煤炭利用中污染物排放情景分析

程 婧 陈思源 李伟起 周 奎

(1.国华电力研究中心，北京市朝阳区, 100025；2.清华大学能源与动力工程系，北京市海淀区, 100084；3.清华四川能源互联网研究院，四川省成都市，610000)

随着人民生活水平的提高，在关注经济发展的同时，也越来越重视生态环境的保护。我国自然资源的特点是富煤、贫油、少气，煤炭消费在一次能源消费中所占比重高达60.4%，远高于世界27.6%的平均水平；而石油消费、天然气消费和非化石能源消费的占比分别为19.4%，6.6%和13.6%，远低于世界平均水平。大量的煤炭消费，尤其是部分低效、粗放的煤炭利用，产生了大量的空气污染物，严重危害了生态环境。和发达国家相比，我国仍处于经济快速发展阶段，未来对于能源的需求仍将处于快速增长阶段。在能源消费仍将快速增长的前提下，改善我国的能源消费结构可以在一定程度上减少污染物排放量，例如减少煤炭散烧利用并增加电煤比例以及将煤炭消费用天然气替代。除此之外，污染物终端排放技术的进步和全范围普及也是控制污染物排放量的重要措施。由此可见，能源消费结构、污染物终端排放处理技术等因素都是影响未来污染物排放总量的重要因素。为了控制污染物排放在环境容量允许范围内，有必要对上述因素对未来污染物排放总量的影响进行科学的分析。

本研究将重点分析在不同能源消费结构下，污染物排放终端处理技术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

环保部颁发的《大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南(试行)》中给出了排放清单的标准定义：“排放清单是指各种排放源在一定的时间跨度和空间区域内向大气中排放的大气污染物的量的集合”。排放量的计算公式见式(1)。

(1)

式中：E——污染物排放量，t；

A——活动水平(一般指能源消耗量)，万t；

EF——排放因子，kg/t；

η——脱除率， %；

i、j、k——分别表示地区、部门和能源品种。

根据式(1)可知，首先应获得特定区域和特定行业的每种能源品种的消费量以及相对应的排放因子，然后计算出每种污染物的排放量，从而汇总成最终整个区域一段时间内的排放清单。本研究重点关注我国煤炭利用中产生的污染物排放，计算不同情景下未来中国煤炭利用NOx和SOx排放趋势，并根据计算结果提出减排措施和建议。

2013年我国煤炭流向图如图1所示。

由图1可以看出，煤炭用于电力热力的消费量为19亿t实物量，占煤炭消费总量的44.7%；煤炭用于黑色金属冶炼、非金属矿业、化学原料及化学制品的消费量分别为3.45亿t、3.16亿t和2.58亿t，所占比例分别为8.1%、7.5%和6.1%。由此可见，煤炭消费主要用于电厂、钢铁、非金属矿业以及化工这4个部门，也是本研究主要关注的部门。煤炭用于其它部门的排放通过煤炭消耗量和相应的NOx和SOx排放统计量进行估算。

图1 2013年我国煤炭流向图

对于我国未来煤炭利用中的污染物排放，本研究采用情景分析的方法，计算分析基准情景以及环保技术政策加强情景、环保技术政策加强及电煤比例提高情景，环保技术政策加强、电煤比例提高及天然气替代情景下的污染物排放量趋势。基准情景下未来能源消费情况设定如下：截止到2020年，我国GDP平均增速设定为6.9%，2020-2030年的GDP年均增速为4.5%，单位GDP能耗强度下降率设定为3.45%。在此情景下，2030年我国能源消耗总量将达到57亿t标准煤，基准情景下未来我国能源消费结构见表 1。本研究中煤炭消费预测结果与现有其他文献结果对比如图 2所示。

表1基准情景下未来我国能源消费结构%

年份煤炭石油天然气非化石20136717511202059161015203050151520

图2 未来煤炭消费量结果对比

2 煤炭利用NOx排放情景分析

2013年我国全年NOx排放总量为2227万t，煤炭消费所产生的NOx排放分别占全部排放量的75%。有专家提出我国燃煤NOx的排放量在2020年和2030年将分别控制在1315万t和960万t。我国燃煤锅炉基本采用低氮燃烧技术、SNCR和SCR来降低NOx排放量，3种技术的脱硝率分别为30%、50%和80%。2013年，电厂、钢铁、非金属矿业、化工这4个部门煤炭消费的无控排放因子分别为10.67 kg/t、10.31 kg/t、10.24 kg/t和6.59 kg/t，4个部门使用不同脱硝设施的比例见表2。

表2 2013年3种脱硝技术在不同部门的应用比例%

脱硝技术电厂钢铁非金属矿业化工低氮燃烧90905090SNCR3040550SCR3050040

通过设定不同的脱硝技术在不同部门的应用比例，本研究对基准情景、环保技术政策加强情景、环保技术政策加强及电煤比例提高情景，环保技术政策加强、电煤比例提高及天然气替代情景下的NOx排放进行了计算分析。其中，环保技术政策加强情景下各种脱硝技术在不同部门的应用比例见表3。

