燃氣電廠與超低排放燃煤電廠環境及生態效應對比

范 沁 陳旭明 高 宇

中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司 上海 200063

由于在短時間內無法完全取代煤炭等化石能源的使用，因此，只能先行使用清潔的煤炭利用方式，比如，超低排放燃煤發電。截至目前，我國超過95%的燃煤火電廠已經完成了超低排放的改造工作，但是這種改造是否達到了煤炭的清潔利用，是否真正起到了環境效應和生態效應，還處于一種模糊的狀態，基于此，本文重點探討經過超低排放改造的燃煤電廠與普通的燃煤電廠在環境方面以及生態方面的對比。

1 我國火電行業現有環保標準現狀

1.1 燃氣機組大氣污染物排放標準現狀

燃氣輪機組大氣污染物排放的濃度限值在國標中的標準為，煙塵的排放量是每立方米5毫克，二氧化硫每立方米35毫克。在國家標準之后，京津兩市以及深圳都設立了地方性質的標準，并且出臺了一系列相關的文件，普遍來看，各個地方性質的標準要比國家標準更加嚴格。延伸到全球范圍，我國的燃煤電廠超低排放標準位居世界前列，比經濟發達的美國和歐盟還要嚴格。就燃氣輪機的排放標準來說，只有我國和美國對二氧化硫做出了嚴格的限制，其他國家沒有加入這項標準，并且其他國家忽視了對空氣污染嚴重的煙塵等污染物。就氮氧化物的排放標準來說，歐盟標準的上限高于美國，但是下限低于美國，美國和歐盟都要求企業只有降低了氮氧化物的排放，才可以獲得營業執照。就氮氧化物來說，我國燃機的排放標準與美國還有一定的距離[1]。

1.2 超低排放燃煤發電污染物排放標準現狀

我國國家標準中對新建煤場的污染排放標準做出了如下的要求：二氧化硫每立方米100毫克，氮氧化物每立方米100毫克，在國標中對重點控制區域的排放標準要求如下：二氧化硫每立方米50毫克，氮氧化物每立方米100毫克。我國燃煤電廠的超低排放改造正式施行于2014年，這項改造由國家發改委牽頭，由環保能源局支持，兩個部門共同制定出了相關計劃，在計劃中，提出了我國東部地區要率先完成超低排放改造，要嚴格要求燃煤電廠排放的煙塵、二氧化硫和氮氧化物的濃度，在該計劃中，各項大氣污染物的排放標準均低于此前設定的國家標準。我國的中部地區在大氣污染物排放上的標準僅次于東部地區，而西部地區又僅次于中部地區，截止2020年，我國絕大部分的燃煤電廠已經完成了超低排放的改造。中央對燃煤電廠的改造工作高度重視，地方也響應中央的號召，紛紛制定了地方性質的標準，出臺了相關政策，要求經過超低排放改造的燃煤電廠機組(見圖1)，在空氣中排放的煙塵每立方米不能高于5毫克，二氧化硫35毫克，氮氧化物50毫克[2]。

圖1 燃煤電廠機組

總而言之，我國的火電行業中，廣泛應用了以超低排放為代表的污染控制技術，并且我國各個燃煤電廠污染排放的標準都相應提高。縱觀各個地方政策和標準，對于燃氣發電的氮氧化物排放要求都極為嚴格，并且超低排放煤電的排放標準仍低于氣電。

2 燃氣電廠與超低排放燃煤電廠環境效益對比

2.1 大氣污染物對比

在比較分析超低排放燃煤電廠和燃氣電廠大氣污染物時，選擇了三種比較常見的污染物，一是煙塵、二是二氧化硫、三是氮氧化物。以山東省、江蘇省和廣東省三省部分燃機的污染物排放進行調查之后，可知，這些燃機的大氣污染物排放均符合國家標準以及魯、蘇、粵三省的地方標準，但是同一類型的火電機組在污染物排放上存在的差異較為明顯。

就三省污染物的排放平均值來看，其中超低排放燃煤機組排放的煙塵、二氧化硫和氮氧化物均高于兩種不同級別的燃氣機組，就具體的數值來說，煙塵平均的排放濃度，超低排放燃煤機組是燃氣機組的2.4倍，二氧化硫為19倍，氮氧化物為9倍。

