煤炭不同利用方式主要大气污染物排放比较

高天明，周凤英，闫 强，张 艳

(1.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；3.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；4.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037)

煤炭不同利用方式主要大气污染物排放比较

高天明1，2，3，4，周凤英1，3，4，闫 强1，3，4，张 艳1，3，4

(1.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；3.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；4.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037)

煤炭利用是中国大气污染物的主要来源。煤炭在民用燃煤、工业锅炉、火电领域作为燃料，在煤化工领域的利用则作为原料。根据学者对中国以上领域煤炭利用污染物排放的研究，比较了不同产品的污染物排放强度，我们得到：降低民用散煤利用，改用型煤或低污染物排放燃料以减低污染物的排放；加强工业锅炉除尘和电力脱硝以降低颗粒物和NOX的排放；在煤焦化行业，全面推广脱硫除尘技术；现代煤化工CO2排放强度大，应关注其捕获利用，但其污染物排放均优于其他利用领域。根据不同产品的污染排放系数和煤耗，我们比较了不同应用领域的煤炭污染物排放强度：煤炭作为燃料，其碳几乎完全转化为CO2，但作为原料部分碳转移到产品中，同时，作为原料时其他污染物排放也远低于作为燃料的排放。煤NOX、SO2和颗粒物排放因子分别在火电、工业锅炉和民用燃煤和焦化行业最高，我们应相应地在这些领域加强其脱硝、脱硫和除尘工程。

煤炭；利用方式；大气污染物；排放

中国大气污染物排放量大，2015年CO2、SO2和NOx排放量分别为102.9亿t[1]、1859.1万t，1851.8万t[2]，位居全球各国首位。煤炭消费产生的CO2、SO2和NOx、烟尘等，成为大气污染物的主要来源。全国烟粉尘排放的70%，SO2排放的85%，NOx排放的67%都源于以煤炭为主的化石能源燃烧[3]。2015年中国煤炭消费量27.52亿t标煤，其中发电用煤占总消费量的45.17%，炼焦用煤占15.28%，建材行业用煤占7.86%，化工行业用煤占7.55%，民用燃煤占2.35%。直接燃煤占中国煤炭消费量的80%以上，直接燃烧能源利用率低下，同时生成硫化物，氮化物以及碳化物等排放强度较高，CO2占到全国总排放量71%左右，燃煤排放的大量CO2形成巨大的温室效应[4]。中国以煤炭主要的能源结构长期难以改变，其清洁高效发展更为迫切，加快煤炭清洁开发利用，是提高资源利用效率、减少和避免污染物的产生，改善环境现状的重要举措。

1 煤炭利用方式

煤是主要含有碳、氢、氧、氮、硫等元素的固体可燃矿物，其利用方式主要有两种：燃料和原料。煤作为燃料，将其化学能转化热能/电能加以直接利用，如民用散煤取暖、燃煤炉窑和火力发电提供工业热动力等；也可将煤作为原料，将其碳、氢、氧部分氧化，利用煤中的C和元素生成CO、H2为主的混合气体或化学品(图1)，如炼焦、煤制天然气、煤制烯烃等煤化工。

图1 煤炭作为原料和燃料的区别(注：根据文献[5]修改)

煤炭利用过程产生的污染物是长期影响中国大气环境质量的重要来源，其所排放的颗粒物(PM)、SO2、NOX和CO2对人体健康、空气质量和气候变化产生非常重要的影响，已经成为中国环境的主要污染物，同时也是未来中国减排控制的重点[6]。中小燃煤锅炉是中国工业和民用部门最主要的供热方式，其煤炭用量占全国煤炭消费总量的25%[7]。燃煤工业锅炉数量多，但单机容量仍然较小，整体系统的效率较低，设备污染物排放超标严重，燃煤工业锅炉的节能减排工作任重道远。民用煤以粗放和低能效的方式利用，燃烧条件差，无有效的排放控制措施，单位质量煤炭在家庭炉灶燃烧的排放污染物高于工业活动[8]。采暖季民用燃煤的SO2、NOx、PM10、PM2.5日排放强度约为电力行业的7倍、1.2倍、8倍和5倍[9]。电力、热力生产和供应业仍旧是主要大气污染物排放的主要来源，其SO2和NOx排放量分别占到了工业源两项主要大气污染物排放量的39.21%和54.2%[10]，是形成区域性复合型大气污染的主要行业[11]。

