基于排放因子法的燃煤发电外部环境成本研究

柳志平，叶学民，李春曦

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定071003)

0 引言

据估算，2011 年全国因环境污染所造成的损失高达2 万亿元，相当于当年GDP 的5%～6%［1］，而其中因燃煤发电造成的环境损失比例约为40%［2］。近年来，全国雾霾天气频繁发生与我国大量消耗煤炭资源密切相关。燃煤对生态环境的破坏，不仅制约了社会的可持续发展，而且严重影响人们的身心健康和生活质量［3］，而导致环境质量下降和环境污染治理困难的根源是负外部成本得不到内部化［4］。

针对燃煤发电企业对环境产生的影响，许多学者开展了建模或货币值化研究。发展能源外部成本计划第三阶段最终报告［5］显示燃煤发电的外部成本为0．8～31．4 美分/kW·h。Kim［6］运用新古典经济学方法和社会成本法估算电力生产的外部成本，两种方法得出火力发电和核电环境成本最大的相同结论，燃煤发电的环境成本大约为4．5 美分/kW·h。Dalia［7］运用ExternE 方法［8～10］(影响路径法)，计算出英国的发电平均外部成本为3 欧分/kW·h。彭春华［11］结合遗传算法和粒子群优化算法两者的优点，在考虑环境成本的前提下，提出了机组经济运行优化模型，可使发电厂商在不增加环保设备的情况下减轻有害气体的排放。方韬等［12］基于经济学原理和排污收费标准，提出了新的燃煤发电环境成本估算方法。李素真等［13］基于经济学理论，结合环境经济学方法，建立了燃煤电厂环境成本定量计算模型，为燃煤电厂节能减排的效益计算提供理论依据，并有助于燃煤电厂正确计算发电成本，制定合理的上网电价。魏学好等［14］应用环境经济学理论，开展了常规燃煤发电的环境价值货币值分析。姜子英等［15，16］运用影响路径分析和生命周期分析方法，建立了煤电能源链的外部成本计量框架，提出将外部成本内部化的建议。郝晔昕［17］基于生命周期法和经济学中的负外部性理论，估算出煤电链各环节的单位电量外部环境成本，得出发电阶段产生的外部成本为12．03 分/kW·h，约占整个生命周期的87%。丁淑英等［18，19］基于经济学理论、污染物排放计算方法和单位污染物的环境损害成本，运用ExternE 方法［8～10］并结合我国国情，建立了燃煤发电环境成本计算模型，计算得出贵阳电厂的外部环境成本为21．76 分/kW·h。

面临当前严峻的环境压力和日益严格的环保政策，深入分析燃煤发电企业带来的环境成本尤为重要。但上述研究仅针对统计排放数据或根据某一特定电厂进行外部环境成本分析，由于燃煤电厂或环保设备并不齐全、或环保设备效率存在差异、或煤种变化，因此，根据排放统计数据计算的外部环境成本对于加装环保设施、设备效率高且燃烧优质煤的发电企业来说并不公平，而且在一定程度上不能正确评价那些产能落后的企业，不利于环境的改善。而且根据某一特定电厂估算的外部环境成本，只考虑大气污染物环境成本，未考虑水污染、固废污染引起的环境成本［18，19］。而针对煤种(我国主要动力用煤)对单位电量环境外部成本的影响研究尚未报道。本文考虑燃煤电厂产生的主要污染物(包含水污染、固废污染)并给出其排放因子，为此，针对我国常规300 MW 燃煤机组，基于排放因子法分析煤种对外部环境成本的影响，通过对外部成本的估算以寻求内部化的途径，降低燃煤发电的社会成本，实现经济效益和社会效益的共赢。

1 燃煤电厂环境价值计算模型

燃煤电厂的环境成本包括内部环境成本和外部环境成本，内部环境成本是指企业购置除尘脱硫脱硝装置、建设绿化带等一系列减少污染所消耗的费用，这些费用已包含在生产成本中;外部环境成本则是企业向环境排放一系列污染物对环境所造成的损失，目前尚不纳入生产成本中。下文通过针对常规300 MW 燃煤机组外部环境成本的研究，进而给相关政策者提供相关理论依据。

1.1 污染物排放因子

燃煤电厂产生的主要污染物包括烟尘、SO2、NOx、灰渣、粉煤灰、CO2、CO、污水、煤尘、CH4。其排放因子计算如下:

