中国火电大气污染的防治现状及未来

1、中国火电大气污染的防治现状及未来摘要：在对中国火电厂大气污染物排放标准的发展历程进行回顾与总结的基 础上, 分析不同阶段排放标准或要求对中国燃煤电厂大气污染控制技术发展的推 动作用及其产生的环境效果 , 特别是超低排放。目前中国火电行业大气污染物控 制处于超低排放阶段 , 燃煤电厂大气污染防治技术处于国际领先水平 , 烟尘、SO2、 NOx三大常规污染物排放浓度实现了燃煤发电与燃气发电基本同等清洁。尽管如此, 中国火电环保在 CO2控制、常规大气污染物进一步减排、湿法脱硫对生态环 境的影响、 危险废物废弃脱硝催化剂的处置、 非常规污染物的控制、 烟气治理设 施的运行优化等方面仍然面临诸多挑战

2、, 提出了需要研发的重点领域及相应目 标。引言改革开放 40 年，中国电力工业得到了快速发展，发电装机容量增长了 30 倍，其中火电装机容量增长约 27 倍，支撑了中国经济年均 9.5%的增长率。伴随 着火电行业的快速发展，中国火电厂大气污染物排放标准日益严格， 2011 年出 台了史上最严的燃煤发电排放标准， 比发达国家的排放标准还要严， 当时普遍认 为是不可能实现的。通过几年的努力，中国火电厂不仅能够满足 2011 年的火电 厂大气污染物排放标准的要求， 而且到 2017 年年底已有 71%的煤电机组容量满 足了超低排放要求，在烟尘、 SO2、 NOx三大污染物排放方面，基本实现了燃煤 电

3、厂与燃气电厂同等清洁的目标。面对目前取得的如此巨大的成绩， 多数人认为火电行业的大气污染防治已经 走在了世界及国内各行业的前列， 可以停一下前进的脚步了。 作者在对中国火电 厂大气污染物排放标准的发展与国际比较、 烟气治理技术发展及减排效果分析的 基础上， 从国际气候变化的压力、 国内大气环境改善的动力、 湿法脱硫对生态环 境的影响、 废弃脱硝催化剂危险废物的处置、 非常规污染物控制技术的突破、 烟 气治理设施运行优化与节能等方面分析了中国火电大气污染面临的挑战， 提出中 国火电大气污染防治需关注的研发重点。1 中国火电排放标准的发展与国际比较中国电力始于 1882年，到 1949年全国发电装

4、机容量仅 184.86 万 kW，1978 年改革开放之初，全国发电装机容量为 5712万 kW。改革开放 40 年，中国电力 得到了快速发展，总装机容量从 1978年的5712万kW 发展到 2017年的 17.77 亿 kW， 其中火电装机容量从 3984万 kW发展到 11.06 亿 kW。伴随着火电的快速 发展，中国火电厂大气污染物排放标准日趋严格，目前已领先世界。1.1 排放标准的发展 中国火电厂大气污染物排放标准限值的演变经历了以下7 个阶段(详见表1) ，不同阶段制定和修订的火电厂大气污染物排放标准与当时的经济发展水平、 污染治理技术水平以及人们对环境空气质量的要求等密切相关。第

5、一阶段为 1882 1972 年，当时中国经济落后， 电力装机容量少， 处于无 标准阶段。第二阶段为 1973 年颁布的工业“三废”排放标准 ( 试行) (GBJ41973)， 火电厂大气污染物排放指标仅涉及烟尘和 SO2，对排放速率和烟囱高度有要求， 但对排放浓度无要求。第三阶段为 1991 年颁布的燃煤电厂大气污染物排放标准 (GB13223 1991) ，首次对烟尘排放浓度提出限值要求，针对不同类型的除尘设施和相应燃 煤灰分制定不同的排放标准限值。第四阶段为 1996 年颁布的火电厂大气污染物排放标准 (GB13223 1996) ，首次增加 NOx 作为污染物，要求新建锅炉采取低氮燃烧

