濁度儀
改革開放40年，中國電力工業(yè)得到了快速發(fā)展，發(fā)電裝機(jī)容量增長了30倍，其中火電裝機(jī)容量增長約27倍，支撐了中國經(jīng)濟(jì)年均9.5%的增長率。伴隨著火電行業(yè)的快速發(fā)展，中國火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，2011年出臺了史上最嚴(yán)的燃煤發(fā)電排放標(biāo)準(zhǔn)，比發(fā)達(dá)國家的排放標(biāo)準(zhǔn)還要嚴(yán)，當(dāng)時普遍認(rèn)為是不可能實現(xiàn)的。通過幾年的努力，中國火電廠不僅能夠滿足2011年的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求， 而且到2017年年底已有71%的煤電機(jī)組容量滿足了超低排放要求，在煙塵、SO2、NOx三大污染物排放方面，基本實現(xiàn)了燃煤電廠與燃?xì)怆姀S同等清潔的目標(biāo)。
面對目前取得的如此巨大的成績，多數(shù)人認(rèn)為火電行業(yè)的大氣污染防治已經(jīng)走在了世界及國內(nèi)各行業(yè)的前列，可以停一下前進(jìn)的腳步了。作者在對中國火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與國際比較、煙氣治理技術(shù)發(fā)展及減排效果分析的基礎(chǔ)上，從國際氣候變化的壓力、國內(nèi)大氣環(huán)境改善的動力、濕法脫硫?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的影響、廢棄脫硝催化劑危險廢物的處置、非常規(guī)污染物控制技術(shù)的突破、煙氣治理設(shè)施運行優(yōu)化與節(jié)能等方面分析了中國火電大氣污染面臨的挑戰(zhàn)，提出中國火電大氣污染防治需關(guān)注的研發(fā)重點。
1 中國火電排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與國際比較
中國電力始于1882年，到1949年全國發(fā)電裝機(jī)容量僅184.86萬kW，1978年改革開放之初，全國發(fā)電裝機(jī)容量為5712萬kW。改革開放40 年，中國電力得到了快速發(fā)展，總裝機(jī)容量從1978年的5712萬kW 發(fā)展到2017年的17.77億kW， 其中火電裝機(jī)容量從3984萬kW發(fā)展到11.06億kW。伴隨著火電的快速發(fā)展，中國火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，目前已領(lǐng)先世界。
1.1 排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展
中國火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值的演變經(jīng)歷了以下7個階段(詳見表1)，不同階段制定和修訂的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)與當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、污染治理技術(shù)水平以及人們對環(huán)境空氣質(zhì)量的要求等密切相關(guān)。
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第一階段為1882— 1972年，當(dāng)時中國經(jīng)濟(jì)落后，電力裝機(jī)容量少，處于無標(biāo)準(zhǔn)階段。
第二階段為1973年頒布的《工業(yè)“三廢”排放標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GBJ4—1973)，火電廠大氣污染物排放指標(biāo)僅涉及煙塵和SO2，對排放速率和煙囪高度有要求，但對排放濃度無要求。
第三階段為1991年頒布的《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223—1991)，首次對煙塵排放濃度提出限值要求，針對不同類型的除塵設(shè)施和相應(yīng)燃煤灰分制定不同的排放標(biāo)準(zhǔn)限值。
第四階段為1996年頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223— 1996)，首次增加NOx 作為污染物，要求新建鍋爐采取低氮燃燒措施。煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)，新建、擴(kuò)建和改建中高硫煤電廠要求增加脫硫設(shè)施。
第五階段為2003年頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223—2003)，污染物排放濃度限值進(jìn)一步加嚴(yán)。對燃煤機(jī)組提出了全面進(jìn)行脫硫的要求。
