岳樸杰,孟 磊,王長清,谷小兵,白玉勇,彭 婭，楊 晴

(1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司，北京 100097；2華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國“節(jié)約、清潔、安全”的能源生產(chǎn)和消費革命的發(fā)展，國家大力推進煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃，目前，我國絕大多數(shù)的燃煤電廠配備了脫硫脫硝除塵設(shè)備[1]，燃煤電廠常規(guī)污染物煙塵、SO2和NOx的排放質(zhì)量濃度分別不高于10、35和50 mg/m3[2]，然而非常規(guī)污染物排放卻一直被忽視。氣態(tài)有機污染物是燃煤電廠煙氣中普遍存在的非常規(guī)污染物，是城市煙霾和光化學煙霧的重要前驅(qū)體[3]。氣態(tài)有機污染物種類復雜，主要包括易揮發(fā)性有機物VVOCs(二氯甲烷、戊烷、氯甲烷和二氯乙烷等)、揮發(fā)性有機物VOCs(甲苯及衍生物、非甲烷總烴、芳烴類、酯類和醛類等)、半揮發(fā)性有機物SVOCs(多環(huán)芳烴、硝基苯類、二英類、多氯聯(lián)苯類等)和顆粒有機物POMs(二英類、五環(huán)以上多芳烴等)。大氣中高濃度的氣態(tài)有機污染物往往是造成空氣質(zhì)量差的主要原因，以此損害人體皮膚、肝臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等[4-8]。

當前國內(nèi)外有關(guān)氣態(tài)有機污染物的研究主要針對工業(yè)源氣態(tài)有機污染物、室內(nèi)氣態(tài)有機污染物等[9-10]，但我國燃煤電廠發(fā)電仍占主導作用。2018年煤炭年消耗量高達2 000 Mt，近10 a以3.97%的年均增長率增長[11]。燃煤電廠是中國工業(yè)氣態(tài)有機污染物的主要來源，2016年，全國工業(yè)來源的氣態(tài)有機污染物排放總量估計為2.104×107t，燃煤電廠氣態(tài)有機污染物的排放量占工業(yè)氣態(tài)有機污染物總排放量的4.1%[12]。根據(jù)碳簡報(Carbon Brief)網(wǎng)站電廠查詢可知，全國300、600和1 000 MW電廠分別有813、365和133個機組，代表了全國79.40%的燃煤電廠。其中，300 MW燃煤機組的裝機容量占全國總?cè)济貉b機容量的34.70%，是數(shù)量最多、分布最廣的電廠類型，其帶來的氣態(tài)有機污染物對環(huán)境的影響不容忽視。

生命周期環(huán)境影響評價由于其包容性強、評價面廣以及系統(tǒng)性強等優(yōu)點，已成為當今最受歡迎的環(huán)境影響評價方法之一，被廣泛用于評價不同燃煤發(fā)電技術(shù)。2005年，郝麗芬等[13]運用生命周期評價方法對660 MW的超超臨界燃煤電廠進行了環(huán)境影響分析，首次揭露了我國超超臨界燃煤電廠生命周期排放的SO2、NOx、灰渣和煙塵的總量比常規(guī)電廠的排放總量低。此后，武民軍[14]和李嬌[15]也相繼對循環(huán)流化床燃煤電廠及煤粉爐電廠等進行了生命周期評價研究。其后人們紛紛轉(zhuǎn)向探究燃煤電廠污染控制設(shè)備帶來的生命周期環(huán)境影響以及分析燃煤電廠生命周期CO2、SO2等常規(guī)污染物帶來的環(huán)境影響[16-20]。但前人研究大多只關(guān)注燃煤電廠常規(guī)污染物帶來的環(huán)境危害，通常對全球變暖(GWP)、臭氧消耗(ODP)、人體毒性(HTP)、淡水生態(tài)毒性(FAETP)、酸化(AD)和水體富營養(yǎng)化(EP)多方面進行評價，鮮見氣態(tài)有機污染物排放造成的潛在環(huán)境影響的量化研究[21-23]，燃煤電廠有機污染物作為國家重點戰(zhàn)略研究計劃之一，評估直接和間接氣態(tài)有機污染物排放總量以及環(huán)境影響至關(guān)重要。

針對上述問題，為了辨識300 MW燃煤發(fā)電系統(tǒng)中氣態(tài)有機污染物排放強度較高的關(guān)鍵過程，指明系統(tǒng)優(yōu)化方向，筆者通過詳細、可靠的燃煤電廠氣態(tài)有機污染物排放清單編制和生命周期環(huán)境影響評估，為權(quán)威部門和決策者制定切實有效的減排政策提供數(shù)據(jù)支撐和科學依據(jù)。