6、措施。烟尘排放 标准加严，新建、扩建和改建中高硫煤电厂要求增加脱硫设施。第五阶段为 2003 年颁布的火电厂大气污染物排放标准 (GB132232003)， 污染物排放浓度限值进一步加严。对燃煤机组提出了全面进行脱硫的要求。第六阶段为 2011 年颁布的火电厂大气污染物排放标准 (GB132232011)， 被称为中国史上最严标准， 燃煤电厂不仅要进行脱硫， 还要进行烟气脱硝， 并对 重点地区的电厂制定了更加严格的特别排放限值， 并首次将 Hg 及其化合物作为 污染物。第七阶段为 20142020年的超低排放阶段， 2014年 6 月国务院办公厅首次 发文要求新建燃煤发电机组大气污染物排放接近

7、燃气机组排放水平。 由此拉开了 中国燃煤电厂超低排放的序幕。 2015年 12月，环境保护部、国家发改委等出台 了燃煤电厂在 2020 年前全面完成超低排放改造的具体方案。1.2 超低排放要求的推动力1.2.1 资源禀赋与环境改善的必然要求根据 2013年中国能源统计年鉴，中国煤炭探明储量占化石能源储量的 94.2%，中国富煤、贫油、少气的能源储量特征决定了未来一段时间中国很难摆 脱以煤炭为主要能源的发展模式。 另外，从煤炭使用量来看， 中国煤炭使用量逐 年升高， 2013 年达到 28.10 亿 t 标准煤， 是 1978年使用量的 6.9 倍，是 1998 年使用量的 2.9 倍，近年来中

8、国煤炭消耗量有所下降，但 2017 年中国煤炭消耗 量仍达到 27.31 亿 t 。根据 BP世界能源统计年鉴数据， 20142016 年中国 煤炭消费量占全球煤炭总量的 50.5%50.7%，意味着全球有一半的煤炭是在中国 消耗的，由煤炭燃烧产生的大气污染物对环境空气质量的负面影响， 尤其是对灰 霾天气的影响不容忽视。 因此，为改善中国环境空气质量， 迫切需要实现煤炭的 高效清洁利用，超低排放是实现煤炭清洁利用的重要手段。1.2.2 国家层面对超低排放的推动2011 年，中国颁布了史上最严的火电厂大气污染物排放标准 (GB13223 2011) ，规定了包括燃气轮机组在内的火电厂大气污染物排

9、放限值。 因个别特 大型城市禁止建设燃煤电厂， 面临天然气资源缺乏和电力短缺的双重矛盾， 2012 年“如新建的燃煤电厂达到燃气轮机组的大气污染物排放限值是否可以建设” 的 问题在上海市被提出来，进而有电力企业在现有煤电机组上进行了有益尝试。2014年 6月国务院办公厅印发能源发展战略行动计划 (20142020 年) ( 国办发 201431 号) ，首次提出“新建燃煤发电机组污染物排放接近燃气机组 排放水平”，由此拉开了中国燃煤电厂“超低排放”的序幕。同年 9 月，国家 发改委、环境保护部、 国家能源局联合印发 煤电节能减排升级与改造行动计划 （2014 2020年年）的通知 （发改能源

10、20142093 号）。2015 年 3月，“两会”通过的政府工作报告中要求“加强煤炭清洁高效利 用，推动燃煤电厂超低排放改造”，“超低排放”首次正式出现在政府文件中。 2015年 12 月国务院常务会议决定，在 2020年前，对燃煤机组全面实施超低排 放和节能改造，东、中部地区提前至 2017 年和 2018年完成。此后，国家发改委 出台了超低排放环保电价政策。同月，环境保护部、国家发改委、能源局联合印 发全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案 （环发2015164 号） ，将 “燃煤电厂超低排放与节能改造”提升为国家专项行动，即到 2020 年，全国所 有具备改造条件的燃煤电厂力争实现

