云南省火力發電廠超低排放改造減污降碳協同效應研究

王珂，何 燕

（云南省生態環境科學研究院環境政策（低碳發展）研究中心，云南 昆明 650034）

0 引言

我國“3060目標”提出后，作為能源消費大戶的火力發電行業如何減少碳排放，盡早實現碳達峰受到了較大的關注，加上國家機構改革和職能轉隸打通了大氣污染物和二氧化碳減排管理的壁壘，火力發電廠能否在開展大氣污染物減排時同步實現對二氧化碳的協同減排成為研究的熱點之一。

本研究圍繞火力發電廠常見的對顆粒物、SO2和NOx等大氣污染物進行減排的超低排放改造措施，以云南省已經完成超低排放改造的部分火力發電廠為研究對象，對超低排放改造措施是否能對大氣污染物和二氧化碳形成協同減排效應進行了簡要分析研究。

1 背景

1.1 云南省火力發電概況

云南省作為清潔能源發電大省，發電端結構一直以清潔能源發電為主，火力發電量占全省總發電量的比例相對較低，截止2020年全省共有年綜合能耗1萬t標煤以上的火力發電廠12座（不含自備電廠），2020年火電裝機容量在1500萬kW左右，火電裝機容量占總裝機容量的比例大約為15%，火力發電量400億kW·h左右，火力發電量占全省總發電量的比例為10%左右，火力發電機組多為200MW、300MW和600MW等級的常規燃煤機組。

1.2 云南省火力發電廠超低排放改造推進情況

火力發電廠超低排放改造是實現火電行業顆粒物、SO2和NOx減排的有效措施，原國家環保部、國家發改委、國家能源局在2015年時就聯合印發了《〈全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案〉的通知》[1]，通知中要求符合改造條件的燃煤電廠要按照文件時間進度要求和安排，完成對具備條件燃煤機組的超低排放改造工作，并對改造后燃煤機組的煙塵、SO2和NOx排放濃度進行了規定，云南省也嚴格貫徹落實文件要求，有序推進符合條件的火力發電機組開展超低排放改造工作。

1.3 火力發電廠超低排放改造和二氧化碳協同減排

“協同效益/協同效應”的概念首次提出是在IPCC第三次評估報告中，即溫室氣體減排政策的非氣候效益[2]，具體到某一減排措施來說，可理解為通過一項減排技術，同時實現多種污染物和二氧化碳的減排，在碳達峰背景的約束下，火力發電廠若能在開展超低排放改造減排污染物的同時實現二氧化碳的減排，形成減污降碳協同效應，將對火力發電行業碳達峰的實現起到十分重要的意義。但目前為止報道較多的是火力發電廠進行超低排放改造后，對于顆粒物、SO2和NOx等大氣污染物之間的協同減排效果研究[3-4]，對于火力發電廠二氧化碳和大氣污染物之間的協同減排研究還相對較少[5]，且多為在宏觀層面對某一技術措施進行的協同減排研究或是對政策體系協同的研究[6]，針對具體的火力發電廠案例進行分析研究的還相對較少。因此，本研究重點關注了具體火力發電廠個案在實施超低排放改造后大氣污染物和二氧化碳的協同減排效應。

2 研究對象的選擇

截止2020年底，云南省已經完成或正在進行超低排放改造的年綜合能耗1萬t標煤以上的火電企業共有4家（不含自備電廠），本研究根據各火電企業超低排放改造完成情況，并結合數據的可獲取性，選擇了其中的3家火電企業（電廠A、電廠B、電廠C）為研究對象，對超低排放改造措施對二氧化碳和大氣污染物的協同減排效應做出分析和評價。

3 研究方法的選擇

3.1 協同控制效應坐標系分析方法

協同控制效應坐標系分析方法是毛顯強[7]教授提出的采用二維和三維坐標系表達某一減排措施對污染物的減排效果的評價方法。其主要原理是將同一措施對不同污染物的減排效果量化為二維或三維坐標系中的具體“點”，并根據該“點”在坐標系中所處的位置，對其協同控制效應進行分析，簡單概括如表1所示。

表1 協同控制效應坐標系分析方法

3.2 污染物減排量交叉彈性分析方法

污染物減排量交叉彈性分析方法也是由毛顯強[7]教授提出，其主要原理是定義一個污染物減排量交叉彈性參數，其計算公式如下：

式中：Elsa/b—污染物減排交叉彈性系數；a、b—分別指不同污染物的排放量變化率。

根據計算結果，對a和b兩種污染物的協同減排效應進行評價，評價方法簡單概括如表2所示。

表2 污染物減排量交叉彈性分析方法

3.3 研究方法選擇

本研究將采用污染物減排量交叉彈性分析方法和協同控制效應坐標系分析方法兩種方法，根據收集的數據，分別對云南省火力發電廠（電廠A、電廠B、電廠C）開展超低排放改造后，其二氧化碳和顆粒物、SO2、NOx的協同減排效應進行評價分析。

4 云南省火力發電廠超低排放改造減污降碳協同效應評價分析

4.1 減污降碳協同效應坐標系評價

采用減污降碳協同效應坐標系分析方法對3家電廠超低排放改造后大氣污染物和二氧化碳協同減排的效果進行評價，評價結果如表3和圖1所示。

表3 減排協同效應評價表

從圖1中可以看出，超低排放改造措施對于電廠A、電廠B和電廠C的大氣污染物和二氧化碳減排呈現出兩種不同的情況，從顆粒物、SO2和NOx與二氧化碳的協同減排效應評價來看，電廠B均位于第一象限，因此，其超低排放改造措施對顆粒物、SO2和NOx等3種大氣污染物和二氧化碳均具有協同減排效應，而電廠A和電廠C，均位于第四象限，因此，其超低排放改造措施在減排顆粒物、SO2和NOx的同時卻造成了二氧化碳的排放上升，其二者間不具有協同減排效應。

