煤炭利用中污染物排放情景分析

程 婧 陳思源 李偉起 周 奎

(1.國華電力研究中心，北京市朝陽區(qū), 100025；2.清華大學能源與動力工程系，北京市海淀區(qū), 100084；3.清華四川能源互聯網研究院，四川省成都市，610000)

隨著人民生活水平的提高，在關注經濟發(fā)展的同時，也越來越重視生態(tài)環(huán)境的保護。我國自然資源的特點是富煤、貧油、少氣，煤炭消費在一次能源消費中所占比重高達60.4%，遠高于世界27.6%的平均水平；而石油消費、天然氣消費和非化石能源消費的占比分別為19.4%，6.6%和13.6%，遠低于世界平均水平。大量的煤炭消費，尤其是部分低效、粗放的煤炭利用，產生了大量的空氣污染物，嚴重危害了生態(tài)環(huán)境。和發(fā)達國家相比，我國仍處于經濟快速發(fā)展階段，未來對于能源的需求仍將處于快速增長階段。在能源消費仍將快速增長的前提下，改善我國的能源消費結構可以在一定程度上減少污染物排放量，例如減少煤炭散燒利用并增加電煤比例以及將煤炭消費用天然氣替代。除此之外，污染物終端排放技術的進步和全范圍普及也是控制污染物排放量的重要措施。由此可見，能源消費結構、污染物終端排放處理技術等因素都是影響未來污染物排放總量的重要因素。為了控制污染物排放在環(huán)境容量允許范圍內，有必要對上述因素對未來污染物排放總量的影響進行科學的分析。

本研究將重點分析在不同能源消費結構下，污染物排放終端處理技術在煤炭利用氮氧化物(NOx)和硫化物(SOx)排放量的情景分析。

1 研究方法

環(huán)保部頒發(fā)的《大氣細顆粒物一次源排放清單編制技術指南(試行)》中給出了排放清單的標準定義：“排放清單是指各種排放源在一定的時間跨度和空間區(qū)域內向大氣中排放的大氣污染物的量的集合”。排放量的計算公式見式(1)。

(1)

式中：E——污染物排放量，t；

A——活動水平(一般指能源消耗量)，萬t；

EF——排放因子，kg/t；

η——脫除率， %；

i、j、k——分別表示地區(qū)、部門和能源品種。

根據式(1)可知，首先應獲得特定區(qū)域和特定行業(yè)的每種能源品種的消費量以及相對應的排放因子，然后計算出每種污染物的排放量，從而匯總成最終整個區(qū)域一段時間內的排放清單。本研究重點關注我國煤炭利用中產生的污染物排放，計算不同情景下未來中國煤炭利用NOx和SOx排放趨勢，并根據計算結果提出減排措施和建議。

2013年我國煤炭流向圖如圖1所示。

由圖1可以看出，煤炭用于電力熱力的消費量為19億t實物量，占煤炭消費總量的44.7%；煤炭用于黑色金屬冶煉、非金屬礦業(yè)、化學原料及化學制品的消費量分別為3.45億t、3.16億t和2.58億t，所占比例分別為8.1%、7.5%和6.1%。由此可見，煤炭消費主要用于電廠、鋼鐵、非金屬礦業(yè)以及化工這4個部門，也是本研究主要關注的部門。煤炭用于其它部門的排放通過煤炭消耗量和相應的NOx和SOx排放統計量進行估算。

圖1 2013年我國煤炭流向圖

對于我國未來煤炭利用中的污染物排放，本研究采用情景分析的方法，計算分析基準情景以及環(huán)保技術政策加強情景、環(huán)保技術政策加強及電煤比例提高情景，環(huán)保技術政策加強、電煤比例提高及天然氣替代情景下的污染物排放量趨勢。基準情景下未來能源消費情況設定如下：截止到2020年，我國GDP平均增速設定為6.9%，2020-2030年的GDP年均增速為4.5%，單位GDP能耗強度下降率設定為3.45%。在此情景下，2030年我國能源消耗總量將達到57億t標準煤，基準情景下未來我國能源消費結構見表 1。本研究中煤炭消費預測結果與現有其他文獻結果對比如圖 2所示。

表1基準情景下未來我國能源消費結構%

年份煤炭石油天然氣非化石20136717511202059161015203050151520

圖2 未來煤炭消費量結果對比

2 煤炭利用NOx排放情景分析

2013年我國全年NOx排放總量為2227萬t，煤炭消費所產生的NOx排放分別占全部排放量的75%。有專家提出我國燃煤NOx的排放量在2020年和2030年將分別控制在1315萬t和960萬t。我國燃煤鍋爐基本采用低氮燃燒技術、SNCR和SCR來降低NOx排放量，3種技術的脫硝率分別為30%、50%和80%。2013年，電廠、鋼鐵、非金屬礦業(yè)、化工這4個部門煤炭消費的無控排放因子分別為10.67 kg/t、10.31 kg/t、10.24 kg/t和6.59 kg/t，4個部門使用不同脫硝設施的比例見表2。

表2 2013年3種脫硝技術在不同部門的應用比例%

脫硝技術電廠鋼鐵非金屬礦業(yè)化工低氮燃燒90905090SNCR3040550SCR3050040

通過設定不同的脫硝技術在不同部門的應用比例，本研究對基準情景、環(huán)保技術政策加強情景、環(huán)保技術政策加強及電煤比例提高情景，環(huán)保技術政策加強、電煤比例提高及天然氣替代情景下的NOx排放進行了計算分析。其中，環(huán)保技術政策加強情景下各種脫硝技術在不同部門的應用比例見表3。