11、超低排放 （ 即在基准含氧量 6%条件下， 烟 尘、 SO2、NOx排放浓度分别不高于 10、35、50mg/m3），全国有条件的新建燃煤 发电机组达到超低排放水平。1.2.3 地方政府对超低排放的积极响应 地方政府积极响应国家超低排放行动计划，相继出台了超低排放相关政策， 如在发改能源 20142093 号文之前， 江苏省、浙江省、广州市、山西省等地就 出台相关政策， 要求燃煤电厂参考燃气轮机组污染物排放标准限值， 即在基准含 氧量 6% 条件下，烟尘、 SO2、NOx 排放浓度分别不高于 5、35、50mg/m3。截至发稿时，已有 6 个省级政府发布或即将发布火电厂或燃煤电厂大气污染 物强

12、制性地方标准， 将超低排放要求标准化， 它们分别是河南、河北、上海、 山东、浙江、天津，其中天津市 2018年 2月发布火电厂大气污染物排放标准 （征求意见稿 ） ，浙江省于 2018年 3月6日召开了燃煤电厂大气污染物排放标 准听证会，其他 4 个省份的地方标准均已发布。上海、山东、浙江对新建锅炉 或一定规模以上锅炉的烟尘提出了 5mg/m3的燃气标准限值要求，其他省份提出 的标准限值与国家“超低排放”限值基本一致，详见表 2。另外，值得注意的是 上海、浙江强制性地方标准中要求燃煤发电锅炉应采取烟温控制及其他有效措施 消除石膏雨、有色烟雨等现象 ; 浙江省还将排放绩效控制要求写入强制性地方标

13、 准中。1.2.4 国有企业对超低排放的推动在国家和地方政策引导下， 国有电力企业投入资金实施超低排放改造和新建 工程。2012年 9月19日上海漕泾电厂二期工程环境效益分析报告评审会上，首 次提出燃煤电厂达到燃气机组排放标准限值 ;2013 年 4月 16 日国电泰州二期工 程成为国内首台按照超低排放进行环境影响评价的新建机组 ;2014 年 5 月 30 日 浙江嘉华 7、8号机组成为国内首台改造投运的超低排放机组， 2014年 6月 26 日国华舟山 4号机组成为国内首台新建投运的超低排放机组。 截至2016 年年底， 约 4.4 亿 kW燃煤机组完成超低排放改造， 占全国煤电机组容量的

14、 49%;截至 2017 年年底，全国已投运超低排放机组容量占煤电机组容量的71%。1.3 超低排放限值的国际比较中国燃煤电厂超低排放限值与美国、 欧盟燃煤电厂最严格的排放限值比较如 表 3 所示。从表 3 可以看出，与美国新建污染源的性能标准 (NSPS，new source performance standard) 中最严排放限值 ( 适用于 2011年 5 月 3日以后新、 扩建 机组，美国排放标准中以单位发电量的污染物排放水平表示， 为便于比较将其进 行了折算 ) 相比，中国超低排放限值更加严格，颗粒物占美国排放标准的 81.3%;SO2 仅占美国排放标准的 25%，NOx 限值占美

15、国排放标准的 52%。与欧盟 2010/75/EU 工业排放综合污染预防与控制指令 (directive on industrial emissions(integratedpollution prevention and control)中最严排放限值( 适用于 300MW以 上新建机组 ) 相比，中国烟尘 10mg/m3 的超低排放限值与之相 当，但部分省市新建机组和一定规模以上机组执行 5mg/m3，仅为欧盟最严排放 标准限值的 50%;SO2仅占欧盟排放标准的 23%，NOx占欧盟排放标准的 33%。可见，中国目前实施的超低排放限值明显严于美国、 欧盟现行排放标准限值。 但更值得关注的

16、是， 中国超低排放限值符合率的评判标准为小时浓度， 而美国排 放标准限值的评判标准为 30 天滚动平均值， 欧盟排放标准限值的评判标准为日 历月均值。 因此，从符合率评判方法来说， 中国短期内要求符合的超低排放限值 比美国和欧盟长时间段内平均浓度要求符合的标准限值严格得多。2 烟气治理技术发展应用及减排效果 随着中国大气污染物排放标准的不断趋严， 以及超低排放国家专项行动的实 施，中国火电厂大气污染防治技术发展迅速， 目前已处于国际领先水平。 为了加 强和规范火电厂污染防治， 推动火电行业污染防治措施升级改造与技术进步， 环 保部科技标准司组织编制了火电厂污染防治可行技术指南 (HJ2301

