業(yè)可以在優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)的同時引入并最大化應(yīng)用最優(yōu)控制技術(shù)，在升級脫除技術(shù)和改善能源結(jié)構(gòu)方面獲得最佳平衡，進(jìn)而可以在能源節(jié)約的基礎(chǔ)上實現(xiàn)大氣汞的高效減排，大氣汞排放量將于2030年達(dá)到峰值，同時具有合理的減排成本，對最終實現(xiàn)氣候友好具有重大意義。