進一步深入分析電廠B二氧化碳和大氣污染物協同減排的情況（圖2）可以看出，當顆粒物、SO2和NOx與二氧化碳的協同減排效應評價結果位于同一坐標系中時，其與橫軸形成的夾角中，∠EOH＞∠FOH＞∠GOH，因此，對于電廠B來說，顆粒物和與二氧化碳的協同減排效應最高，其次是SO2，最后為NOx。

圖2 電廠B大氣污染物和二氧化碳協同減排情況

從各電廠超低排放改造對大氣污染物和二氧化碳的協同減排效果評價綜合來看（見圖3），電廠A、B、C的超低排放改造措施對于3種大氣污染物的減排效果均相對較明顯，電廠B對3種大氣污染物的減排效果均要優于電廠C，對于二氧化碳的減排，電廠A和C均是增加了二氧化碳排放，而電廠B是實現了大氣污染物和二氧化碳的協同減排。

圖3 大氣污染物和二氧化碳協同減排總體情況

4.2 減污降碳協同效應交叉彈性評價

采用污染物減排量交叉彈性分析方法對3家電廠超低排放改造和二氧化碳協同減排的效果進行評價，評價結果如表4所示。

表4 污染物減排量交叉彈性分析結果

從表4可以看出，電廠A和電廠C的Elsc/顆粒物、Elsc/SO2、Elsc/Nox均＜0，說明二氧化碳和顆粒物、SO2和NOx間并無協同減排效應，而電廠B的上述交叉彈性系數位于0到1之間，說明對于電廠B，其大氣污染物和二氧化碳間具有協同減排效應，且對顆粒物、SO2和NOx的減排效果要大于對二氧化碳的減排效果。

從顆粒物、SO2和NOx等3種大氣污染物的交叉彈性分析結果來看，電廠A、電廠B和電廠C的超低排放改造措施均產生了協同減排效應，其交叉彈性系數均＞0，但同時電廠A和電廠C與電廠B之間又呈現出不同的減排特點，電廠A和電廠C超低排放改造對大氣污染物的減排效果較為相似，均表現出對顆粒物的減排效果大于SO2和NOx以及對SO2的減排效果要大于NOx的特點，而電廠B則是表現出SO2的減排效果大于顆粒物和NOx以及顆粒物減排效果大于NOx的特點。

5 討論

火力發電廠超低排放改造主要是通過末端治理的方式，在需要削減污染物的工段安裝脫硫、脫硝和除塵設施，使最終排放煙氣中的顆粒物、SO2和NOx的排放濃度降低，從而達到火力發電廠超低排放改造標準。在碳達峰背景下，若能在開展超低排放改造的同時實現二氧化碳的協同減排，對于火電企業實現碳達峰目標具有十分重要的意義。但一般情況下，脫硫、脫硝和除塵設備的使用會在一定程度上增加火力發電廠的自用電率，從而使得其供電煤耗出現一定程度的增加，從而導致二氧化碳的排放量增加，如魏宏鴿[8]等人的研究指出火力發電廠超低排放改造會造成發電機組能耗的顯著增加，機組廠用電率平均增加0.81%。但也有報道指出采取和火力發電廠相似的超低排放改造措施的鋼鐵企業，其改造后由于除塵系統效率的整體提升降低了能耗，在整體上實現了碳排放的下降，產生了大氣污染物和二氧化碳的協同減排效應[9]。

在本次研究中，電廠A和電廠C的二氧化碳和大氣污染物協同減排評價結果顯示其超低排放改造均不具有大氣污染物和二氧化碳的協同減排效應，雖然顆粒物、SO2和NOx的排放量實現了大幅下降，但導致了供電煤耗的上升，增加了二氧化碳的排放量，這和魏宏鴿等人的研究結果相似，但值得注意的是電廠B超低排放改造對二氧化碳和大氣污染物的協同減排評價結果卻與電廠A和電廠C相反，雖然其超低排放改造對顆粒物、SO2和NOx的減排效果要大于對二氧化碳的減排效果，但仍然實現了二者間的協同減排。

綜合各電廠的情況來看，電廠A、B和C的機組均為300WM常規燃煤機組（水冷），電廠A為熱電聯產企業，電廠B和電廠C均為純發電企業，而電廠A和電廠C的超低排放改造均沒有實現大氣污染物和二氧化碳的協同減排，因此，筆者認為機組的類型和電廠的生產模式并不是影響超低排放改造對大氣污染物和二氧化碳的協同減排的主要因素，另外，從機組的負荷率來看，電廠B的機組在超低排放改造前后的負荷率發生了較大的變化，負荷率差異在40%左右，而電廠A和電廠C機組在超低排放改造前后的負荷率差異均在5%左右，筆者認為電廠B出現的超低排放改造后供電煤耗下降的情況可能與其機組負荷率的提升有關，而并不是由于超低排放改造形成的協同減排效應，但目前由于云南省較大的火電企業中完成了超低排放改造的僅有3～4家（不含自備電廠），且部分是在2019和2020年才完成的超低排放改造，可進行分析和對比的案例和數據還相對有限，不排除可能存在由于脫硫、脫硝和除塵系統效率的提升整體上導致了能耗的下降，從而在開展超低排放改造的同時實現了二氧化碳協同減排的情況。希望待未來云南省更多火電企業完成超低排放改造后，能進一步對超低排放改造是否能帶來大氣污染物和二氧化碳的協同減排進行系統性的統計分析和評價，為云南省火力發電行業碳達峰目標的實現提供參考。