2010~2015年中国燃煤电厂NOx排放特征

蒋春来,宋晓晖,钟悦之,王彦超,雷 宇



2010~2015年中国燃煤电厂NO排放特征

蒋春来,宋晓晖,钟悦之,王彦超,雷 宇*

(环境保护部环境规划院,北京 100012)

基于中国2011~2015年发电企业逐台燃煤机组基础信息、活动水平及控制技术等,建立了燃煤电厂NO排放量计算方法和排放数据库.利用该方法,计算了2011~2015年逐个机组NO排放量,分析了2010~2015年中国燃煤电厂NO排放特征. 结果表明:中国燃煤电厂NO排放量自2010年的1073万t增加到2011年的1132万t,达到排放峰值,随后逐年下降,到2015年下降到522万t.燃煤电厂NO排放地区分布不均衡,2015年内蒙、山东、江苏、江西、河南、河北、辽宁是排放量最大的省份,占中国燃煤电厂排放总量的48.8%.上海、江苏、天津、宁夏、山东、浙江和山西是排放强度最大的省份.从机组规模来看,单台容量在300~£600MW之间的燃煤机组是NO排放的主要来源,当机组装机容量从100MW提高到1000MW时,NO平均排放绩效从2.91g/kWh降至0.48g/kWh,下降了近84%,这主要是由于装机容量越大的燃煤发电机组,电力工业技术水平和污染治理水平越高,NO平均绩效越低,环境行为越好.

电厂；NO；排放特征；排放清单；中国

一次颗粒物和二次颗粒物前体物(SO2、NO、VOCs、NH3)的大量排放是造成我国PM2.5、臭氧等区域复合型污染的主要原因,其中NO排放负荷巨大、活性强、具有跨区域的环境影响特征,既是衡量全国空气质量的重要指标,也是导致区域复合型污染的关键因子[1-2].十二五期间中国对导致区域复合型污染的关键因子NO进行了总量控制,其中电厂、机动车及工业行业是减排重点.燃煤电厂是中国最大的煤耗部门,根据全国污染源普查数据统计,2010年NO排放约占中国的47%,且具有远距离传输的特点,研究燃煤电厂NO的排放特征,对评估控制成效,制订科学、合理的NO排放控制政策具有重要的意义.

高精度的燃煤电厂排放清单是评估NO排放控制成效的基础,目前中国基于逐台机组的燃煤电厂NO排放研究很少,大部分排放是采用逐省的煤炭消耗量进行宏观估算或者基于排放系数和污染源重点调查相结合的方法进行估算,研究以全国尺度和区域尺度(京津冀、长三角以及珠三角)居多,在重点地区以地级市研究居多[3-7].以机组为单元的自下而上的全国燃煤电厂排放量估算很少,Zhao等[8]估算了中国燃煤电厂2000年和2005年逐台机组的NO排放清单,其他研究者采用类似的方法分别编制了中国燃煤电厂2005~2010年的机组水平的NO排放清单[9-14],但由于基于单位机组的研究对数据的可靠性和精确度要求很高,现有的大部分研究难以准确获取每个机组的全部影响因素,对于缺失的信息,采用综合评估等方法进行补充,造成误差较大.因此, 笔者基于2011~2015年全国火电厂上报的逐台的火电机组基本信息、活动水平、控制技术等数据,并结合历年现场调研对数据的校验,测算了全国燃煤电厂NO的排放量,分析了燃煤电厂NO的时空分布特征等,以期为中国燃煤电厂NO排放控制提供决策依据.

1 方法与数据

1.1 计算方法

本研究基于中国2011~2015年大陆地区31个省(区、市)(不含西藏)总量减排数据中每台发电机组的基本信息、工艺类型、活动水平、排放因子、控制水平等数据,并结合历年现场调研,建立了涵盖所有燃煤机组的(包括独立火电厂机组、自备电厂的纯凝燃煤发电机组和热电联产机组)的排放数据库,测算了逐台机组(2010年在役5798台燃煤机组,2015年在役6029台燃煤机组)的NO排放量.燃煤电厂NO2010年排放量采用中国第一次污染源普查更新数据.2011~2015年机组NO排放量主要根据燃煤消耗量、排污系数和治理工程运行情况等进行测算.