在對比分析研究的過程中，要始終明確一點，即樣本中江蘇省的所有燃氣機組并沒有安裝SCR(選擇性催化還原脫硝裝置)，因此，江蘇省的燃氣機組在氮氧化物的排放上要高于北京市和深圳市，這兩個地區的燃氣機組均已完成了相應的改造。經過改造之后，這兩個地區同時使用新型的低氮燃燒器(見圖2)，在雙管齊下的作用下，北京市的燃氣機組氮氧化物排放濃度已經下降到每立方米30或15毫克，而深圳市的燃氣機組氮氧化物濃度已經下降到每立方米15毫克。

圖2 低氮燃燒器

上述三種大氣污染物都比較常規，分析這三種污染物的實際排放水平可知，首先，煙塵和二氧化硫這兩種污染物的排放濃度，燃氣機組明顯高于經過超低排放改造的燃煤機組，尤其是二氧化硫，超低排放燃煤機組的含量甚至超出燃氣機組的19倍之多；其次，燃氣機組在沒有經過SCR的改造之前，燃氣機組和超低排放的燃煤機組之間區別不大，但是經過SCR改造之后，并且使用了低氮排放之后，燃氣機組的氮氧化物排放明顯低于超低排放的燃煤機組。將視角轉移至國外，國外的燃氣機組不僅經過了SCR的改造，使用了低氮的燃燒器，同時還注重燃氣品質的控制，因此，在多管齊下的舉措下，國外的燃氣機組氮氧化物排放濃度甚至可以降至每立方米5毫克。從國外的經驗可知，我國燃氣機組的氮氧化物排放濃度還有下降的空間，并且在技術上完全具備現實可行性，目前，我國燃氣機組的改造正在進行中[3]。

最后，我國實行的燃煤電廠超低排放的改造確實起到了重要的作用，我國電力行業整體大氣污染物排放量降低十分明顯，為我國大氣環境質量的改善的貢獻頗豐，但是即使有所改善，就發電的清潔程度來說，超低排放的燃煤機組仍然無法與燃氣機組相比。其原因在于我國燃氣機組的污染物排放標準極為嚴格，高于了燃氣機組的實際排放水平，尤其是煙塵、二氧化硫和氮氧化物等大氣污染物，這樣既不會起到激勵和約束燃氣發電機組的作用，也會對社會大眾產生誤導，認為燃氣發電可以做到完全清潔化。

2.2 化合物重金屬污染物對比

根據聯合國環境規劃署的報告可知，在世界范圍內，最大的汞污染來自于燃煤發電廠。汞是一種重金屬污染物，可以以液態和氣態存在，這種污染物的生物毒性極強，并且污染具有長期持續、可遷移、可沉積以及生物富集的特點，這些特點導致甲基汞可以隨著食物鏈擴散，最終匯聚于人類身體中，主要集中在血腦屏障上，進而危害人體的中樞神經系統，在上世紀，爆發于日本的水俁病就是極為典型的案例。現階段，我國火電廠在大氣污染物排放標準上，要求燃燒煤炭的電廠每立方米排放的汞化合物不能超過0.03毫克。除了汞之外，我國火電燃煤機組排放的污染物還包括鉛、砷、銻以及硒等重金屬元素，這些重金屬元素排放到大氣中會造成嚴重的重金屬污染，其最終的影響將直接作用于人類[4]。

2.3 三氧化硫污染對比

在燃燒煤炭的火電廠中，除了上述常見的大氣污染物以及汞等重金屬污染物之外，還有一個具有代表性的污染物是三氧化硫，單就毒性來說，這種化合物的毒性十倍于二氧化硫，在燃煤發電過程中產生的有色煙霧均來源于三氧化硫，三氧化硫與大氣中的水相溶，就會產生硫酸霧，進而導致酸雨的形成。同時，三氧化硫在進入空氣之后，會形成二次顆粒的硫酸鹽，在PM2.5中，這一固體顆粒物是重要的組成部分，嚴重威脅人體的呼吸道。燃煤電廠的三氧化硫排放濃度為每立方米0.3毫克至22.7毫克。目前，相關領域對霧霾的形成展開深入探討，其中不少專家提出，霧霾的產生原因之一就是燃煤電廠排放的可凝結顆粒物，但是這一論斷尚存在爭議，并且兩者之間的關聯還有待進一步論證。截至目前，我國關于三氧化硫和可凝結顆粒的監測尚存大量空白，為此，相關部門要予以高度的重視[5]。