1 生命周期環(huán)境影響評價理論及模型構(gòu)建

1.1 目標與范圍確定

為評價我國燃煤電廠的氣態(tài)有機污染物排放的生命周期環(huán)境影響，選取我國某2×300 MW超臨界燃煤電廠作為典型案例進行研究。功能單位定義為由燃煤發(fā)電系統(tǒng)輸出1 MWh的電力。電廠使用壽命為30 a。LCA涵蓋了煤炭開采和分選、煤炭運輸、燃煤發(fā)電系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)的有機污染物排放。煙氣凈化系統(tǒng)包括結(jié)合選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置、石灰石-石膏脫硫裝置(FGD)和靜電除塵器(ESP)。

1.2 系統(tǒng)邊界

分析了燃煤電廠氣態(tài)有機污染物排放環(huán)境影響。燃煤電廠的生命周期系統(tǒng)如圖1所示。(圖中虛擬的黑色外框為系統(tǒng)邊界，WESP為濕式靜電除塵器)。分析涵蓋煤炭最終轉(zhuǎn)化為電能前的上游過程，包括煤炭開采和分選、煤炭運輸、電廠及設(shè)備制造及輔助材料生產(chǎn)、在生命周期中使用的石油和鋼鐵等制造。為了研究煙氣污染控制裝置(APCDs)的實施對潛在減少有機污染物排放的可能影響，將APCDs過程作為獨立的單元從整個系統(tǒng)中分離出來進行詳細評估。使用德國斯圖加特大學和PE-INTERNATIONAL共同開發(fā)的Gabi軟件對燃煤電廠進行LCA建模。

圖1 燃煤電廠生命周期排放氣態(tài)有機污染物系統(tǒng)Fig.1 Life cycle system diagram of gaseous organic pollutants emissions from coal-fired power plant

1.3 清單建立

燃煤發(fā)電過程中的能耗物耗清單數(shù)據(jù)均來自文獻調(diào)研、統(tǒng)計年鑒、工程規(guī)范、企業(yè)可行性報告和Gabi數(shù)據(jù)庫等見表1，詳細包含了燃煤發(fā)電過程中所有階段排放氣態(tài)有機污染物所涉及的輸入或輸出數(shù)據(jù)清單。燃煤電廠采用不同燃燒技術(shù)后直接釋放的氣態(tài)有機污染物為直接排放過程，該過程的氣態(tài)有機污染物排放數(shù)據(jù)來自實地數(shù)據(jù)采集，燃煤電廠在建設(shè)或運營階段涉及到的煤炭開采和運輸、原材料設(shè)備等制造過程所排放的氣態(tài)有機污染物為間接排放過程，這些上游過程的氣態(tài)有機污染物排放數(shù)據(jù)均來自Gabi數(shù)據(jù)庫。

煤炭運輸方式為鐵路、公路和水路，比例分別為70.60%、10.30%和19.10%[24]。鐵路機車的驅(qū)動模式又分為柴油驅(qū)動(55%)和電能驅(qū)動(45%)[25]。由于Gabi數(shù)據(jù)庫中，鐵路、公路和水路的柴油消耗因子較大，因此選用中國的消耗因子來計算該階段。鐵路的柴油和電力平均消耗因子分別為2.49和0.011 2 g/(t·km)[26]，公路卡車和水路海輪的柴油消耗平均因子分別為33.80和2.80 g/(t·km)[23]，煤炭的平均運輸距離數(shù)據(jù)來自《2018中國統(tǒng)計年鑒》。鐵路、公路和水路的平均運距為651、181和1 477 km。將表1所有輸入輸出清單數(shù)據(jù)導入Gabi軟件中建模即可核算出燃煤電廠生命周期氣態(tài)有機污染物排放量。