未采取任何措施的燃煤机组NO排放量测算公式为:

E=M´pf´10 (1)

式中:E为第台机组以NO2计算的NO年排放量, t/a;M为第台机组煤炭消耗量,万t;pf为第台机组产污强度,kg/t,主要为2010年全国污染源普查该机组采用的系数.对于新建的燃煤机组,按照《“十二五”主要污染物总量减排核算细则》[15](环发[2011]148号)新建机组排放系数取值;对于2010年底前未安装脱硝设施的机组,按照2010年该机组单位煤炭NO排放强度取值.

采取治理措施的燃煤机组NO排放量,应根据治理措施改造前后分时间段进行测算,治理措施包括进行低氮燃烧技术改造、新建脱硝设施、既有低氮燃烧改造又新建脱硝设施等,按照对应消耗的煤量、NO去除率、脱硝效率分时间段测算.对于实施脱硝设施改造的机组,应根据脱硝设施改造前、后的实际脱硝效率分别测算NO排放量.采取治理措施的燃煤机组NO排放量测算公式为:

电i=M´pf´(1-)´(1-)´10 (2)

式中:M为核算期第台机组不同时段煤炭消耗量,万t,应根据治理措施的稳定运行时间分段选取;pf意义同公式(1).对于2010年底前已安装脱硝设施的机组,按以下公式确定:

2010i为2010年第台机组综合脱硝效率,%.对于2010年新投运的脱硝设施,需按全年折算综合脱硝效率.为低氮燃烧改造后相对低氮改造前提高的NO去除率,按下列公式确定:

式中:改造前为第台机组进行低氮燃烧技术改造前的氮氧化物平均浓度,mg/Nm3;改造后为第台机组进行低氮燃烧技术改造后的氮氧化物平均浓度, mg/Nm3;为核算期第台机组脱硝设施稳定运行后综合脱硝效率,%.

1.2 数据获取

测算NO排放时需要确定的参数包括2011~ 2015年每台机组的排污系数、燃煤消耗量、燃煤挥发分、采取的污染治理技术及对应的综合去除效率等数据.机组排污系数主要是采用污染源普查数据库中该锅炉类型对应的系数.本研究主要分析参与计算的燃煤消耗量、燃煤挥发分、控制技术及控制水平.

1.2.1 火电厂燃煤消耗量 2010~2015年中国燃煤火电厂煤炭消耗量分别为18.6,21.1,20.9,21.7,21.5, 20.1亿t.汇总数据与中电联公布的统计数据中的³6MW电厂燃煤消耗量相比高5%~9%左右[16],占全国煤炭消耗量的50%左右,十二五期间年均增速约1.58%,2011年较2010年的增长幅度较大,为13.58%,而2015年较2014年的降幅最大,为6.40%,与全国发电量的变化趋势基本一致.2010~2015年中国大部分省份煤炭消耗量呈增长趋势(图1),其中兵团、新疆、海南、宁夏、内蒙5省增幅最大,分别为286.1%、235.8%、84.1%、52.2%和39.3%.陕西、北京、云南、四川和湖南降幅最大,分别为74.7%、70.5%、55.4%、45.6%和19.1%.

图1 2010~2015年中国各省(区、市)燃煤电厂煤炭消耗量

1.2.2 火电厂燃煤挥发份分布情况 燃煤电厂历年使用的煤种一般比较稳定,因此,本研究以2015年为例分析了燃煤挥发份分布情况.参与统计的2015年在役的5059台机组中,燃烧煤种的机组台数占比和燃煤量占比大小和顺序基本一致,从大到小顺序分别为烟煤(20%<干燥无灰基挥发份(Vdaf)£37%)、褐煤(Vdaf>37%)、贫煤(10%< Vdaf£20%)和无烟煤(Vdaf£10%)(图2),其中燃烧烟煤的机组台数和燃煤量占比均为48%,平均装机容量约150MW,其次为燃烧褐煤的机组,机组台数和燃煤量占比分别为30%和36%,平均装机容量最大,约250MW,占比最小的为无烟煤,机组台数和燃煤量占比分别为8%和3%,平均装机容量仅为60MW.