火电行业是总量减排的重点行业，也是主要大气污染物削减量的首要贡献者。电力行业不仅需加快加装烟气脱硝装置，而且需对现有的烟气脱硫设施及除尘设施进行全面改造。

煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料及化学品，生产出各种化工产品的工业。其中煤焦化、煤合成氨等属于传统煤化工，现代煤化工主要是指煤制油、煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇等。中国传统煤化工产能过剩，污染排放严重是国家限制发展的产业。如焦化行业不仅能耗高，而且污染物排放水平也较高，对厂区和周围环境造成了严重污染，炼焦炉周边、荒煤气净化车间、焦油和粗苯加工车间都是焦化厂污染最严重的区域[12]。现代煤化工产业，可以对煤炭中主要化学元素，如碳、氢、硫、氧等予以充分利用或回收，其气体污染物的排放，优于超低排放的火电项目。同时，实现了硫、氮等资源的有效利用，是煤炭清洁高效利用的有效途径之一[13]。

中国正在推进煤炭的节能减排工作，在钢铁、建材、电力、冶金行业淘汰落后产能和工业炉窑，推进超超临界，IGCC发电和脱硫脱硝除尘工程，开展煤制油、煤制天然气、煤制烯烃和煤炭多联产等示范项目。但中国煤炭作为原料的比重仍很低，仍然以煤炭直接燃烧为主，实现煤炭清洁高效可持续开发利用的战略目标(表1)任务十分艰巨。基于中国煤炭利用结构和节能减排态势，本文主要从煤炭不同利用方面来比较煤炭燃烧(民用燃煤、工业炉窑、燃煤发电)和加工转化(炼焦、煤化工)的污染物情况，推进利用方式转变，以实现煤炭清洁高效可持续利用。

2 行业/产品污染物排强度

2.1 民用煤污染物排放强度

居民采暖、炊事等分散使用的煤多为原煤，其占比90%以上[15]，且以烟煤为主。由于煤质不同、燃烧方式等方面的差异，学者给出民用煤的相应排放因子有较大的差异，SO2的排放因子取值范围为0.18～15.89 kg/t，NOX的取值范围为0.2～2.20 kg/t[16]。民用燃煤因燃烧效率不高，燃料的不完全燃烧会产生大量CO，造成CO排放量过高，这也将影响CO2的排放，故民用煤CO2的排放系数(EFCO2)应扣除转化为CO的碳含量(式(1))。民用燃煤SO2排放因子与煤质含硫率呈正相关，与灰渣中含硫率呈负相关，排放因子中应考虑煤中的全硫含量(St，d)(表2)。燃烧相同质量的民用煤，烟煤NOx和CO排放因子均高于其他类型煤，这是由于燃烧时各煤种的结构、组分含量、密度和燃烧工况差异导致。

表1 中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略目标[14]

表2 民用煤大气污染物排放系数

数据来源：文献[19]。

民用煤燃烧排放的颗粒物以细颗粒为主，PM2.5占PM10的70%～94%[17]，其颗粒物排放因子的变化非常大。刘源等获取了6种不同成熟度的散煤和蜂窝煤燃烧排放PM2.5的排放因子，散煤为0.78～11.06 g/kg，蜂窝煤为3.78～7.28 g/kg[18]。鉴于导致民用煤排放因子的差异的不确定性，本文依据《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》中的推荐值作为民用煤的大气污染物排放系数(表2)。由此可知，在同等煤质下，民用煤污染物排放量差异较大，以二氧化硫为例，兰炭最低，无烟煤、型煤、烟煤依次增大。烟煤是民用的主体，也是主要污染排放系数最大的民用煤，特别是颗粒物排放，是其他民用煤的6倍以上。

