【精彩论文】中国煤电生命周期二氧化碳和大气污染物排放相互影响建模分析

中国煤电生命周期二氧化碳和大气污染物排放相互影响建模分析

王彦哲^1,2, 周胜^1,2, 姚子麟³, 欧训民^1,2

（1. 清华大学 能源环境经济研究所，北京 100084; 2. 清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084; 3. 中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

摘要：煤电在中国电力供应结构中占据主导地位，其环境影响是研究热点之一。建立中国煤电生命周期二氧化碳和大气污染物排放分析模型，基于文献调研构建参数数据库，测算中国煤电的单位发电量排放。结果表明，近年来中国煤电生命周期单位发电量的CO₂、SO₂、NO_x和PM_2.5排放分别为838.6 g/（kW·h）、0.34 g/（kW·h）、0.32 g/（kW·h）和0.08 g/（kW·h）。其中煤电单位发电量大气污染物排放，比实施超低排放改造前，下降幅度超过90%。研究发现，增大单机机组规模和进行超低排放改造能够有效降低煤电发电过程的大气污染物排放，采用煤电燃烧后碳捕集和存储(carbon capture and storage, CCS)处理技术能够使煤电CO₂排放下降到144 g/（kW·h），助力碳中和目标实现。如果不采用更加严格的大气污染物排放标准和处理方式，CCS技术可能会使煤电大气污染物排放强度上升30%~40%，这与碳捕集过程使用的技术有关。

引文信息

王彦哲, 周胜, 姚子麟, 等. 中国煤电生命周期二氧化碳和大气污染物排放相互影响建模分析[J]. 中国电力, 2021, 54(8): 128-135.

WANG Yanzhe, ZHOU Sheng, YAO Zilin, et al. Life cycle modeling analysis of the interaction between carbon dioxide and air pollutant emissions of coal power in china[J]. Electric Power, 2021, 54(8): 128-135.

引言

改革开放以来，中国电力行业快速发展，有力地支撑着中国经济的高速发展，在此期间，中国发电装机容量增长30倍，其中火电装机容量增长27倍^[1]。截至2020年年底，全国煤电装机10.8亿kW，占总装机规模的58%，全年煤电发电量4.65万亿kW·h，占全国发电量的62%^[2]。煤电是中国现阶段保障电力供应的主力电源，也是煤炭较为清洁高效的利用方式，但煤电产生的SO₂、NO_x和PM_2.5排放会严重影响空气质量和人体健康，也会产生大量温室气体加速全球变暖^[3]。随着电力行业绿色发展，燃煤电厂的节能环保要求不断提高，中国火电行业的大气污染防治已经走在世界前列。2000年以来，中国分别在2003、2011和2014年逐步采用了更加严格的火电厂污染物排放限值标准^[3]。中国自2012年起开始推动煤电超低排放改造，已建成世界最大的清洁煤电供应体系^[4]。截至2019年年底，中国煤电机组累计完成超低排放改造8.9亿kW以上，超低排放机组占煤电机组比重提高到86%。2012—2019年期间，全国煤电装机规模增加40%，但是电力行业SO₂、NO_x、烟尘排放量分别从859万t、1086万t、178万t下降至89万t、93万t、18万t，降幅分别达89%、91%、90%^[5]。近年来，温室气体排放引发的全球变暖等气候问题日益显著，煤电贡献了全国温室气体年排放总量的40%左右^[6]。为了缓解气候变化趋势，减少温室气体排放，2016年中国在《巴黎协定》中承诺：到2030年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降60%~65%，2030年左右二氧化碳排放达峰。2020年9月22日，国家主席习近平表示，中国力争在2030前实现二氧化碳排放达峰，在2060年前实现碳中和。为了实现碳中和目标，中国应大力推动电力行业低碳化转型，包括提高煤电效率、提高非化石电力比例、推广煤电碳捕集和存储（carbon capture and storage, CCS）研发和示范等。统计表明，中国煤电供电煤耗和二氧化碳排放强度不断下降^[3, 7]。火电机组供电煤耗从2012年的325 g/（kW·h）下降至2019年的312 g/（kW·h），最低253 g/（kW·h）^[5]。另外，研究表明，煤电CCS技术可以大幅度减少80% ~90%的二氧化碳排放^[8]。目前较为成熟的是燃烧后碳捕集技术，可在现有的燃煤发电站进行技术改造^[9]。虽然中国煤电效率和污染控制已经达到世界先进水平，但是煤电机组CO₂、SO₂、NO_x和PM_2.5排放分别占全国排放总量的35.0%、13.7%、9.1%和3.3%^[10]。文献[11-12]研究了中国煤电清洁低碳发展的历史，计算了单位煤电发电量大气污染物和碳排放强度发展趋势；文献[13]针对未来低碳情景下煤电发展的资源环境约束和发展目标提出了政策建议。国内外学者常采用生命周期评价方法对煤电环境影响进行研究。文献[14]对亚临界煤电机组排放清单研究表明，CO₂、SO₂、NO_x和PM_2.5的排放主要来自发电阶段。文献[15]研究了超超临界机组、循环流化床等4种清洁煤电技术的资源能耗清单和环境排放清单。文献[11, 16]研究了中国煤电生命周期环境排放清单和环境成本，计算出煤电有着较高的外部环境成本。文献[6, 17-18]针对煤电生命周期具体环节的碳排放进行研究。文献[19]计算了燃煤电厂脱硫脱硝除尘超低排放设施的资源消耗和环境排放清单。文献[20-22]计算了煤电厂配套CCS后处理设施的资源消耗和环境排放清单。目前中国煤电环境影响研究的测算结果差异较大，不能真实反映煤电环境影响。原因在于，对煤电生命周期研究的系统评价边界不一致，煤炭开采运输和废弃处理环节常被忽视；不同研究使用的数据源时间跨度大，导致其得出的结果差异较大。此外，2012年以来，煤电的超低排放改造在降低煤电大气污染物排放的同时，超低排放设施的建造和运行也会带来碳排放量的增加。煤电+CCS技术在降低碳排放强度的同时，会降低发电效率，存在增加污染物排放强度的可能，目前较少有研究对此开展对比测算。