1.2.3 NO排放控制技术及NO的去除率 2010~ 2015年,燃煤机组脱硝装机容量由89×103MW增加到83×104MW,占全国燃煤机组的比例由2%增加到90%,已建脱硝设施的平均脱硝效率为62%,其中约95%的燃煤机组采用选择性催化还原(SCR)脱硝工艺,平均脱硝效率约为64%左右,只有4%的机组采用选择性非催化还原(SNCR)脱硝工艺,平均脱硝效率仅为45.7%.此外,还有少量机组采用SNCR/SCR脱硝工艺.

图2 2015年中国燃煤机组燃煤挥发份分布情况

全国各省十二五期间脱硝机组呈快速增长趋势(图3),截至2015年底,北京、江苏、浙江、天津、贵州、安徽、江西、甘肃、河北、河南,湖北11省市脱硝机组占比达95%以上,其中北京市燃煤机组全部安装了脱硝设施.新疆、海南、四川、重庆、黑龙江、青海、吉林7省的脱硝机组占比在80%以下.从脱硝效率的情况来看(图4),北京、重庆、天津、青海、海南、湖北、山东7省市脱硝效率较高,在70%以上,其中北京最高达90%.部分省份脱硝效率较低,其中宁夏最低,仅40%.

图3 2010~2015年中国各省(区、市)燃煤电厂脱硝装机容量变化

图4 2015年中国各省(区、市)燃煤机组占比及脱硝效率

2 结果与讨论

2.1 2010~2015年NOx的排放量

图5 2010~2015年中国燃煤电厂NOx排放量变化趋势

2010~2015年中国煤电行业NO排放量为522~1132万t,自2010年的1073万t增加到2011年的1132万t,达到排放峰值,随后逐年下降,到2015年较2010年下降了51.3%.由于统计口径等的差异,本研究测算的历年全国电厂NO测算值与环境统计相比高2%~5%[17].煤电行业的排放绩效呈逐年下降趋势,其中2010年为2.21g/kWh,至2015年降至0.53g/kWh,较2010年降低76%.

煤电行业是中国NO排放控制的重点.2012年前中国燃煤电厂执行的NO排放标准较为宽松,GB 13223-2011[18]对燃煤电厂NO排放控制提出了更高要求,与此同时,十二五节能减排综合性工作方案也将NO排放列为约束性控制指标,要求电力行业开展减排工作.十二五期间新建机组全部采用低氮燃烧技术和安装脱硝设施,同时大批现役机组开展了低氮燃烧技术及脱硝技术改造,脱硝机组安装比例大幅提高(图4),到2015年底,煤电脱硝比例达90%,其中煤电机组超低排放改造完成1.9亿kW.另一方面,十二五期间排放控制技术落后的小火电机组被大量淘汰,电力工业技术水平也显著提升[11],能源利用效率提高,这也是燃煤电厂NO排放量下降、排放绩效水平不断提升的一个重要原因.

2.2 中国煤电行业NOx排放的空间分布

2.2.1 排放的地区分布 中国燃煤电厂NO排放的地区分布不平衡,这与刁贝娣等[19]研究的中国工业NO排放的空间分布相似.2015年内蒙、山东、江苏、山西、河南、河北、辽宁是排放量最大的省份,占全国排放总量的48.8%,年排放量均在25万t以上.燃煤电厂NO年排放量最低的省份为北京、海南、青海和天津,年排放量均在5万t以下.虽然山东、江苏、河南、河北、辽宁五省面积仅占国土面积的9%(不计算水域面积),但却集中了中国28%的人口和33 %的GDP.山西和内蒙是2015年全国原煤产量最大的2个省份,原煤产量占2015年中国总产量的50%.由此可见,人口密度、经济发展水平、煤炭资源禀赋等对燃煤电厂的布局影响很大.