1.4 影響評價

生命周期影響評價(LCA)如今已被擴展至能源、環(huán)境、經(jīng)濟和資源評價，根據(jù)ISO140042建立的框架，將環(huán)境影響評價歸為3個步驟：分類、特征化和量化評估。生命周期影響評價的實質(zhì)是對清單結(jié)果中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的定性或定量分析，以此來評價研究對象潛在的環(huán)境影響。采用可接受性最強的CML2001標準體系對燃煤電廠生命周期氣態(tài)有機污染物排放造成的環(huán)境影響進行分析和評價。根據(jù)燃煤電廠的發(fā)電特點、氣態(tài)有機污染物的排放機理、研究的目的與范圍，選擇潛在全球變暖效應 (GWP)、人體毒性 (HTP)、光化學臭氧合成(POCP)、臭氧層消耗(ODP)、海洋生態(tài)毒性(MAETP)、淡水水生生態(tài)毒性潛值(FAETP)和陸地生態(tài)毒性潛值(TETP)7類作為燃煤電廠生命周期氣態(tài)有機污染物的評價環(huán)境影響類型。

1.4.1 特征化

特征化是針對每一種確定的環(huán)境影響類型中的清單數(shù)據(jù)依據(jù)特征化因子轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的單元，將特征化因子乘以每一種排放物的量即得量化的指標結(jié)果。各類環(huán)境影響特征化結(jié)果在Gabi軟件中運行得出。特征化計算公式如下:

EPi(j)=∑[EFi(j)yQi(j)y]，

(1)

式中，EPi(j)為燃煤電廠生命周期內(nèi)第i個過程中排放的氣態(tài)有機污染物對應的第j種環(huán)境影響類型特征化數(shù)值；EFi(j)y為燃煤電廠生命周期內(nèi)第i個過程中y種氣態(tài)有機污染物在j種環(huán)境影響類型中的當量因子；Qi(j)y為燃煤電廠生命周期內(nèi)第i個過程中y種氣態(tài)有機污染物排放量。

1.4.2標準化

由于各環(huán)境影響類型的特征化結(jié)果單位不統(tǒng)一，無法對其環(huán)境影響潛值進行兩兩對比，更不能判斷燃煤電廠在生命周期過程中哪種環(huán)境影響類型危害最大，因此采用標準化方法對各環(huán)境影響的特征化結(jié)果進行處理，提供一個可互相比較的基準，進而確定每種環(huán)境影響類型的貢獻。以CML2001基準體系中的全球環(huán)境影響基準值作為標準化因子，具體環(huán)境影響類型的標準化基準見表2，標準化的計算公式如下：

NPi(j)=EPi(j)/NRi(j)，

(2)

式中，NPi(j)為燃煤電廠生命周期內(nèi)第i個過程中排放的氣態(tài)有機污染物對應的第j種環(huán)境影響類型的標準值；NRi(j)為燃煤電廠生命周期內(nèi)第i個過程中排放的氣態(tài)有機污染物對應的第j種環(huán)境影響類型的標準化基準。

表2 環(huán)境影響類型的標準化因子

1.4.3加權(quán)

為評估每種影響類型的程度大小需賦予的影響類型以權(quán)重值，將不同環(huán)境影響類型標準化后的結(jié)果乘以各自的權(quán)重因子，通過加權(quán)過程可得總體環(huán)境影響的量化結(jié)果。采用Gabi軟件中CML2001的環(huán)境影響權(quán)重值，各項環(huán)境影響潛值權(quán)重值見表3。由于CML2001基準體系中只有4種環(huán)境影響類型具有權(quán)重因子數(shù)據(jù)，因此只研究這4種環(huán)境影響類型的加權(quán)結(jié)果：

(3)

式中，WPi(j)為燃煤電廠生命周期內(nèi)第i個過程中排放的氣態(tài)有機污染物對應的第j種環(huán)境影響類型加權(quán)結(jié)果；WFi(j)為燃煤電廠生命周期內(nèi)第i個過程中排放的氣態(tài)有機污染物對應的第j種環(huán)境影響類型的權(quán)重因子。

表3 環(huán)境影響類型權(quán)重因子

2 清單結(jié)果分析

目前不同燃煤電廠的不同燃燒技術(shù)、不同氣態(tài)有機污染物監(jiān)測設(shè)備和分析技術(shù)的分析較少，沒有完整且全面的燃煤電廠直接氣態(tài)有機污染物排放數(shù)據(jù)庫。首次從第三方合作機構(gòu)獲取了電廠氣態(tài)有機污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，借助Gabi軟件獲取電廠上游數(shù)據(jù)，建立了基于生命周期的300 MW典型燃煤電廠氣態(tài)有機污染物排放模型。排放清單結(jié)果見表4。

表4 燃煤電廠生命周期各階段氣態(tài)有機污染物排放清單Table 4 Emission inventory of gaseous organic pollutants at various stages of life cycle coal-fired power plant