表3 2030年3種脫硝技術在不同部門的應用比例%

脫硝技術電廠鋼鐵非金屬礦業(yè)化工低氮燃燒100100100100SNCR35204040SCR65801560

由表3可以看出，環(huán)保技術加強情景下，低氮燃燒技術將逐漸完全適用于上述4個煤炭消費部門，2030年SNCR在4個部門中所使用的比例逐漸提高至35%、20%、40%和40%，2030年SCR在4個部門中所使用的比例將逐漸升高至65%、80%、15%和60%。

在環(huán)保技術政策加強及電煤比例提高情景下，煤電的消費比例將由2013年的45%上升到2020年的55%和2030年的65%；在環(huán)保技術政策加強、電煤比例提高及天然氣替代情景下，天然氣消費比例將由2013年的5%上升至2020年的10%和2030年的15%。上述4種情景下的煤炭利用NOx排放計算結果如圖3所示。

圖3 不同情景下煤炭利用NOx排放計算結果

通過對比幾種情景下煤炭利用NOx排放量可知，環(huán)保技術的提高對減少NOx排放的作用最為重要，將使2020年的NOx排放量從1690萬t降至1080萬t。而在環(huán)保技術提高的基礎上，逐漸增加電煤消耗比例將會進一步減少NOx排放量至1050萬t。在此基礎上，發(fā)展天然氣替代將會使煤炭消耗的NOx排放量降至940萬t，可實現2020年的減排目標。到2030年，相對于基準情景下1700萬t的NOx排放，3種污染物減排情景下煤炭利用中的NOx排放將分別降低至894萬t、801萬t和642萬t。若假設煤炭消費的NOx排放占總排放量的60%，則在環(huán)保技術加強、電煤比例提高及天然氣替代情景下，2030年全國NOx總排放量將降低至1070萬t，低于1260萬t的環(huán)境容量。

3 煤炭利用SOx排放情景分析

2013年，我國SOx排放量為2043萬t，煤炭消耗的SOx排放占全部SOx排放的93%。我國燃煤鍋爐基本采用濕法、半干法和干法脫硫設施來降低SOx排放量，3種技術的脫硫率分別為93%、82%和80%。2013年，我國煤炭用于電力熱力和黑色金屬冶煉的無控排放因子分別為15.3 kg/t和12.48 kg/t，用于非金屬礦業(yè)和化工產業(yè)的無控排放因子分別為12.16 kg/t和11.16 kg/t。4個部門使用不同脫硫設施的比例見表4。

表4 2013年3種脫硫技術在不同部門中所占比例%

脫硫技術電廠鋼鐵非金屬礦業(yè)化工濕法73353540半干法3101010干法6101015

本研究對基準情景、環(huán)保技術政策加強情景、環(huán)保技術政策加強及電煤比例提高情景以及環(huán)保技術政策加強、電煤比例提高及天然氣替代情景下的SOx排放進行了計算分析。在環(huán)保技術政策加強情景下，預計2030年3種脫硫技術在不同部門所占比例見表5。

表5 2030年3種脫硫技術在不同部門中所占比例%

脫硫技術電廠鋼鐵非金屬礦業(yè)化工濕法90606570半干法4252020干法6101010

預計2030年濕法脫硫技術在4個部門中所使用的比例逐漸提高至90%、60%、65%和70%，2030年半干法脫硫技術在4個部門中所使用的比例逐漸提高至4%、25%、20%和20%。

電煤比例提高情景和天然氣替代情景與上節(jié)中NOx排放情景分析中設定一致。在此設定下，未來煤炭消耗的SOx排放計算結果如圖4所示。

圖4 不同情景下煤炭利用SOx排放計算結果

由圖4可以看出，加強環(huán)保技術將會使得2020年的SOx排放量從基準情景下的2020萬t降至1536萬t，而提高電煤比例將會使SOx排放量進一步降至1384萬t，加大天然氣替代會使得SOx的排放量降低至1274萬t，可實現2020年的減排目標。到2030年，相對于基準情景下2068萬t的SOx排放，3種污染物減排情景下煤炭利用中的SOx排放將分別降低至1284萬t、984萬t和866萬t。若假設煤炭消費的SOx排放占總排放量的80%，則在環(huán)保技術加強、電煤比例提高及天然氣替代情景下，2030年全國SOx總排放量將降低至1083萬t，低于1360萬t的環(huán)境容量。

4 結論

近年來，中國由于經濟飛速發(fā)展帶來能源消費量的大幅上升，但與此同時也產生了大量的污染物，嚴重危害了生態(tài)環(huán)境安全。由于我國一次能源消費主要是煤炭，且煤炭相對于其他能源更易產生污染物，因此我國的NOx和SOx排放量中大部分是煤炭利用產生的。如果不對煤炭污染物排放加以控制，按照目前的發(fā)展趨勢，到2030年我國煤炭利用中的NOx和SOx排放量將上升至1700萬t和2068萬t，大大超出了環(huán)境容量。

因此，為了防止生態(tài)環(huán)境被進一步破壞，必須加大污染物控制力度，一方面要調整能源消費結構，另一方面要進一步提升和推廣污染物排放控制技術。情景分析結果表明，若未來大力推廣低氮燃燒、SNCR和SCR脫硝技術和濕法、半干法、干法脫硫技術，可將2030年煤炭利用中的NOx和SOx排放量降低至894萬t和1284萬t。若在此基礎上提高電煤消耗比例并發(fā)展天然氣替代，NOx和SOx排放量將進一步降低至642萬t和866萬t。在此情況下，全國NOx和SOx總排放量將低于環(huán)境容量，空氣質量將實現達標。由此可見，在調整能源消費結構的同時，通過在煤炭消耗部門推廣環(huán)保設施，集中處理煤炭利用產生的污染物，可以實現較強的污染物減排效果。