本研究将建立完整的煤电全生命周期环境影响量化计算模型，开展中国煤电生命周期排放清单的编制与分析，实现煤电的单位发电量排放的测算。在此基础上，计算煤电各环节排放占比，分析煤电厂运行关键参数对煤电排放的影响，量化超低排放和CCS技术带来的减排效果以及对碳排放和大气污染物排放的相互影响。

1  模型开发

1.1  评价方法和评价边界

全生命周期评价（life cycle assessment，LCA）方法是通过辨识和量化某一产品全生命周期的能量消耗、物质消耗、污染废弃物排放，来评价该产品对环境的影响^[23]。采用LCA方法，开发中国煤电全生命周期环境影响分析模型。

在本研究中，煤电全生命周期评价边界包括燃料周期和电厂周期，如图1所示。

图1  煤电全生命周期评价边界划分

Fig.1  Boundary of coal power life cycle analysis

1.2  计算过程

本研究主要针对煤电全生命周期单位发电量碳排放和大气污染物排放进行量化计算，并测算超低排放技术和燃烧后CCS处理技术对2种排放的综合影响。评价指标为单位煤电发电量的碳排放、大气污染物排放。具体步骤如下。

首先，计算煤电全生命周期总发电量E，可表示为

式中：T为该机组的使用寿命年限；A为煤电厂机组装机容量；δ为煤电机组的平均年负荷因子。其次，计算煤电全生命周期碳排放。利用各环节消耗的物料和终端能源的量，计算煤电单位发电量碳排放c，可表示为

式中：m_ijk为物料或者终端能源i在j周期k环节的消耗量；σ_i(t)为物料或者终端能源i在t时段的碳排放因子。

再次，计算煤电生命周期大气污染物排放。考虑到数据的可获得性，利用文献调研得到煤电各环节大气污染物排放强度p_njk，累加得到煤电全生命周期单位发电量大气污染物（SO₂、NO_x和PM_2.5）排放强度p_n，可表示为

最后，计算碳排放和大气污染物排放的相互影响。利用式（4）和（5）可以计算CCS装置和超低排放改造对煤电单位发电量碳排放和污染物排放影响的交互作用。

式中：c₀、p_n0分别为煤电未采用CCS和超低排放技术时的碳排放、大气污染物排放；α_c、α_n分别为CCS装置建造和使用带来的碳排放、大气污染物n排放增加系数；β_c、β_n分别为超低排放装置建造和使用带来的碳排放、大气污染物n排放增加系数；γ_c为CCS装置的脱碳率；η_n为超低排放装置对大气污染物n的脱除率。

2  数据来源和关键假设

以某电厂（单机600 MW）机组为例，具体参数如表1所示。

表1  煤电机组基本参数

Table 1  Basic parameters of coal power

为了便于计算和比较，对不同来源数据做归一化处理。即在燃料周期以1 t煤为基本单位，在电厂周期以1 kW装机容量作为基本单位，将物料、终端能源用量表示为单位煤炭或者装机容量的消耗量。最终通过负荷因子和能量转换效率计算，将单位发电量作为LCA各阶段的基本单位。煤电生命周期的能源和材料消耗清单如表2所示。根据燃料开采^[24]、运输^[25]、发电^[19]和废弃处理的实际生产数据编制燃料周期材料清单。根据电厂建设和运行的实际数据^{[5, 19]}编制电厂周期材料清单。不同物料的碳排放因子来自文献[24]和GB/T 32151.1^[26]。利用这些数据可以计算中国煤电全生命周期单位发电量碳排放量。其中电厂运行周期的电耗指的是单位装机容量30年用电量，主要为厂用电，占发电量5%左右。