(1)烟尘排放因子fg

(2)SO2排放因子fs

式中:S 为全硫分，%;ηs为脱硫效率，%。

(3)NOx排放因子fN

式中:β 为氮转化率，%;N 为燃煤含氮量，%。

(4)灰渣排放因子fz

式中:dz为灰渣中的灰分占总灰分的百分比，%;Cz为炉渣中可燃物百分比，%。

(5)粉煤灰排放因子ff

在柳东新区划定区域，纳入自贸区红线范围，抢占我国汽车产业即将放开股比限制的开放先机，围绕新能源汽车的全产业链积极组建中外合资企业，或大胆试验外资独资企业，引进国内代表性新能源汽车企业，逐步形成正极材料、负极材料、电解液、隔膜、碳酸锂、镍钴锰、电芯、电机、电控、智能网链、充电桩等本地化供应和研发能力，助推柳州汽车产业与时俱进，紧紧跟随甚至引领全球汽车产业发展的最新动向。

式中:Cf为粉煤灰中可燃物百分比，%。

(6)CO2排放因子fCO2，

采用IPCC 计算方法［20］:

式中:E 为单位热值潜在的碳排放量，无烟煤、烟煤、贫煤、无烟煤的E 值分别为98．3，94．6，96．1，101，t/TJ;λCO2为二氧化碳与碳摩尔质量比。

(7)CO 排放因子fco

由文献［21］取fco=0．3。

(8)污水排放因子fw

由文献［17，22］取fw=500 g/kW·h。

(9)煤尘排放因子fm

由文献［17］得出其排放因子为 fm=2．56 g/kW·h。

(10)CH4排放因子fCH4

由文献［22］取fCH4=0．01 g/kW·h。

1.2 污染物环境价值标准的确定

环境价值是对环境效益的货币化［23］，货币化过程存在许多不确定性，这是因为行为结果不只一个，因此存在不确定性［24］。另外，由于污染物的排放量计算与实际排放量存在差异，不同污染物或同一污染物环境价值计量方法不同，个人偏好不同等，因此计算出的单位电量环境成本会存在一定差异［25，26］。参考中国排污总量收费标准(PCS)并结合文献取各污染物的环境价值如表1所示。

表1 火电行业污染物环境价值标准

1.3 单位电量外部环境成本

式中:CE为单位电量外部环境成本，分/kW·h;n 为污染物排放种类数;κ 为排放因子系数，当fi为吨煤排放因子时，κ=bs×Qb/Qar;当fi为单位电量排放因子时，κ=1，其中bs，Qb，Qar分别为单位电量标准煤耗，g/kW·h、标准煤低位发热量，kJ/kg、低位发热量，kJ/kg;fi为第i 种污染物排放因子;Vp为污染物环境价值，元/t。

该模型可用于我国电厂不同煤种的外部环境成本计算且考虑水污染物和固废污染物所产生的环境成本。

2 我国主要动力用煤发电的外部环境成本分析

以常规300 MW 机组为例，分析用不同煤种时的外部环境成本。为使计算结果具有可比性，假设锅炉均为煤粉炉，供电煤耗为330 g 标煤，年运行小时数均为6 000 h［18，19，22］，则年发电量为18 亿kW·h;环保设施包括静电除尘器和湿法烟气脱硫装置(现行脱销处于试点期，不考虑烟气脱硝)，且假设其效率分别为99%，95%［17～19，22］。我国主要动力煤的有关数据如表2 所示［27］，排放因子计算式中参数值如表3 所示。

表2 我国主要动力煤工业分析和元素分析

表3 排放因子计算式中参数值

我国主要动力用煤发电造成的环境成本如图1 所示。该图表明:对于绝大多数动力煤，单位电量环境成本大致处于7．5 分/kW·h 的水平，这与文献［5，7，16，19］有所不同。其原因是环境价值计算尚无统一的标准，存在许多不确定性，如煤种、考虑污染物种数、污染物排放量计算方法、污染物环境价值取值等因素;另外，文献［5，7，16，19］针对的是某一电厂(大部分只考虑大气污染物)或采用统计平均数据计算环境成本，但本文只分析煤种(我国主要动力用煤)对环境成本的影响，因此计算结果仍具有较强的可比性。其中环境成本最高的淄博贫煤为11．27 分/kW·h，最低为大同烟煤5．45/kW·h 分，两者差值为5．82 分/kW·h，高于其中最低环境成本。其主要原因是淄博贫煤的低位发热量尚不及大同烟煤的一半，故其燃煤总量是大同烟煤的两倍多，且淄博贫煤的灰分是大同烟煤的两倍左右，灰分对烟尘、灰渣、煤粉灰的排放有较大影响，故其总外部环境成本最大。另外，计算结果表明，各煤阶中平均环境总成本最低的是烟煤为6．7 分/kW·h，无烟煤其次，贫煤和褐煤最高。而在我国发电用煤中烟煤占90%［22］，故从外部性［28］角度来看，我国燃煤发电用煤构成合理。