由表4可知，2017年300 MW燃煤電廠生命周期排放氣態(tài)有機污染物總量約為9.99×10-3kg/MWh，其中煤炭開采和分選、煤炭運輸、燃煤發(fā)電系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)和廢物處理系統(tǒng)的氣態(tài)有機污染物排放量分別為3.82×10-3、1.52×10-3、3.87×10-3、6.70×10-4和1.15×10-4kg/MWh，燃煤發(fā)電系統(tǒng)貢獻位居首位，占總排放量的38.69%。值得注意的是，燃煤發(fā)電過程中間接排放是直接排放的1.64倍，占總排放量的62.16%，而該值在大多數(shù)文章中被忽略。進一步研究發(fā)現(xiàn)煤炭開采階段是間接排放貢獻最大階段，占總排放的38.24%，主要由于大量電力、原煤等被消耗。從全年看，該電廠年凈發(fā)電量為2.94×106MWh，2017年氣態(tài)有機污染物總排放量高達29.40 t。

3 環(huán)境影響結(jié)果評價

3.1 特征值結(jié)果分析

燃煤電廠的特征化分析是環(huán)境影響評價最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，主要作用在于定量核算各階段排放的氣態(tài)有機污染物對不同環(huán)境影響的潛值貢獻?；跉鈶B(tài)有機污染物排放清單結(jié)果，選用Gabi 軟件中CML2001模型中特征化因子，利用式(1)計算得到燃煤電廠生命周期氣態(tài)有機污染物排放環(huán)境影響特征化結(jié)果。燃煤電廠每產(chǎn)生1 MWh電，由生命周期排放的氣態(tài)有機污染物造成的光化學臭氧產(chǎn)生潛值(POCP)、陸地生態(tài)毒性潛值(TETP)、全球變暖潛值(GWP)、海洋生態(tài)毒性潛值(MAETP)、人體毒性潛值(HTP)、淡水水生生態(tài)毒性潛值(FAETP)和臭氧層消耗潛值(ODP)分別為2.74×10-3kg C2H4eq、9.86×10-5kg DCB eq、3.26×10-3kg CO2eq、1.02×10-2kg DCB eq、0.369 kg DCB eq、9.75×10-4kg DCB eq和7.28×10-10kg R11 eq(eq為標準當量)。

300 MW燃煤機組生命周期氣態(tài)有機污染物排放環(huán)境影響特征化貢獻如圖2所示。由圖2可知，煤炭開采和分選階段對環(huán)境的影響最大，在POCP、TETPP、MAET和FAETP四種環(huán)境影響類型中，占比均達75%以上，這一結(jié)果是由于煤炭開采和分選過程中消耗大量電及煤炭所致。在GWP和ODP兩種環(huán)境影響類型中，燃煤發(fā)電系統(tǒng)主要貢獻者占比分別達92.31%和62.94%，由于電廠運行階段會燃燒大量煤，排放的氣態(tài)有機污染物對環(huán)境造成直接影響。煤炭運輸階段造成的環(huán)境影響主要是POCP和TETP，主要消耗大量柴油所致。此外，研究發(fā)現(xiàn)，煙氣凈化系統(tǒng)帶來的環(huán)境影響主要是HTP和ODP，占比均達33%以上，在該系統(tǒng)運行過程中會消耗大量的液氨和石灰石?？梢姛煔鈨艋到y(tǒng)在減少氣態(tài)有機污染物排放同時，會危害人體健康。

圖2 300 MW燃煤機組生命周期氣態(tài)有機污染物排放環(huán)境影響特征化貢獻Fig.2 Characterized contribution to the environmental impact of gaseous organic pollutants emissionin the life cycle of a 300 MW coal-fired unit

3.2 標準值結(jié)果分析

通過對每種環(huán)境影響特征化結(jié)果進行無量綱處理，即標準化，使各環(huán)境影響類型之間具有可比性，可進一步衡量燃煤電廠生命周期排放氣態(tài)有機污染物的各種影響類別對環(huán)境的危害程度。以Gabi 軟件中CML2001模型中的全球環(huán)境影響基準值為標準化因子，利用式(2)計算得到燃煤電廠生命周期氣態(tài)有機污染物排放環(huán)境影響標準化結(jié)果見表5。由表5可知，燃煤電廠生命周期氣態(tài)有機污染物排放計算得出的POCP、TETP、GWP、MAETP、HTP、FAETP和ODP環(huán)境影響類型的標準化值分別為7.43×10-14、9.05×10-17、7.72×10-17、5.21×10-17、1.43×10-13、4.13×10-16和3.21×10-18。對環(huán)境的危害程度最大的環(huán)境影響類型是是POCP和HTP，二者之和是其余5種環(huán)境影響類型總危害的341.42倍，原因為氣態(tài)有機污染物的排放主要造成光化學污染和人體毒性危害。