(1)

式中：C为煤中碳的质量比重，%；CO为民用煤的CO排放因子，kg/t。

2.2 工业锅炉污染物排放强度

中小燃煤锅炉是工业锅炉的主体，多地调查表明，10 t/h以下的层燃炉为主[20]。这些锅炉，燃烧效率相对较低，且主要以湿法脱硫除尘技术为主，长期得不到有效的维护和保养，对近地面大气环境和污染累积形成了重要贡献。学者们[20-22]多采自上而下的方法对区域工业锅炉的大气污染排放情况进行了研究，进而推导出来不同污染物的排放量及所占产出比重。而对中小燃煤锅炉实际排放的测量和分析仍然较少。本文工业锅炉的主要污染物排放因子(图2)基于陈磊[23]对7台典型中小燃煤锅的实测数据，颗粒物数据取李超等[24]研究中工业锅炉处理前后数据的均值。

图2 工业锅炉处理前后污染物排放情况(数据来源：文献[23]和文献24])

从全国来看，工业锅炉NOX、SO2排放水平高，各锅炉均未体现出显著的脱硫脱硝治理效果，脱硫脱硝效率十分低。虽然多数工业锅炉都安装了除尘设施，但实际运行除尘率低，除尘治理和设施运行状况仍有提升空间。

2.3 火电污染物排放强度

中国丰富的煤炭资源使得发电机组中绝大多数是煤电机组，每年消耗的煤炭中约有50%用于火力发电。影响CO2排放因子的主要因素有机组装机容量、燃料类型。随着装机容量增大，机组发电热效率提高，CO2排放因子越低[25]。相同的装机容量，不同类型的煤种，其CO2排放因子也有差异，基于此本文均采用标煤排放因子以便于比较。SO2排放系数因燃煤含硫量的不同而有所差异，也与机组规模及其污染控制水平有关：煤折算硫分越大，SO2产污系数越高；机组规模越大，SO2产污系数越小[26]。火电厂是中国SO2和NOx的主要排放源之一，目前火电行业NOx和SO2排放量分别占全国排放总量的40%以上[27]。脱硫脱硝是控制火力发电厂SO2、NOx排放的主要途径。截至2014年底，全国脱硫装机容量达8.2亿kW，占煤电装机容量的94.72%；燃煤机组脱硝装机容量已达到7.1亿kW，脱硝机组装机容量占火电装机容量的比重约为83%，平均脱硝效率64%[10]。

综合学者[28-29]对中国不同装机容量机组的污染物排放研究，我们得到了中国电力的污染物排放系数(表3)。由表3可知：NO2排放因子主要受机组燃烧时炉膛内温度的影响，小机组燃烧时炉膛内温度低于大机组，因此其NO2排放因子也高于大机组；大机组的脱硫效果也优于小机组。在颗粒物排放方面，大型机组除尘装置对颗粒物的去除效率总体高于小型机组除尘装置的去除效率。2015年中国火电电厂平均煤耗为315 gce/kW·h[30]，以此可得出电力CO2排放因子为831.6 g/kW·h。

2.4 传统煤化工污染物排放强度

炼焦煤中约80%碳元素转移至焦炭，剩余的碳元素转移到其他产物中，副产品回收利用影响直接CO2排放。刘泽淼等[31]根据物料衡算法计算出了焦化工序吨焦炭CO2排放量为592.44 kg/t。焦化煤料中有20%～45%的硫以硫化物形式转到焦炉煤气中[32]，这些硫化物如不能有效去除将形成严重的空气污染。国家已对焦化行业的SO2排放实行了总量控制，焦炉煤气燃烧后的SO2作为严格控制的约束性指标。通过淘汰落后产能和技术、干法熄焦技术和煤气脱硫技术控制焦化行业SO2排放，2015年中国焦化工序SO2排放系数平均为0.20 kg/t焦炭[32]，炼焦工序排放的PM10占总颗粒物排放的比例较小，但以PM2.5为主[33]，其排放系数分别为1.45 kg/t，1.20 kg/t[34]。