第六階段為2011年頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223—2011)，被稱為中國史上最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，燃煤電廠不僅要進(jìn)行脫硫，還要進(jìn)行煙氣脫硝，并對重點地區(qū)的電廠制定了更加嚴(yán)格的特別排放限值，并首次將Hg 及其化合物作為污染物。
第七階段為2014—2020年的超低排放階段，2014年6月國務(wù)院辦公廳首次發(fā)文要求新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放接近燃?xì)鈾C(jī)組排放水平。由此拉開了中國燃煤電廠超低排放的序幕。2015年12月，環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)改委等出臺了燃煤電廠在2020年前全面完成超低排放改造的具體方案。
1.2 超低排放要求的推動力
1.2.1 資源稟賦與環(huán)境改善的必然要求
根據(jù)《2013年中國能源統(tǒng)計年鑒》，中國煤炭探明儲量占化石能源儲量的94.2%，中國富煤、貧油、少氣的能源儲量特征決定了未來一段時間中國很難擺脫以煤炭為主要能源的發(fā)展模式。另外，從煤炭使用量來看，中國煤炭使用量逐年升高， 2013年達(dá)到28.10億t 標(biāo)準(zhǔn)煤， 是1978年使用量的6.9倍， 是1998年使用量的2.9倍，近年來中國煤炭消耗量有所下降，但2017年中國煤炭消耗量仍達(dá)到27.31億t。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，2014—2016年中國煤炭消費量占全球煤炭總量的50.5%~50.7%，意味著全球有一半的煤炭是在中國消耗的，由煤炭燃燒產(chǎn)生的大氣污染物對環(huán)境空氣質(zhì)量的負(fù)面影響，尤其是對灰霾天氣的影響不容忽視。因此，為改善中國環(huán)境空氣質(zhì)量，迫切需要實現(xiàn)煤炭的高效清潔利用，超低排放是實現(xiàn)煤炭清潔利用的重要手段。
1.2.2 國家層面對超低排放的推動
2011年，中國頒布了史上最嚴(yán)的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223—2011))，規(guī)定了包括燃?xì)廨啓C(jī)組在內(nèi)的火電廠大氣污染物排放限值。因個別特大型城市禁止建設(shè)燃煤電廠， 面臨天然氣資源缺乏和電力短缺的雙重矛盾，2012年“如新建的燃煤電廠達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組的大氣污染物排放限值是否可以建設(shè)”的問題在上海市被提出來，進(jìn)而有電力企業(yè)在現(xiàn)有煤電機(jī)組上進(jìn)行了有益嘗試。
2014年6月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年) 》( 國辦發(fā)[2014]31號)，首次提出“新建燃煤發(fā)電機(jī)組污染物排放接近燃?xì)鈾C(jī)組排放水平”，由此拉開了中國燃煤電廠“超低排放”的序幕。同年9 月，國家發(fā)改委、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年年)的通知》(發(fā)改能源[2014]2093號)。
2015年3月，“兩會”通過的政府工作報告中要求“加強(qiáng)煤炭清潔高效利用，推動燃煤電廠超低排放改造”，“超低排放”首次正式出現(xiàn)在政府文件中。2015年12月國務(wù)院常務(wù)會議決定，在2020年前，對燃煤機(jī)組全面實施超低排放和節(jié)能改造，東、中部地區(qū)提前至2017年和2018年完成。此后，國家發(fā)改委出臺了超低排放環(huán)保電價政策。同月，環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合印發(fā)《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》(環(huán)發(fā)[2015]164號)，將“燃煤電廠超低排放與節(jié)能改造”提升為國家專項行動，即到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放(即在基準(zhǔn)含氧量6%條件下， 煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3)，全國有條件的新建燃煤發(fā)電機(jī)組達(dá)到超低排放水平。
1.2.3 地方政府對超低排放的積極響應(yīng)
地方政府積極響應(yīng)國家超低排放行動計劃，相繼出臺了超低排放相關(guān)政策， 如在發(fā)改能源[2014]2093號文之前， 江蘇省、浙江省、廣州市、山西省等地就出臺相關(guān)政策，要求燃煤電廠參考燃?xì)廨啓C(jī)組污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值，即在基準(zhǔn)含氧量6% 條件下，煙塵、SO2、NOx 排放濃度分別不高于5、35、50mg/m3。