表2  煤电生命周期能源和材料消费清单Table 2  Life cycle energy and material consumption list of coal power

3  计算结果分析

3.1  碳排放

按照实际年运行4293 h计算，中国煤电全生命周期单位发电量碳排放为838.6 g/（kW·h），其中98%以上来自燃煤燃烧产生的直接排放，其他主要来自燃煤开采和运输环节。运行小时数会通过影响燃煤机组负荷率和发电效率进而影响单位发电量碳排放，在负荷因子小于80%时提高运行小时数可以降低平均发电煤耗^[27]。与实际运行小时数相比，如果运行小时达到设计小数，发电煤耗估计降低2.35%。因此，若按设计每年5500 h运行，煤电碳排放为818.9 g/（kW·h）。如果电厂退役环节的钢铁建材被回收再利用，可以进一步降低设备生产和电厂建造环节的碳排放。

除了年运行小时之外，不同类型煤电厂发电煤耗的区别同样影响煤电的碳排放。本研究选取30万kW、60万kW超临界和100万kW超超临界3种典型容量等级煤电机组^[5]，在年运行小时4000~5500 h的区间下，计算不同机组类型煤电碳排放强度，结果如表3所示。从表3结果可以看出，发电煤耗减少10 g/（kW·h），煤电的碳排放强度平均下降约30 g/（kW·h），100万 kW机组和30万kW的机组的单位发电量碳排放相差接近100 g/（kW·h）。将计算结果与国家公布的《2019—2020全国碳排放权交易配额方案》基准值相比，在平均厂用电率为4.5%情况下^[5]，30万kW煤电机组碳排放基准值高于本研究结果，原因是该基准值还适用于30万kW以下的煤电小机组。
表3  不同机组类型煤电全生命周期单位发电量碳排放Table 3  Life cycle carbon emissions per kW·h of coal power of different unit types3.2  大气污染物排放

考虑到数据的可获得性，利用文献调研，获取最具有时效性的参数，整理相关研究中煤电具体环节污染物的排放系数。燃煤开采、设备生产和电厂建造环节的大气污染物排放参数由文献[27]获得；涉及运输的环节中，大气污染物排放通过不同物料的运输距离、运输方式^[25]与运输方式污染物排放强度^[28-30]等计算得到；电厂运行时产生的大气污染物直接排放^{[5, 31]}需经过煤电超低排放设施^[19]处理，具体包括石灰石-石膏法脱硫、SCR法脱硝和电袋除尘技术。

煤电全生命周期单位发电量污染物测算结果和各环节贡献如表4所示，其中电厂运行环节的排放被包含在发电运行环节中。SO₂、NO_x和PM_2.5排放强度分别为0.34 g/（kW·h）、0.32 g/（kW·h）和0.08 g/（kW·h）。可以看出，煤电SO₂排放主要来自发电运行和燃料开采环节；NO_x主要来自发电运行、燃料开采和燃料运输环节；PM_2.5主要来自发电运行、燃料开采、燃料运输和电厂建造环节。
表4  中国煤电全生命周期单位发电量大气污染物排放
Table 4  Life cycle air pollutant emissions per kW·h of China's coal power本研究和相似研究计算结果的比较如表5所示，不同研究中污染物排放强度计算结果分布区间较大，而且随着研究中所使用的数据年份越新，排放强度呈下降趋势。文献[32]、文献[15]和文献[11]的研究结果显著高于其他结果的原因在于他们使用数据的年份普遍在2010年之前，彼时中国物资生产排放因子高，超低排放设施尚未推广。文献[16]的研究结果较高的原因是未考虑超低排放技术对煤电烟气处理的减排效果。不同系统边界下会影响研究结果，煤电全生命周期排放强度会高于不完整的周期，煤电大气污染物间接排放占总排放的占比在2014年之前比较低，当时大部分研究并未考虑完整周期。超低排放改造之后，煤电间接排放的占比明显提升，更多研究开始关注煤电全生命周期的排放。本研究的测算结果与近几年相似研究较为接近，显示了本研究的科学性和可信性。
表5  中国煤电单位发电量大气污染物排放研究对比
Table 5  Comparison of air pollutant emissions per kW·h of coal power in China中国煤电单位发电量大气污染物排放强度快速下降与中国煤电污染排放标准趋于严格相关，相关标准的演变情况如表6所示。2011年国家对煤电污染物排放浓度的限值进一步加严，煤电排放强度下降。2014年，煤电全面超低排放改造拉开序幕，煤电生产技术和污染治理技术不断进步，煤电排放强度再次显著下降。表6中煤电最新的排放标准大约是2003年的1/10，从表5实际研究结果来看，超低排放改造后煤电的大气污染物排放强度确实下降到2005年的1/10以下。目前中国正在实施非常严格的煤电排放限值，煤电大气污染物治理技术总体达到世界先进水平，部分领域达到世界领先水平^[3]。