合成氨生产需要消耗大量的能量，加上原料气制备中也要释放大量CO2，是被公认为CO2排放强度最大的行业之一。煤气化是合成氨和现代煤化工过程中的关键工序，气化过程是煤炭在高温高压下将其碳氢元素部分转化为可燃性气体的工艺过程，此过程中产生的CO2通净化后排出。因工艺、技术管理水平的差异，CO2排放强度也不同。中国煤制合成氨工业CO2排放因子为4.58 t/t[35]，高于中国煤炭深加工示范项目排放限值4.2 t/t[36]。以煤为原料的合成气中还含有多种硫化物，CO2和硫化物都会造成氨合成催化剂中毒。因此在合成气进入氨合成塔之前，需将CO2和硫化物脱除，中国合成氨的硫化物排放限值为0.33 kg/t；合成氨NOx的排放以火炬系统排放为主，合成氨工艺NOx的排放系数为0.21～0.32 kg/t，其平均排放量为0.22 kg/t[37]低于NOX排放限定标准0.29 kg/t[36]。合成氨和现代煤化工生产工艺过程基本没有粉尘排放，颗粒物仅有备煤干燥过程的低空除尘器排放，大部分粉尘均被液相扑集[38]。

2.5 现代煤化工污染物排放强度

现代煤化工CO2和主要污染物排放强度受到项目能效、煤耗的影响，也与工艺技术、热电方案及末端治理措施密切相关，其排放分为原料加工和燃料燃烧两部分(图4)。用于现代煤化工时，原料煤中的碳元素一部分被转移到产品中，另一部分转化为CO2排放。由于产品方案和工艺路线不同，现代煤化工的CO2排放强度(表3)与煤炭燃烧排放相比要低30%以上[39]。燃料煤中的硫燃烧后，经过脱硫后以废气排出；原料煤中的硫，多数经合成气净化后以硫磺固化下来，或通过废渣排出，仅有小部分通过净化后的废气排出。以煤制烯烃为例，废气中含硫量仅为0.83%[40]。现代化煤化工中的氮元素主要来自于煤，关于现代煤化工行业NOx排放系数的研究不多。现代煤化工SO2，NOX的排放浓度执行GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》。

表3 煤化工主要污染物排放系数[31，24，36，41]

数据来源：文献[24]、文献[31]、文献[36]、文献[41]。

3 燃料/原料污染物排放系数比较

3.1 CO2排放比较

根据不同产品的CO2排放因子及其煤耗，我们得到了不同产品的煤炭CO2排放强度(表4)。煤炭作为燃料，其碳几乎全部转化成CO2排入大气。民用燃煤因燃烧效率不高，燃料的不完全燃烧会产生大量CO，导致CO2排放减少，民用燃煤的CO2排放系数为2.45 t/tce。在工业锅炉和发电行业煤炭燃烧充分，CO2的排放系数接近于标煤排放系数。而煤作为原料时，煤一部分碳以CO2形式排出，另一部分存在于产品中。根据原料消耗及其CO2排放量，我们得到了不同煤化工产品的碳转移比重(图5)。

图3 不同类型煤电机组发电污染物排放系数比较(数据来源：文献[28]、文献[29])

图4 现代煤化工及合成氨主要污染物排放点(数据来源：文献[36])

民用型煤工业锅炉火电煤焦化煤合成氨煤制天然气煤直接制油煤间接制油煤制烯烃煤制乙二醇CO2(t/tce)2.452.632.640.572.102.041.611.882.051.85SO2(kg/tce)10.1311.901.550.810.170.180.220.230.110.39NOx(kg/tce)1.192.506.181.090.150.170.200.210.090.36

图5 原料煤中碳转移煤化工产品的比重

从不同产品废气中CO2排放的比重来看，作为燃料及焦化时，废气中CO2含量较低，收集捕获成本高；而现代煤化工煤转化后经低温甲醇洗后的CO2纯度较高，排放集中，适于碳捕集、利用和封存，为后续利用提供了经济可能性。