17、2017) ， 于 2017 年 5 月正式以标准形式发布。2.1 除尘技术发展与应用自 GB132231996 标准颁布实施后，电力工业原先普遍应用的旋风除尘器、 文丘里水膜除尘器、 斜棒栅除尘器等， 因其除尘效率低， 无法达到排放标准而遭 到淘汰，取而代之的是高效电除尘器，从此电除尘技术得到普及。 “十一五”至 “十二五”期间，中国燃煤电厂烟尘排放限值经历了从 50mg/m3 到 30mg/m3 再 到 10mg/m3 的三级跳，电除尘技术方面高频电源、脉冲电源、旋转电极、低低 温电除尘、 湿式电除尘等新技术应运而生并得到大规模应用， 同时电袋复合除尘 和袋式除尘技术不断取得突破， 相应装

18、机容量份额逐渐提高， 另外湿法脱硫协同 除尘技术和效果也逐步提高。 可见，随着火电行业大气污染物排放标准的日益严 格，能够长期保证低浓度排放的先进除尘技术进入了快速规模化应用时期， 而国 外除尘新技术研究与应用处于相对停滞状态。 随着中国火电厂烟尘排放标准日益 趋严，中国火电行业除尘技术发展情况如图 1 所示。目前，中国火电行业除尘技术已形成了以高效电除尘器、 电袋复合除尘器和 袋式除尘器为主的格局， 安装袋式或电袋复合除尘器的机组比重有所提高。 2016 年火电厂安装电除尘器、 袋式除尘器、 电袋复合除尘器的机组容量分别占全国煤 电机组容量的 68.3%、8.4%(0.78 亿 kW)、23

19、.3%(2.19 亿 kW)。2.2 脱硫技术发展与应用随着 GB132232003标准的修订出台， 各时段建设的燃煤机组全面纳入 SO2 浓度限值控制，从此，中国火电行业烟气脱硫进入了快速发展阶段，石灰石 - 石 膏湿法脱硫技术快速发展并得到普及。 2011 年 GB132232011 标准修订颁布， 中国 SO2排放限值进一步趋严， 严于美、 欧等发达国家和地区， 成为世界最严的 标准，该阶段火电行业通过进一步提高脱硫技术水平和运行管理水平， 从而提高 综合脱硫效率。随着发改能源 20142093 号文及各地方超低排放要求的相继出台，脱硫技 术的发展步入了超低排放阶段， 国内在引进消化吸收

20、及自主创新的基础上形成了 多种新型高效脱硫工艺，如石灰石 - 石膏法的传统空塔喷淋提效技术、复合塔技 术（ 包括旋汇耦合、沸腾泡沫、旋流鼓泡、双托盘、湍流管栅等 ） 和 pH值分区技 术（ 包括单塔双 pH值、双塔双 pH 值、单塔双区等 ） 。随着中国火电厂 SO2排放标准日益趋严，中国火电行业脱硫技术发展情况如图2 所示。目前，中国火电行业脱硫技术已形成了以石灰石 - 石膏湿法脱硫为主，其他 脱硫方法为辅的格局。截至 2016 年年底，全国已投运火电厂烟气脱硫机组容量 约 8.8 亿 kW，占全国煤电机组容量的 93.0%，如果考虑具有脱硫作用的循环流化 床锅炉， 全国脱硫机组占煤电机组比

21、例接近 100%。2015 年全国火电行业脱硫工 艺以石灰石-石膏法为主，占 92.87%（含电石渣法等 ） ，海水脱硫占 2.58%、烟气 循环流化床脱硫占 1.80 % 、氨法脱硫占 1.81%，其他占 0.93%。2.3 低氮燃烧与脱硝技术的发展与应用随着 GB132232003 标准的修订出台，中国燃煤发电锅炉低氮燃烧技术得到 普及，成为燃煤电厂 NOx控制的首选技术，经过近十几年的发展， 现行的先进 低氮燃烧技术 NOx 减排率可达 50%60%。随着火电厂大气污染排放标准 (GB132232011) 的颁布， 循环流化床 锅炉(CFB 锅炉)NOx排放浓度限值 200mg/m3，原