表6  中国煤电大气污染物排放标准发展历程

Table 6  Development history of air pollutant emissions standards for coal-fired power in China

3.3  碳排放和污染物排放的相互影响

燃煤电厂进行超低排放改造之后，大气污染物排放强度显著降低，但超低排放设备的生产建设会增加能耗和碳排放量。相似地，煤电厂增加CCS设施在降低碳排放的同时，如果煤电大气污染物治理技术没有进一步改进，可能会增加大气污染物排放。目前中国煤电超低排放机组占比已经达到86%以上，煤电加CCS是电力行业实现“碳中和”目标的重要技术选择之一，而煤电厂通过CCS技术大幅度减排CO₂还处于研发示范阶段。本文研究案例已经考虑超低排放改造，在此基础上假设未来进行CCS改造，进一步讨论超低排放改造和CCS改造对煤电碳排放和大气污染物排放的综合影响。

图2展示了煤电厂超低排放改造前后的排放情况，根据超低排放装置的材料清单和大气污染物控制情况^[19]，可以计算出超低排放技术使得煤电SO₂、NO_x和PM_2.5排放量分别下降了95%、91%和95%，但是因超低排放技术设备和能源投入，会使煤电碳排放小幅增加5.3 g/（kW·h），上升幅度约在0.6%。可见超低排放装置对煤电大气污染物排放的削减效果十分显著，带来了明显的大气污染防治效益。图2  中国煤电超低排放改造后生命周期环境影响变化
Fig.2  Life cycle environmental impact changes of China's coal power after ultra-low emission transformation
在案例电厂完成超低排放改造的基础上，考虑燃烧后CCS改造，计算得到煤电单位发电量环境影响变化情况如图3所示（不考虑试剂的二次污染）。在煤电燃烧后CCS技术中，二氧化碳在燃煤燃烧后被吸附、分离和压缩，生成固碳产物，并对固碳产物进行运输和封存^[34]。图3  煤电CCS改造后生命周期环境影响变化Fig.3  Life cycle environmental impact changes of China's coal power after CCS transformation
CCS技术对发电环节CO₂的捕集率最高为90%，考虑到煤电周期其他环节会产生碳排放，煤电+CCS技术的碳排放量约为144 g/（kW·h），其中发电运行环节排放为107 g/（kW·h），固碳产物运输100 km的排放为10 g/（kW·h）。根据CCS设施的技术参数、材料清单数据^[22]计算，在90%碳捕集率情况下，由于碳的捕集分离压缩需要消耗电和热，这会导致发电效率下降24%。在不采用更加严格的大气污染物排放标准和处理方式的情况下，如果燃烧后捕集采用吸附或者膜分离等不产生二次污染的技术，采用CCS技术会使煤电大气污染物排放强度大致提高30%；如果采用化学吸收的方法，考虑其中吸收剂的劣化降解会不可避免地产生大气污染物，采用CCS技术会使煤电污染物排放强度提高40%~45%。

4  结论

（1）本研究采用LCA方法对中国煤电生命周期环境影响进行了量化测算，煤电单位发电量CO₂、SO₂、NO_x和PM_2.5的平均排放分别为838.6、0.34、0.32和0.08 g/（kW·h）。煤电单位发电量碳排放主要由发电煤耗决定，发电煤耗与机组容量和运行小时数相关。大气污染物排放主要来自燃料开采和发电运行环节。（2）超低排放改造大幅减少了中国煤电的大气污染物排放，使煤电生命周期单位发电量大气污染物（SO₂、NO_x和PM_2.5）的排放强度下降了90%以上。（3）煤电+燃烧后CCS技术可以使煤电碳排放强度下降至目前的20%以下，约为144 g/（kW·h），是一种重要的煤电脱碳技术方案。由于CCS技术会带来效率损失，在不采用更加严格的大气污染物排放标准和处理方式的情况下，会使煤电大气污染物排放强度上升30%；如果碳捕集过程使用了化学吸收剂，那么大气污染物排放强度上升40%~45%。（4）煤电碳排放和污染物排放的控制工作效果之间存在相互影响。在进行煤电节能减排改造时需要做好权衡和综合控制，未来发展CCS技术时需要考虑CCS技术选择和污染物处理，制定相应污染物减排标准，更好地推进煤电清洁化发展。

（责任编辑　李博）

作者介绍

王彦哲(1997—)，男，硕士研究生，从事能源与气候变化政策研究，E-mail：[e-mail];

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周胜(1973—)，男，通信作者，副研究员，从事能源与气候变化政策研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：杨彪

审核：方彤

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