截至發(fā)稿時，已有6個省級政府發(fā)布或即將發(fā)布火電廠或燃煤電廠大氣污染物強(qiáng)制性地方標(biāo)準(zhǔn)， 將超低排放要求標(biāo)準(zhǔn)化， 它們分別是河南、河北、上海、山東、浙江、天津，其中天津市2018年2月發(fā)布《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)，浙江省于2018年3月6日召開了《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》聽證會，其他4個省份的地方標(biāo)準(zhǔn)均已發(fā)布。上海、山東、浙江對新建鍋爐或一定規(guī)模以上鍋爐的煙塵提出了5mg/m3的燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)限值要求，其他省份提出的標(biāo)準(zhǔn)限值與國家“超低排放”限值基本一致，詳見表2。另外，值得注意的是上海、浙江強(qiáng)制性地方標(biāo)準(zhǔn)中要求燃煤發(fā)電鍋爐應(yīng)采取煙溫控制及其他有效措施消除石膏雨、有色煙雨等現(xiàn)象;浙江省還將排放績效控制要求寫入強(qiáng)制性地方標(biāo)準(zhǔn)中。
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1.2.4 國有企業(yè)對超低排放的推動
在國家和地方政策引導(dǎo)下，國有電力企業(yè)投入資金實施超低排放改造和新建工程。2012年9月19日上海漕涇電廠二期工程環(huán)境效益分析報告評審會上，首次提出燃煤電廠達(dá)到燃?xì)鈾C(jī)組排放標(biāo)準(zhǔn)限值;2013年4月16日國電泰州二期工程成為國內(nèi)首臺按照超低排放進(jìn)行環(huán)境影響評價的新建機(jī)組;2014年5月30日浙江嘉華7、8號機(jī)組成為國內(nèi)首臺改造投運的超低排放機(jī)組，2014年6月26日國華舟山4號機(jī)組成為國內(nèi)首臺新建投運的超低排放機(jī)組。截至2016 年年底，約4.4億kW燃煤機(jī)組完成超低排放改造，占全國煤電機(jī)組容量的49%;截至2017年年底，全國已投運超低排放機(jī)組容量占煤電機(jī)組容量的71%。
1.3 超低排放限值的國際比較
中國燃煤電廠超低排放限值與美國、歐盟燃煤電廠最嚴(yán)格的排放限值比較如表3所示。
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從表3可以看出，與美國《新建污染源的性能標(biāo)準(zhǔn)》(NSPS，new source performance standard)中最嚴(yán)排放限值( 適用于2011年5月3日以后新、擴(kuò)建機(jī)組，美國排放標(biāo)準(zhǔn)中以單位發(fā)電量的污染物排放水平表示，為便于比較將其進(jìn)行了折算)相比，中國超低排放限值更加嚴(yán)格，顆粒物占美國排放標(biāo)準(zhǔn)的81.3%;SO2 僅占美國排放標(biāo)準(zhǔn)的25%，NOx 限值占美國排放標(biāo)準(zhǔn)的52%。與歐盟2010/75/EU《工業(yè)排放綜合污染預(yù)防與控制指令》(directive on industrial emissions(integratedpollution prevention and control))中最嚴(yán)排放限值(適用于300MW 以上新建機(jī)組)相比，中國煙塵10mg/m3 的超低排放限值與之相當(dāng)，但部分省市新建機(jī)組和一定規(guī)模以上機(jī)組執(zhí)行5mg/m3，僅為歐盟最嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)限值的50%;SO2僅占?xì)W盟排放標(biāo)準(zhǔn)的23%，NOx占?xì)W盟排放標(biāo)準(zhǔn)的33%。
可見，中國目前實施的超低排放限值明顯嚴(yán)于美國、歐盟現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)限值。但更值得關(guān)注的是，中國超低排放限值符合率的評判標(biāo)準(zhǔn)為小時濃度，而美國排放標(biāo)準(zhǔn)限值的評判標(biāo)準(zhǔn)為30 天滾動平均值，歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)限值的評判標(biāo)準(zhǔn)為日歷月均值。因此，從符合率評判方法來說，中國短期內(nèi)要求符合的超低排放限值比美國和歐盟長時間段內(nèi)平均濃度要求符合的標(biāo)準(zhǔn)限值嚴(yán)格得多。
2 煙氣治理技術(shù)發(fā)展應(yīng)用及減排效果