图1 各煤种单位电量环境成本

为进一步探讨煤中各成分对外部环境成本的影响，图2～图6 给出了各成分生成的污染物对环境成本的影响。图2表明，污染物SO2的环境成本平均为0．75 分/kW·h，约占平均环境总成本的10%，其中淄博贫煤和芙蓉贫煤的环境成本分别为1．21 分/kW·h 和1．12 分/kW·h，其原因是淄博贫煤低位发热量只有13 280 kJ/kg，含硫量为2．6%，为高硫煤;虽然芙蓉贫煤的低位发热量20 910kJ/kg，但是其含硫量最高为3．8%;因此，可知环境成本与煤的低位发热量和含硫量有关，低位发热量越高，环境成本则越小，且全硫分高，环境成本大，反之则越小，即环境成本与发热量呈负相关而与全硫分呈正相关关系。与煤中含氮量有关的污染物NOx 的环境成本图如3 所示，其产生的环境成本变化与SO2类似。由表2可知，我国动力用煤的平均含氮量约为1%，由污染物NOx 引起的单位电量环境成本约占环境总成本的30%，因此，如污染物NOx 得不到有效控制，则会加重酸雨形成。

图2 各煤种SO2 单位电量环境成本

图3 NOx 单位电量环境成本

图4 与灰分有关污染物环境成本

图5 CO2 单位电量环境成本

烟尘、灰渣和粉煤灰产生的环境成本如图4所示。该图表明，烟尘和灰渣的环境成本受发热量和灰分影响不大，分别处于0．4 和0．25 分/kW·h 水平;而对粉煤灰环境成本影响明显，最高值达3．5 分/kW·h，最低为0．74 分/kW·h，粉煤灰环境成本差异较大是由于各煤种发热量和灰分不同，其与两者关系和SO2相似。CO2排放量根据IPCC 计算［20］，由于年发电量相同，即热耗相同，故其排放量仅与不同煤阶的二氧化碳排放系数有关，与煤种无关，其中褐煤单位热量二氧化碳排放系数最大，烟煤最小，故CO2单位电量环境成本最大的是褐煤、烟煤最小(如图5 所示)。由图6 可知，CO 和CH4的单位电量环境成本相对于其他污染物非常小，可忽略不计;煤尘和污水根据单位电量排放因子计算，因年发电量相同，其值与煤种无关，故在图中呈现水平直线。

图6 污染物相对较小环境成本

针对上述所得结果，图7 给出了不同煤种的环境成本构成。该图表明，对单位电量环境成本贡献较大的为CO2，NOx，粉煤灰3 种污染物，之和平均占到环境总成本的80%。由于加装除尘脱硫设施，因此，SO2、烟尘对环境总成本的贡献相对来说较小。粉煤灰所占比例较大，是因为未考虑对其的有效利用，即利用率为0，如对粉煤灰加以完全利用，外部平均环境成本可减少1．8 分/kW·h 且可减少固废污染物的排放，可很好减缓环境压力。将燃煤电厂污染物分为大气污染物、水体污染、固体废弃物3 类时，其环境成本构成如图8 所示。对于我国的主要动力用煤，大气污染物所产生的环境成本均在70%以上，固废污染物其次，水污染物最小。目前，我国动力用煤中烟煤占90%［22］，其平均单位电量环境成本为6．7分/kW·h，相应的环境成本构成如图9(a)所示。对单位电量环境成本贡献最大的为CO2，其次是NOx和粉煤灰，三者约占环境总成本80%。上述分析针对的是常规300 MW 机组计算，为进一步研究不同容量机组对单位电量环境成本的影响，经计算得出常规600 MW 机组的平均单位电量环境成本为6．4 分/kW·h，与300 MW 相差不大，且其环境成本百分比(图9(b))构成也与300 MW 大致相等。

图7 各煤种环境成本构成

图8 各煤种分气、固、液3 类污染物环境成本构成

图9 主要动力用煤中烟煤的平均环境成本构成

3 结论

基于排放因子法，分析了我国主要动力煤用煤对燃煤电厂的外部成本的影响。结果表明，影响外部环境成本的主要因素是煤的低位发热量、含氮量和灰分含量;环境成本与低位发热量呈负相关关系、与含氮量和灰分含量呈正相关变化;主要动力用煤的单位电量环境成本处于7．5 分/kW·h 水平，比重较大的为CO2，NOx，粉煤灰3种污染物，三者之和约占环境总成本的80%;我国动力用煤中烟煤占90%［22］，主要动力用煤中烟煤的平均环境成本为6．7 分/kW·h，低于其他煤阶。

本文只考虑电厂燃煤发电环节所产生的外部环境成本，如果让其承担发电环节所有外部环境成本，则会严重影响到其积极性;因煤电链即煤炭开采到燃煤发电，再到消费者用电都会产生一定的外部环境成本，故其中产生的环境成本应该得到合理的内部化，不应只由某环节或者社会承担。

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