表3 2030年3种脱硝技术在不同部门的应用比例%

脱硝技术电厂钢铁非金属矿业化工低氮燃烧100100100100SNCR35204040SCR65801560

由表3可以看出，环保技术加强情景下，低氮燃烧技术将逐渐完全适用于上述4个煤炭消费部门，2030年SNCR在4个部门中所使用的比例逐渐提高至35%、20%、40%和40%，2030年SCR在4个部门中所使用的比例将逐渐升高至65%、80%、15%和60%。

在环保技术政策加强及电煤比例提高情景下，煤电的消费比例将由2013年的45%上升到2020年的55%和2030年的65%；在环保技术政策加强、电煤比例提高及天然气替代情景下，天然气消费比例将由2013年的5%上升至2020年的10%和2030年的15%。上述4种情景下的煤炭利用NOx排放计算结果如图3所示。

图3 不同情景下煤炭利用NOx排放计算结果

通过对比几种情景下煤炭利用NOx排放量可知，环保技术的提高对减少NOx排放的作用最为重要，将使2020年的NOx排放量从1690万t降至1080万t。而在环保技术提高的基础上，逐渐增加电煤消耗比例将会进一步减少NOx排放量至1050万t。在此基础上，发展天然气替代将会使煤炭消耗的NOx排放量降至940万t，可实现2020年的减排目标。到2030年，相对于基准情景下1700万t的NOx排放，3种污染物减排情景下煤炭利用中的NOx排放将分别降低至894万t、801万t和642万t。若假设煤炭消费的NOx排放占总排放量的60%，则在环保技术加强、电煤比例提高及天然气替代情景下，2030年全国NOx总排放量将降低至1070万t，低于1260万t的环境容量。

3 煤炭利用SOx排放情景分析

2013年，我国SOx排放量为2043万t，煤炭消耗的SOx排放占全部SOx排放的93%。我国燃煤锅炉基本采用湿法、半干法和干法脱硫设施来降低SOx排放量，3种技术的脱硫率分别为93%、82%和80%。2013年，我国煤炭用于电力热力和黑色金属冶炼的无控排放因子分别为15.3 kg/t和12.48 kg/t，用于非金属矿业和化工产业的无控排放因子分别为12.16 kg/t和11.16 kg/t。4个部门使用不同脱硫设施的比例见表4。

表4 2013年3种脱硫技术在不同部门中所占比例%

脱硫技术电厂钢铁非金属矿业化工湿法73353540半干法3101010干法6101015

本研究对基准情景、环保技术政策加强情景、环保技术政策加强及电煤比例提高情景以及环保技术政策加强、电煤比例提高及天然气替代情景下的SOx排放进行了计算分析。在环保技术政策加强情景下，预计2030年3种脱硫技术在不同部门所占比例见表5。

表5 2030年3种脱硫技术在不同部门中所占比例%

脱硫技术电厂钢铁非金属矿业化工湿法90606570半干法4252020干法6101010

预计2030年湿法脱硫技术在4个部门中所使用的比例逐渐提高至90%、60%、65%和70%，2030年半干法脱硫技术在4个部门中所使用的比例逐渐提高至4%、25%、20%和20%。

电煤比例提高情景和天然气替代情景与上节中NOx排放情景分析中设定一致。在此设定下，未来煤炭消耗的SOx排放计算结果如图4所示。

图4 不同情景下煤炭利用SOx排放计算结果

由图4可以看出，加强环保技术将会使得2020年的SOx排放量从基准情景下的2020万t降至1536万t，而提高电煤比例将会使SOx排放量进一步降至1384万t，加大天然气替代会使得SOx的排放量降低至1274万t，可实现2020年的减排目标。到2030年，相对于基准情景下2068万t的SOx排放，3种污染物减排情景下煤炭利用中的SOx排放将分别降低至1284万t、984万t和866万t。若假设煤炭消费的SOx排放占总排放量的80%，则在环保技术加强、电煤比例提高及天然气替代情景下，2030年全国SOx总排放量将降低至1083万t，低于1360万t的环境容量。

4 结论

近年来，中国由于经济飞速发展带来能源消费量的大幅上升，但与此同时也产生了大量的污染物，严重危害了生态环境安全。由于我国一次能源消费主要是煤炭，且煤炭相对于其他能源更易产生污染物，因此我国的NOx和SOx排放量中大部分是煤炭利用产生的。如果不对煤炭污染物排放加以控制，按照目前的发展趋势，到2030年我国煤炭利用中的NOx和SOx排放量将上升至1700万t和2068万t，大大超出了环境容量。

因此，为了防止生态环境被进一步破坏，必须加大污染物控制力度，一方面要调整能源消费结构，另一方面要进一步提升和推广污染物排放控制技术。情景分析结果表明，若未来大力推广低氮燃烧、SNCR和SCR脱硝技术和湿法、半干法、干法脱硫技术，可将2030年煤炭利用中的NOx和SOx排放量降低至894万t和1284万t。若在此基础上提高电煤消耗比例并发展天然气替代，NOx和SOx排放量将进一步降低至642万t和866万t。在此情况下，全国NOx和SOx总排放量将低于环境容量，空气质量将实现达标。由此可见，在调整能源消费结构的同时，通过在煤炭消耗部门推广环保设施，集中处理煤炭利用产生的污染物，可以实现较强的污染物减排效果。