由图6还可见,相比于2010年,所有省份NO排放量均呈下降趋势,其中降幅最大的为北京、天津、湖北、云南、重庆、四川、湖南、上海、河南,下降比例均在65%以上.各省的煤电消耗量、机组脱硝比例以及脱硝设施运行情况是影响NO排放量变化的主要因素.

图6 2010~2015年中国各省(区、市)煤电机组NOx排放量的变化趋势

2.2.2 NO排放强度的空间分布 中国大陆地区NO排放强度(不计算水域面积)呈现逐年下降的趋势(图7),2010年燃煤电厂NO排放强度在20kg/hm2以上的省份有15个,到2015年减少到7个,NO排放强度在40kg/hm2以上的省份则由2010年的8个下降到2015年的1个.排放强度空间差异很大,有从内陆到沿海逐渐增加的趋势, 这与李艳新等[3,20]研究的中国大气NO排放强度的空间分布趋势基本一致.以2015年为例,NO排放强度最高的是上海,达到了143.2kg/hm2,其次是江苏(38.7kg/hm2)、天津(38.3kg/hm2)、宁夏(32.7kg/hm2)、山东(30.7kg/hm2)、浙江(23.4kg/hm2)和山西(20.2kg/hm2), 排放强度最低的是青海(0.52kg/hm2)、新疆(0.96kg/hm2)、北京(0.97kg/hm2)、四川(1.23kg/hm2)和云南(1.42kg/hm2).

2.3 中国煤电行业NOx排放规模分布

如图8所示,单台容量£100、100~£200、200~£300、300~£600和>600MW燃煤机组的NO排放量分别为136,77,79,165,65万t.燃煤电厂NO排放主要集中在300~£600MW和£100MW的机组上,分别占比32%和26%.其中£100MW的机组装机容量占比和发电量占比最小,均约8%左右,燃煤量约消耗了17%,NO排放量却占了总排放量的1/4左右.对2749台,总装机容量约76×104MW的机组的脱硝效率进行了分析,发现单台容量£100、100~£200、200~£300、300~£600和>600MW燃煤机组的综合脱硝效率分别为42%、57%、60%、63%和66%,其中机组装机容量越大,脱硝设施运转越好.选取925台装机容量为100,200,300,600,1000MW的燃煤发电机组,发现装机容量越大的燃煤发电机组,NO平均绩效越低,环境行为越好(图9).当机组装机容量从100MW提高到1000MW时,NO平均排放绩效从2.91g/kWh降至0.48g/kWh,下降了近84%.综合以上结果来看,装机容量大的燃煤发电机组,电力工业技术水平和污染治理水平较高,环境行为较好.朱法华等[21]通过对江苏省电力行业SO2等其他污染物排放绩效的研究,也得出类似结论,认为大容量机组在提高发电效率、减少污染物排放方面具有显著的优越性.

图8 2015年不同规模燃煤机组NOx排放量、装机容量占比、燃煤量占比以及发电量占比

图9 2015年不同规模的燃煤机组NOx排放绩效值

2.4 不确定性分析

排放量测算的相关参数的准确性给排放量的估算带来了不确定性.本研究的不确定性有.

(1)现场调研和文献调研发现,十二五期间中国燃煤电厂烟气排放连续在线监测系统(CEMS)烟道的取样布点的规范性较差,直接影响烟气流量流速测定结果的准确性[22],只有少量安装规范的机组可以采用在线监测直接测量法测算NO排放量,为了结果具有系统可比性,所有机组NO排放量均采用排污系数法进行测算.由于排污系数是根据大量实测数据得到的经验系数,但具体到各个火电机组还受到生产工况、企业管理水平、原材料及清洁生产水平等因素的影响,排放因子与实际排放仍存在差异,存在一定的不确定性.

(2)2010年以前的机组排污系数采用的是污染源普查数据库中机组对用的系数,2010年以后新建机组主要采用环保部发布的《“十二五”主要污染物总量减排核算细则》[15]推荐的系数.由于近年电力工业技术发展迅速,推荐的系数可能高于近年实际排放情况[23].