3.2 SO2/NOX排放比较

SO2的排放取决于燃煤中的硫含量及脱硫装置。煤作为原料各产品的SO2排放强度相差不大，但作为燃料时的排放系数时表现出巨大的差异。民用燃煤和工业锅炉无脱硫设备或SO2去除率低，表现出了高的SO2排放系数约为11 kg/tce(表4)，而在电力行业烟气脱硫是降低电厂SO2排放的主要途径之一。石灰石-石膏湿法脱硫效果可达87%，是火电行业中应用最广泛的脱硫技术。燃煤电厂吨燃料煤燃烧的SO2排放量为1.55 kg/tce。煤作为原料时，SO2排放量为0.2 kg/tce左右(表4)。原料煤中的硫在工艺过程中得到了转化回收，硫回收率达到99.8%以上，和直接燃煤相比，SO2排放可下降99.8%，和燃煤发电(带脱硫脱硝，脱硫效率约90%)相比，SO2排放可进一步降低80%[42]。某60万t煤制烯烃项目，装置异常排放和回收尾气排硫量占总硫量的2.26%[43]。

NOx排放作为中国“十二五”大气污染控制约束性指标，已引起社会各界的广泛关注。燃烧过程中NOx的形成主要有燃料型、热力型[44]。中小锅炉燃煤的NOx生成以燃料型为主[45]，主要取决于燃煤中的氮含量和燃烧的完全程度，工业锅炉采用“低温低氮燃烧技术”，可显著减少NOx的产生。而火电行业NOx排放量不仅与燃料中的氮有关，还受到燃烧温度的影响，且后者的影响更大。火电炉膛温度在1 400 ℃以上，空气中的氮与氧气化合，这使得NOx大量产生，排放浓度较高。故火电行业燃料的NOX排放因子高于民用燃煤和工业锅炉的排放(表4)。中国在有力推进NOx减排工作的，由于本文电力排放数据多来源于“十二五”前期，NOX的排放系数并未表现出脱硝的减排效果。现代煤化工中使用纯氧气助燃，没有外来的氮气，仅煤中的氮元素转化为氨氮化合物[39]。煤作为原料利用时其NOX的排放系数远小于燃烧过程，煤化工NOX排放系数远远低于火力发电(表4)。

3.3 PM排放比较

高强度的PM排放是造成当前中国雾霾频发的主因，其中工业和燃煤是重要的贡献者[46]，现代煤化工采用密闭形式生产，颗粒物排放仅在煤堆场等少数几处，基本没有粉尘排放。因此本文主要研究煤作为燃料的颗粒物排放情况。民用燃煤以散煤为燃料，在缺少除尘设施的情况下，民用燃煤的颗粒物排放将是型煤的10倍以上，因此，我们要严格限制散煤应用于民用炉灶燃烧。散烟煤做成型后，其燃烧的PM10和PM2.5的排放强度为1.64 kg/tce和1.16 kg/t(图6)。本文引用工业锅炉的排放因子较低，主要是这些工业锅炉采用型煤作为燃料，同时采用了多管旋风除尘器和水膜除尘器，除尘效率达为60%以上。火电通过除尘设施和关小上大发展大装机容量机组等降低颗粒物的排放，中国火电PM10和PM2.5的排放强度为0.53 kg/tce和0.37 kg/tce。炼焦生产过程的颗粒物主要排放源是装煤、出焦、熄焦过程，出焦排放的PM10和PM2.5浓度最高，现有布袋除尘技术已经不能有效解决PM2.5的问题，因此导致了炼焦生产过程高PM10和PM2.5排放(图6)。