隨著中國大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷趨嚴(yán)，以及超低排放國家專項行動的實施，中國火電廠大氣污染防治技術(shù)發(fā)展迅速，目前已處于國際領(lǐng)先水平。為了加強(qiáng)和規(guī)范火電廠污染防治，推動火電行業(yè)污染防治措施升級改造與技術(shù)進(jìn)步，環(huán)保部科技標(biāo)準(zhǔn)司組織編制了《火電廠污染防治可行技術(shù)指南》(HJ2301—2017)，于2017年5月正式以標(biāo)準(zhǔn)形式發(fā)布。
2.1 除塵技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用
自GB13223—1996標(biāo)準(zhǔn)頒布實施后，電力工業(yè)原先普遍應(yīng)用的旋風(fēng)除塵器、文丘里水膜除塵器、斜棒柵除塵器等，因其除塵效率低，無法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)而遭到淘汰，取而代之的是高效電除塵器，從此電除塵技術(shù)得到普及�！笆晃濉敝痢笆濉逼陂g，中國燃煤電廠煙塵排放限值經(jīng)歷了從50mg/m3 到30mg/m3 再到10mg/m3 的三級跳，電除塵技術(shù)方面高頻電源、脈沖電源、旋轉(zhuǎn)電極、低低溫電除塵、濕式電除塵等新技術(shù)應(yīng)運而生并得到大規(guī)模應(yīng)用，同時電袋復(fù)合除塵和袋式除塵技術(shù)不斷取得突破，相應(yīng)裝機(jī)容量份額逐漸提高，另外濕法脫硫協(xié)同除塵技術(shù)和效果也逐步提高�？梢姡S著火電行業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，能夠長期保證低濃度排放的先進(jìn)除塵技術(shù)進(jìn)入了快速規(guī)�；瘧�(yīng)用時期，而國外除塵新技術(shù)研究與應(yīng)用處于相對停滯狀態(tài)。隨著中國火電廠煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)日益趨嚴(yán)，中國火電行業(yè)除塵技術(shù)發(fā)展情況如圖1 所示。
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目前，中國火電行業(yè)除塵技術(shù)已形成了以高效電除塵器、電袋復(fù)合除塵器和袋式除塵器為主的格局，安裝袋式或電袋復(fù)合除塵器的機(jī)組比重有所提高。2016年火電廠安裝電除塵器、袋式除塵器、電袋復(fù)合除塵器的機(jī)組容量分別占全國煤電機(jī)組容量的68.3%、8.4%(0.78 億kW)、23.3%(2.19 億kW)。
2.2 脫硫技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用
隨著GB13223—2003標(biāo)準(zhǔn)的修訂出臺，各時段建設(shè)的燃煤機(jī)組全面納入SO2濃度限值控制，從此，中國火電行業(yè)煙氣脫硫進(jìn)入了快速發(fā)展階段，石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)快速發(fā)展并得到普及。2011 年GB13223—2011標(biāo)準(zhǔn)修訂頒布，中國SO2排放限值進(jìn)一步趨嚴(yán)，嚴(yán)于美、歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，成為世界最嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)，該階段火電行業(yè)通過進(jìn)一步提高脫硫技術(shù)水平和運行管理水平，從而提高綜合脫硫效率。
隨著發(fā)改能源[2014]2093號文及各地方超低排放要求的相繼出臺，脫硫技術(shù)的發(fā)展步入了超低排放階段，國內(nèi)在引進(jìn)消化吸收及自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)上形成了多種新型高效脫硫工藝，如石灰石-石膏法的傳統(tǒng)空塔噴淋提效技術(shù)、復(fù)合塔技術(shù)(包括旋匯耦合、沸騰泡沫、旋流鼓泡、雙托盤、湍流管柵等) 和pH值分區(qū)技術(shù)( 包括單塔雙pH值、雙塔雙pH 值、單塔雙區(qū)等)。隨著中國火電廠SO2排放標(biāo)準(zhǔn)日益趨嚴(yán)，中國火電行業(yè)脫硫技術(shù)發(fā)展情況如圖2所示。
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目前，中國火電行業(yè)脫硫技術(shù)已形成了以石灰石-石膏濕法脫硫為主，其他脫硫方法為輔的格局。截至2016年年底，全國已投運火電廠煙氣脫硫機(jī)組容量約8.8億kW，占全國煤電機(jī)組容量的93.0%，如果考慮具有脫硫作用的循環(huán)流化床鍋爐， 全國脫硫機(jī)組占煤電機(jī)組比例接近100%。2015年全國火電行業(yè)脫硫工藝以石灰石-石膏法為主，占92.87%(含電石渣法等)，海水脫硫占2.58%、煙氣循環(huán)流化床脫硫占1.80 %、氨法脫硫占1.81%，其他占0.93%。