(3)该研究所采用的脱硝效率大部分是采用总量核查核定的效率,由于核查过程中部分企业不完全符合总量减排要求,包括减排台账的规范性、治污设施的运转稳定性较差等,综合脱硝效率的认定可能过于严格,部分机组NO排放量测算会有一定的偏差.

2.5 建议

通过对中国燃煤电厂NO排放特征的分析,今后NO排放控制应集中在以下几个方面.

(1)从煤电行业NO排放规模分布来看,环境行为较差的小容量的机组仍具有较大的减排潜力

(2)从煤电行业NO综合去除效果来看,仍有大部分地区整体综合脱硝效率较低,今后应加强脱硝设施的运行管理,使已有的治污设施切实发挥减排效益.

(3)从煤电行业NO排放的区域特征来看,东南沿海经济发达地区应作为下一步控制的重点.

3 结论

3.1 中国燃煤电厂NO排放量在2011年达到最高值(1132万t),此后逐年降低,2015年燃煤电厂NO排放量降为522万t.脱硝设施安装比例的大幅提高、小火电机组淘汰和电力工业技术水平的提高,是燃煤电厂NO排放量下降的主要原因.

3.2 中国燃煤电厂NO排放的地区分布很不均衡,内蒙、山东、江苏、山西、河南、河北、辽宁七省是我国燃煤电厂NO排放量最大的省份,占全国排放总量的48.8%.各省燃煤消耗量、装机容量、NO控制技术水平等是排放量影响的主要因素.十二五期间,随着国家减排力度的加大、脱硝补贴电价的实施,脱硝机组占比逐渐加大,各省NO排放强度逐渐降低,2010年燃煤电厂NO排放强度在20kg/hm2以上的省份有15个,到2015年减少到7个,NO排放强度在40kg/hm2以上的省份则由2010年的8个下降到2015年的1个.

3.3 中国燃煤电厂NO排放主要集中在300~£600MW和£100MW的机组上,其中装机容量占比7.9%的£100MW的机组,NO排放占比达到26%,这主要是由于装机容量越小的燃煤发电机组,电力工业技术水平和污染治理水平越差,NO平均绩效越高,环境行为较差.

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Characteristics of NOemissions from coal-fired power plants in China from 2010 to 2015.

JIANG Chun-lai, SONG Xiao-hui, ZHONG Yue-zhi, WANG Yan-chao, LEI Yu*

(Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 100012, China)., 2018,38(8)：2903~2910

The activity data and technical information of coal-fired power units in China from 2011 to 2015 were collected. A NOemission calculating model and an emission database was developed for coal-fired power plants. And the NOemissions characteristics of coal-fired power plants in China from 2011~2015 were analysed. NOemissions increased from 10.73million tons in 2010 to 11.32million tons in 2011, then decreased in the following 4years, to 5.22million tons in 2015. The layout of NOemissions is uneven. Inner Mongolia, Shandong, Jiangsu, Jiangxi, Henan, Hebei and Liaoning contributed 48.8% of total NOemissions from Chinese coal-fired power plants in 2015. Shanghai, Jiangsu, Tianjin, Ningxia, Shandong, Zhejiang and Shanxi ranked top 7by emission intensity. Units with capacity between 300MW and 600MW contribute the largest part of NOemissions. The average NOemission performance of 100MW level units was 2.91g/kWh, and which of 1000MW level units was 0.48g/kWh. The larger units performs better in terms of emissions because they apply better technology and install more advanced pollution abatement facilities.

power plant；NO；emission characteristics；emission inventory；China

X511

A

1000-6923(2018)08-2903-08

蒋春来(1979-),女,黑龙江绥化人,副研究员,博士,主要从事大气污染防治研究.发表论文30余篇.

2018-01-05

国家重点研发计划大气污染成因与控制技术研究专项(2016YFC0208400)

* 责任作者, 研究员, leiyu@caep.org.cn