表5 燃煤電廠生命周期氣態(tài)有機污染物排放環(huán)境影響標準化值

3.3 加權(quán)結(jié)果分析

為評價燃煤電廠生命周期排放氣態(tài)有機污染物對環(huán)境的總體影響，需賦予每種環(huán)境影響類型不同的權(quán)重，選取CML2001模型中的權(quán)重因子，利用式(3)計算得到燃煤電廠生命周期氣態(tài)有機污染物排放環(huán)境影響加權(quán)結(jié)果，如圖3所示。由圖3可知，在4種環(huán)境影響類型中，POCP對總環(huán)境影響水平的貢獻最大，占比高達50.63%，其中煤炭開采階段和煤炭運輸是POCP的主要貢獻者，由于在煤炭開采和運輸過程中消耗了大量煤、電力和柴油等，同時釋放氣態(tài)了大量的甲苯、二甲苯、丙烯、丙烷等有機污染物。其次，對總環(huán)境影響貢獻第2的為HTP，占比高達47.82%。煙氣凈化系統(tǒng)是HTP主要的貢獻者。由于在煙氣凈化系統(tǒng)運行過程中，大量液氨、石灰石等輔助性材料消耗，排放了大量多環(huán)芳烴、二英、多氯代二苯并二英和苯等氣態(tài)有機污染物。與之相比，GWP和ODP對總環(huán)境影響的貢獻則很低，二者之和占總環(huán)境影響的比例不到2%。

圖3 燃煤電廠生命周期排放氣態(tài)有機污染物的各環(huán)境影響類型加權(quán)Fig.3 Weighted sizes of various environmental impact typesof gaseous organic pollutants discharged from coal-firedpower plants during their life cycles

3.4 敏感性分析

根據(jù)上文有機污染物排放清單結(jié)果和環(huán)境影響評價結(jié)果，將燃煤發(fā)電運行階段的煤炭耗量、煤炭運輸階段的柴油耗量、煤炭開采階段的電耗量、油耗量作為敏感性變量，將4個敏感性變量的數(shù)據(jù)分別增加和減少10%和20%，探究ODP、HTP、GWP和POCP以及總環(huán)境影響的變化量，如圖4所示，可知4個變量對總環(huán)境影響的大小依次是煤炭量(電廠運行)、電量(煤炭開采)、柴油量(運輸)和油量(煤炭開采)。其中煤炭量(電廠運行)的變化對總環(huán)境影響最大，主要造成POCP和HTP危害，煤炭量每增加或減少20%，排放的有機污染物造成的POCP 潛值和HTP潛值分別變化了7.73×10-15和2.27×10-15，占生命周期總環(huán)境影響潛值的31%和13%。煤炭開采階段的電消耗對總環(huán)境的影響位居第2，對總環(huán)境的影響潛值相當于煤炭量總環(huán)境影響潛值的一半。剩余2個敏感性因子的變化對總環(huán)境影響要忽略，暫不討論。

圖4 燃煤電廠生命周期有機污染物排放的環(huán)境影響敏感性分析Fig.4 Environmental impact sensitivity analysis of organicpollutant emission in the life cycle of coal-fired power plant

4 結(jié) 論

1)2017年某300 MW燃煤電廠生命周期排放氣態(tài)有機污染物總量約為9.99×10-3kg/MWh，燃煤發(fā)電系統(tǒng)貢獻位居首位，占總排放的38.69%。間接排放明顯高于電廠運行階段的直接排放，占總排放的62.16%。

2)煤炭開采和分選階段對環(huán)境的影響最大，在POCP、TETP、MAET和FAETP四種環(huán)境影響類型中，占比均達75%以上，燃煤發(fā)電系統(tǒng)主要造成GWP和ODP影響，煤炭運輸主要帶來POCP和TETP危害，煙氣凈化系統(tǒng)主要帶來HTP和ODP危害，敏感性分析結(jié)果顯示，電廠運行階段煤炭消耗變化量對總環(huán)境影響最大。

3)POCP和HTP是對環(huán)境危害程度最大的影響類型，分別占總環(huán)境影響潛值的50.63%和47.82%，二者之和是其余5種環(huán)境影響類型總危害的341.42倍。