2.4 其他污染對比

大氣污染物是燃煤電廠排放污染的主要類型，但是除此之外，在運輸煤炭的過程中也會產生粉塵污染，在煤炭燃燒之后，固體和液體廢棄物不經處理就排放到環境中也會對周邊環境造成嚴重污染。在煤炭燃燒之后的固體廢棄物中，典型的兩種就是粉煤灰。與燃煤電廠相比，燃氣電廠無需使用煤炭，自然不需要煤炭的運輸，并且燃氣發電不會產生過多的固體或者液體廢棄物，因此，就其他污染方面的清潔程度來說，燃氣電廠要優于燃煤電廠。

3 燃氣電廠與超低排放燃煤電廠生態效應對比

3.1 碳排放對比

根據世界能源統計年檢可知，我國在2019年，燃燒所有化石燃料產生的二氧化碳排放量超出了全球的四分之一，在所有的二氧化碳排放中，百分之四十是由電力行業產生。單就二氧化碳的排放水平來說，燃煤電廠的二氧化碳排放量甚至兩倍于燃氣電廠。除了使用的發電材料不同之外，燃氣電廠發電效率較高、燃氣燃料的轉換這兩項因素也與燃氣電廠二氧化碳排放較低有關，因此，為了降低我國總體的碳排放量，只需要在電力行業讓燃氣發電取代燃煤發電即可。

減少電力行業碳排放的水平可以從火力發電的碳排放入手。現階段，我國正在將重點集中在碳捕捉和碳封存技術上，但是這兩種技術目前仍舊停留在實驗室階段，難以大規模商業化推廣使用。無論是碳捕捉還是碳封存，歸根結底是末，而本是優化電源結構，提高燃氣發電以及可再生能源發電電力行業中的比重。現階段，歐洲的不少國家都提出要退出煤電，最晚在2030年全部退出煤電，我國也承諾不再增加燃煤發電廠，并且努力達到碳中和[6]。

3.2 資源消耗對比

雖然火力發電需要煤炭和天然氣的燃燒，但是也需要大量的水用于冷卻和清潔，在我國工業用水中，接近五分之一的水被消耗于火力發電行業，并且在全國范圍內，超過半數的火電廠被修建于過度取水的地區，導致水資源的供需矛盾持續深化。參照我國電力企業聯合會的統計結果可知，我國的火電廠發電平均的水資源消耗量為1.4kg/千瓦時。如果使用燃氣發電，經過節水改造和廢水處理回收再利用等相關措施處理之后，每千瓦時的水資源消耗量可以降低至1kg并且，燃煤電廠的占地面積比燃氣電廠的占地面積大了三倍，因此，在我國東部地區，用電需求極大，同時土地資源緊缺，在這種情況下，為了滿足電力需求，可以建立燃氣電廠[7]。

4 相關建議

4.1 提供政策支持

國家相關部門要注重煤炭消耗總量的控制，新增的電力裝機需求盡量以可再生能源發電與燃氣發電為主。同時，鼓勵燃氣熱電聯產項目的建設，將三氧化硫和其他重金屬污染物納入到電力行業污染物排放的限制范圍中，完善現有的火力發電行業中各類污染物的排放標準。

4.2 提高污染物排放標準

在火力發電過程中排放的氮氧化物是霧霾中PM2.5的主要來源，因此，為了改善城市環境，需要持續加強對氮氧化物排放的控制、在修訂國家標準的過程中，可以參照地方已有的標準，比如北京市火力發電行業的氮氧化物的排放限制標準，在全國范圍內將氮氧化物的排放標準設定為每立方米15毫克。同時，可以適當放寬對燃機煙塵和二氧化硫的限制，這樣可以在一定程度上降低監控和執法過程中消耗的無用成本[8]。

4.3 發揮碳市場作用

國家層面要加緊在全國范圍內建立起碳市場并盡快完善，設定市場標準價格，充分利用碳排放價格創造出一個更加公平的碳市場，讓我國的電力企業加快轉型，朝著低碳電力結構努力。

4.4 充分利用燃煤電廠超低排放技術

對于不能在短時間內完成改造的大量燃煤發電廠，可以推廣以下幾項超低排放技術，盡量降低污染的排放，包括高效除塵技術、高效脫硫技術、高效脫硝技術。

5 結束語

通過文章的分析和研究可知，即使經過了超低排放的處理，我國燃煤電廠的大氣污染物排放濃度、化合物重金屬排放濃度、三氧化硫排放濃度以及其他污染物的排放濃度均無法與燃氣電廠先比，同時，燃氣電廠比燃煤電廠消耗的水資源更少，需要的土地資源更少，并且碳排放量也少于燃煤發電。因此，在未來的發展過程中，國家層面應當予以政策支持，提高污染物排放標準，充分發揮碳市場的作用以及充分利用超低排放技術。