22、有 CFB锅炉通过炉内低氮燃烧已 无法满足要求。由于选择性非催化还原法 (SNCR)脱硝技术系统设备简单， 造价 相对低，且 CFB锅炉炉膛温度正好处于 SNCR最佳反应温度窗， 因此 SNCR脱硝技 术成为 CFB锅炉脱硝改造的首选技术， 近年来在中国得到迅速发展。煤粉炉机 组 NOx 排放浓度限值要达到 100mg/m3，仅依靠低氮燃烧技术已无法满足日益严 格的排放要求，自此选择性催化还原法 (SCR)烟气脱硝技术在中国燃煤电厂得到 普及， 催化剂多采用“ 2+1"配置方式(2层运行， 1层预留备用 ) ，脱硝效率大多 控制在 60%80%。随着超低排放的实施，燃煤机组普遍采用增

23、加催化剂层数的方法实现 NOx超低排放，同时，新型催化剂、全负荷脱硝等技术也应运而生，并得到不同程度的技术突破。中国火电行业脱硝技术发展情况如图3 所示。目前，中国火电行业脱硝技术已形成了煤粉炉以低氮燃烧 +SCR烟气脱硝技 术为主，循环流化床锅炉以低氮燃烧 +SNCR技术为主的格局。截至 2016 年年底， 全国已投运火电厂烟气脱硝机组容量约 9.1 亿 kW，占全国煤电机组容量的 96.2%， 其中采用 SCR脱硝技术的机组占比约 95%以上。2.4 火电行业大气污染物减排效果2.4.1 烟尘减排效果2006年之前随着火力发电量增加，火电行业烟尘排放量呈缓慢增长趋势， 2006年达到峰值约

24、 370万t; 随着 GB132232003标准的颁布实施，现有燃煤机 组 2006 年基本完成第一次环保技术改造 （ 主要是除尘与湿法脱硫 ） ，2007 年开始 火电行业烟尘排放量出现拐点， 并逐年下降 ; 随着 GB1 32232011史上最严标准 和超低排放限值的实施，烟尘排放量继续下降， 2016 年中国火电行业烟尘排放 量约 35万t ，不足 2006年峰值的 10%。20002016年中国火电行业烟尘排放量 变化趋势如图 4 所示。2.4.2 SO2 减排效果2006 年之前随着火力发电量增加，火电行业 SO2排放量呈增长趋势， 2006 年达到峰值 1320万 t 。由于中国火

25、电厂大气污染物排放标准 GB132232003开 始对 SO2进行全面的控制，因此 2006 年之前 SO2排放量增长速率和排放量明显 大于烟尘。随后 GB1 32232003 对现有机组的 SO2控制作用逐渐显现， 2007年开始 SO2 排放量开始回落，随着 GB 132232011 史上最严标准以及 2014 年超低排放要 求的实施， 2015 年年底现有燃煤机组完成了脱硫设施的升级改造，提高了运行 管理水平， 2015年 SO2排放量迅速由 2014年的 620万 t 回落至 200万 t ，下降 了约 68%。2016年中国火电行业 SO2排放量约 170 万 t ，仅占 2006年

26、峰值的 13%。 20002016年中国火电行业 SO2排放量变化趋势如图 4 所示。2.4.3 NOx 减排效果2011 年之前中国火电行业大气污染物排放标准对 NOx控制要求相对较松， NOx排放量随火力发电量增加而明显增加， 2011年达到峰值 1107万 t 。2011年 开始随着 GB13223 2011 史上最严标准以及超低排放要求的实施， 2012 年开始 NOx排 放量出现拐点开始迅速回落，随着中国烟气脱硝机组容量的逐年升高， 2015 年 NOx排放量在 2014 年基数上下降了 71%。2016 年中国火电行业 NOx排放量约 155 万 t ， 仅占 2011 年峰值的

