中国火电大气污染的防治现状及未来

　　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 得到了快速发展，总装机容量从 1978 年的 5712 万 kW 发展到 2017

　　第一阶段为 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) 》 (GBJ4—1973)， 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》 (GB13223—2003)， 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》 (GB13223—2011)， 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 2014—2020 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， 2014—2016 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 (2014—2020 年) 》

　　( 国办发 [2014]31 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 [2014]2093 号）。

　　2015 年 3 月，“”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 [2015]164 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 [2014]2093 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 准中。

　　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— 2017) ， 于 2017 年 5 月 正式以标准形式发布。

　　自 GB13223—1996 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

　　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)、23.3%(2.19 亿 kW)。

　　随着 GB13223—2003 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 GB13223—2011 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 [2014]2093 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 ） 。

　　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 GB13223—2003 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》 (GB13223—2011) 的颁布， 循环流化 床 锅炉(CFB 锅炉)NOx 排放浓度限值 200mg/m3，原有 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“ 21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 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 370 万 t; 随着 GB13223—2003 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 3223—2011 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%。2000—2016

　　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 。由于中国火电厂大气污染物排放标准 GB13223—2003 开 10 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。

　　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 GB 13223— 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 14%。2000—2016 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—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。

　　3 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 排放量 0.76~0.92g/(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

　　13 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，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。

　　14 何处理与处置废弃脱硝催化剂是火电行业面临的重大挑战。 应积极开发废 弃脱硝 催化剂的回收及其资源化利用技术的研发。

　　3.5 非常规污染物的控制需要新的技术突破 2017 年京津冀地区 PM2.5 年均浓度下降至 64μg/m3，全面完成了大气 污染 防治行动计划的目标，举国振奋，但必须清醒地看到， 64μg/m3 与环 境空气质 量标准 35μg/m3 的要求还有很大的差距，与世界卫生组织确定的 环境空气质量 过渡时期目标 2(IT-2)25 μ g/m3、过渡时期目标 3(IT-3)15 μg/m3、空气质量准 则值(AQG)10μg/m3 要求差距更大。随着人们对环境空 气质量要求的不断提高， 不仅要控制好燃煤电厂烟气中的常规污染物， 而且 需要控制 Hg 及其化合物等重 金属、 SO3 等可凝结颗粒物、湿烟气液态水中 的溶解盐颗粒物等，以及环境敏感 地区、严重缺水地区湿烟气中气态水的回收 利用 (同时可消除“白色烟羽” ) 。需 要研发非常规污染物控制技术并进行 工程示范。 3.6 烟气治理设施的优化与节能 燃煤电厂的烟气治理设施是一个复杂的系 统工程， 锅炉的负荷波动与低氮燃 烧、烟气脱硝、除尘、脱硫、深度净化等 装置之间， 既相互独立，又相互联系。 目前各装置之间基本处于独立的运行 状态， 由不同专业的运行人员在运行， 没有 体现各装置之间的联系性， 烟 气治理设施的潜能没有得到充分发挥， 特别是节能 潜力。需要培养烟气污染 物控制的全面人才， 加强电厂烟气治理设施的统筹协同， 利用互联网、 物联 网、大数据等技术手段优化烟气治理设施的运行管理， 实现节 能减排双赢。 4 结语 中国火电厂大气污染物排放标准经历了 7 个发展阶段，日益严格的排放限 值 不断推动治理技术的进步， 目前的烟气治理水平已领先世界， 实现了燃煤 电厂常 规污染物排放与燃气发电基本同等清洁，为中国空气质量改善做出了巨 大贡献。 但中国火电大气污染仍然面临诸多挑战， 需要在相关领域加强技术 研发与工程示 范。