图6 不同产品煤颗粒物排放系数

4 结论与建议

对煤炭不同利用方式产品的排放比较，我们得到：①民用烟煤各种污染物排放系数均高于其他使用方法，因此民用燃煤应减少散煤的使用，通过集中供热或改用型煤和低污染物的燃料以降低污染物的排放；②虽然学者研究得出工业锅炉主要污染物均低于火电，但我们注意到中国工业锅炉的脱硫脱硝除尘设备普及率不高，加强对工业和民用锅炉废气的处置可降低中国SO2和NOX污染物的排放量；③火电随着新工艺和单机容量的增加，各种污染物的排放因子均呈现降低的趋势，中国应逐步淘汰落后产能，关小上大、加强机组脱硫脱硝，提高脱硫脱硝设施的去除率；④中国焦化产品因其排污点多，污染物排放系数高，焦化行业应加强对落后产能、炼焦技术的淘汰和更新，全面推广脱硫除尘技术；⑤现代煤化工产品煤耗大，CO2排放强度高，应关注其回收利用问题，而其硫等有害物质回收利用率高，硫化物、NOX及PM排放系数均优于其他利用方式。

依据不同产品的污染物排放系数和煤耗，我们比较了不同利用方式煤的污染物排放系数。①煤作为燃料其碳几乎全部转化为CO2，而用作原料部分碳将转移到产品中，因此煤作为原料时其CO2排放系数小，多数现代煤化工产品原料煤的排放系数为2左右。煤炭作为原料时的大气污染物排放量要小于煤的燃烧过程，属于煤的清洁利用技术。②燃煤SO2排放系数民用和工业锅炉显著地高于其他利用方式，其几乎无脱硫设施，脱硫率低。③因窑炉中氮和氧发生反应，NOx的排放系数电力行业显著地高于原料中的氮氧化物排放，NOX排放系数工业锅炉和煤焦化的也较高，应加强其脱硝率。④对比其他使用方式煤的颗粒物排放，我们应加强民用燃煤和焦化的粉尘排。

煤炭利用是中国主要大气污染的主要源头，只有不断加强煤炭的清洁高效综合利用技术开发，加大推进洁净煤技术发展，最大限度地控制煤炭污染物的排放，以达到清洁发展的目标。

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Comparison of main air pollutant emission in different ways of coal utilization

GAO Tianming1，2，ZHOU Fengying1，3，4，YAN Qiang1，3，4，ZHANG Yan1，3，4

(1.Research Center for Strategy of Global Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China；3.Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；4.MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment，Beijing 100037，China)

Coal utilization is the main source of air pollutants in China.Coal is used as fuel in civil coal fired，industrial boiler and power plant，but in the field of coal chemical industry as a raw material.According to scholars’ study on coal utilization pollutants emission in China，we compared the pollutant emission intensity of different products，and get the following conclusions：Reduce the use of civilian bulk coal，or be replaced by briquette or low emission fuel to cut down the air pollutants emissions；Strengthening the dust removal of industrial boilers and the denitration of electric power to reduce particulate matter and NOXemissions；In the coal coking industry，we should comprehensively promote the desulfurization and dust removal technology；The CO2emission intensity of modern coal chemical industry is greater，and attention should be paid to the capture and utilization of CO2，but it's other pollutants emission intensity is better than that of other coal utilization fields.According to the pollution emission coefficient and its coal consumption，we compared the coal pollutant emission intensity in different application fields：Coal is used as fuel，and its carbon is almost completely converted to CO2；but as raw material，part of its carbon is transferred to the product.And，its other pollutants emissions are also much lower than the emissions as fuel.The coal emission factors of NOX，SO2and particulates are respectively highest in thermal power，industrial boilers，civil coal combustion and coking industries，we should strengthen the denitration，desulfurization and dust removal projects in these areas correspondingly.

coal；utilization way；air pollutant；emission

2017-03-17 责任编辑：宋菲

地质矿产调查评价项目“全国特种煤资源综合评价与信息系统建设”资助(编号：DD20160189)；地质矿产调查评价项目“能源安全综合研究与动态跟踪评价”资助(编号：DD20160084)；国家自然科学基金青年项目资助(编号：41501590)

高天明，博士，副研究员，主要研究方向为资源经济与资源政策。

张艳，博士，副研究员，主要研究方向为资源经济与资源政策，E-mail：wangzhebox@vip.sohu.com。

F407.21

A

1004-4051(2017)07-0074-07