27、14%。20002016 年中国火电行业 NOx排放量变化趋 势如图 4 所示。2.4.4 污染物排放绩效 中国火电行业随着大气污染物排放标准的不断趋严，单位火力发电量烟尘、 SO2、NOx排放量(排放绩效 )均逐年下降，2016年全国单位火力发电量烟尘、 SO2、 NOx 排放量分别为 0.08 、0.39 、0.36g/(kW ·h)。从 2015年开始中国火电行业 污染物排放绩效水平领先于美国。但值得注意的是， 2015 年中国火力发电量中 约 93% 为煤电，而美国火力发电量中煤电仅占 49%，充分说明中国煤电烟尘、 SO2 和 NOx的排放绩效与燃气电厂基本相当。 2005

28、2015 年中美火电大气污染物排 放绩效比较如图 5 所示。从单位煤电发电量排放绩效来比较， 从 2011年开始中国单位煤电发电量 SO2 排放量已经领先于美国煤电， 从 2015年开始中国单位煤电发电量烟尘、 NOx 排放量已经领先于美国煤电。20092015年中美煤电大气污染物排放绩效比较如图 6 所示。173 火电大气污染面临的挑战与对策尽管中国燃煤发电大气污染物控制技术处于世界领先水平， 常规三大污染 物( 烟尘、 SO2、NOx)实现了燃煤电厂与燃气电厂同等清洁，但未来火电发展仍 然面临挑战， 主要表现在以下 6 个方面。3.1 温室气体排放量巨大燃煤发电机组单位发电量产生的 CO2

29、排放量 0.760.92g/(kW ·h) ，而燃气 发电单位发电量产生的 CO2排放量仅占燃煤发电的 45%66%。中国燃煤发电量占 火力发电量的 93%，产生的温室气体排放量巨大。尽管温室气体 CO2是不是污染 物存在疑义，但中国是巴黎协定的坚定支持者，将继续履行对国际社会的承 诺，因此，未来应通过技术研发进一步减少燃煤发电煤耗， 如国家正在安徽淮北 平山实施“ 251 工程”( 即新建燃煤机组供电煤耗小于 251g/(kW·h) ，比目前全 国平均供电煤耗 310g/(kW·h) 要低 19%，但单位发电量的 CO2排放量比燃气机 组仍高出 25%左右。因此

30、，中国需要进一步降低供电煤耗，同时大力发展可再生 能源，以满足巴黎协定的要求，此外，也需在 CO2 贮存和利用方面开展研 究与示范。3.2 环境改善需要进一步削减火电大气污染物 2017年尽管全国环境空气质量得到进一步改善，重污染天气明显减少，全 面实现了大气污染防治行动计划确定的目标， 京津冀、长三角、珠三角地区 PM2.5 年均浓度分别下降至 64、44、 34g/m3，但与发达国家和世界卫生组织制定的 环境空气质量标准要求还有很大差距。中国煤炭用于发电 (含热电联产 )的比例近期难以下降，从 1980年的 20.6% 增加到 2013年的 51.3%，发电耗煤量从 1980年的 1.26

31、 亿 t 增长到 2013年的 21.8 亿 t ，但煤炭用于发电的比例远低于美国、 德国等发达国家， 为了进一步改 善环境空气质量，未来应加大燃煤清洁利用，进一步增大燃煤用于发电的比例。国际能源署根据当前的技术发展情况， 制定了 2020年与 2030年的燃煤电厂 污染物排放目标， 2020 年目标：烟尘为 12mg/m3，SO2为 25mg/m3，NOx 为 30mg/m3;2030年目标：烟尘 <1mg/m3，SO2<10mg/m，3 NOx<10mg/m。3目前，中国 已有部分电厂稳定实现了国际能源署 2020年的目标，但与 2030年的目标尚存在 差距。可见， 中国燃煤发电大气污染物控制还有很长的路要走， 需要在技术上继 续突破，进一步减少火电大气污染物的排放。3.3 湿法脱硫对生态环境的影响 中国火电行业烟气脱硫方法以石灰石石膏湿法脱硫为主，据统计 2016 年 火电行业采用石灰石石膏湿法脱硫的装机容量占比93%，每年石灰石消耗量