文献阅读 | 清洁空气和低碳政策对我国燃煤电厂重金属减排的协同效应

题目

The co-benefits of clean air and low-carbon policies on heavy metal emission reductions from coal-fired power plants in china.

作者

Yaqin Guo; Bin Chen; Yanxian Li; Sili Zhou; Xiaowei Zou; Ning Zhang; Yuran Zhou; Huanxin Chen; Jun Zou; Xianhai Zeng; Yuli Shan*; Jiashuo Li*.

期刊

Resources, Conservation & Recycling 

时间

2022年2月

一作

单位

School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China 

链接

https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106258 

摘要

       为应对全球气候变暖和空气污染加重现象，中国已采取了一系列措施来解决燃煤电厂的CO₂和空气污染物排放问题，与此同时，这些措施也减少了大气重金属的排放。研究通过整合煤耗量、机组类型、污控设施等信息在内的电厂级基础数据库，编制了2005-2020年中国燃煤电厂重金属(即Hg、Pb、Cd、Cr、Ni、Sb、Mn、Co、Cu、Zn、As和Se)的历史排放清单，调查了清洁空气和低碳政策协同效益。然后研究考虑了洗煤率、空气污染控制设备、运行时间和寿命因素，设计36个减排路径情景来评估中国燃煤发电厂重金属排放的演变趋势。结果表明：排放总量从2005年的1.29万吨下降到2020年的8.8万吨，认为主要得益于燃煤电厂超低排放改造（末端去除装置、电厂退役）和“上大压小”等措施，但减排效果在不同地区之间存在显著差异，四川、江苏和浙江省减排效果显著；情景分析表明，将使用年限降低到20年是减少中国重金属排放最有效措施，但不同地区效果差别较大。以期为精准把控重金属和碳排放提供借鉴，并为统筹实现水俣公约和碳中和目标提供指导。

引言

      由于其有毒性、长距离迁移及生物富集等特征，大气重金属(HM)排放严重威胁着人类健康和生态安全。据报道，大气中As、Cd、Ni和Mn的平均浓度远高于世界卫生组织的标准，仅在中国，2010年就有7360人死于汞的过量摄入。

        燃煤发电厂(CFPP)是HM排放的主要来源之一，2005-2010年，中国CFPP产生的大气As、Se、Pb、Cd和Cr排放量更是达到17.2kt，大约是欧洲2000年总排放量的三倍。然而随着城市化和工业化的迅速发展，对CFPP产能需求也大幅提高，导致煤炭消费量逐渐增加。

       中国在“十二五”(2011-2015)和“十三五”(2016-2020)规划期间发布了一系列政策来全面防控HM排放。然而，现有的CFPP减排措施主要针对传统的空气污染物(即NOx、SO₂和PM)和碳排放，除了汞以外，几乎没有专门针对CFPP的HM排放设计的措施。因此，目前HM排放的缓解主要是由于针对传统空气污染和碳排放的政策的共同好处。例如，空气污染控制设备（APCD）的安装，关闭小型和密集型装置电厂。

       此外，2017年批准水俣公约后，控制HM排放是中国面临的环境挑战。然而，目前的环境政策仍然侧重于减少碳排放和控制PM、NOx和臭氧造成的空气污染。为了实现双碳目标承诺，中国将实施更严格的政策，控制碳排放和传统大气污染物，这势必会影响HM的排放轨迹。然而，目前学界对HM未来的减排路径忽视了最新政策的整合，以及当前CFPP在洗煤率、APCD和燃烧技术方面的差异。

       据此，本研究通过整合电厂级别的信息和能源活动数据，评估了中国清洁空气和低碳政策在HM减排方面的协同效益。研究首先编制2005-2020年中国CFPP12种HM的时间序列排放清单。然后，考虑到APCD升级、洗煤率、运行时间和使用寿命等因素，对未来HM排放的不同减排途径进行预测和评估。

材料方法

（1）2005~2020年大气重金属历史排放清单：

（2）情景设置：基于清洁空气(APCD升级和洗煤率)和碳减排政策(年度运行小时数和CFPP寿命)四个因素的变化组合设置了未来HM的36个减排情景。

（3）数据来源

研究结果

（1）2005-2020年HM历史排放清单

   ① 2005-2020年HM总排放量和排放强度

       大气HM排放量从2005年的12869.8吨迅速减少到2020年的8801.0吨(图1)。然而，近90%的减排发生在2005-2010年间，此后减排速度明显放缓，因为APCDS的进一步更新，如脱硝设备的广泛应用，对除汞以外的HM减排的贡献有限。从装机容量来看，由于2005年至2020年装机容量的增加，大型CFPP(容量大于或等于1200兆瓦)的总排放量几乎增加两倍(从1659.5吨增加到5446.3吨)，并在2020年成为最大的排放国。然而，小型CFPP(容量小于300兆瓦)HM排放总量从6377.9吨大幅下降到577.5吨，完全抵消了大型CFPP增加的排放。

Figure 1 The total HM emissions from 2005 to 2020 classified by (a) the capacity sizes of CFPPs and (b) the types of HM.

② 各省HM排放量和排放强度

       各省之间存在着巨大的差异，如图2所示。具体地说，这几年，前五个省级排放国总共贡献了大约40%的总排放量，而最后五个省的排放量只占不到2%。此外，随着西部大开发和西电东送战略的实施，较大的省级排放者已从中国传统的工业为主、经济密集型地区或人口稠密的经济中心，分别转移到煤炭储量丰富的地区，如内蒙古、山西和陕西，因为这些省份已经建设了几个大型能源建设项目。然而，由于西北地区的装机容量相对较小，HM的排放量仍然处于较低水平。排放强度高的地区通常消费甘肃或陕西的煤炭，那里的煤炭生产是HM密集型的。此外，排放强度下降的主要贡献者从2005年的HM排放量减少转变为2020年的发电量增加。

Figure 2 Provincial HM emissions and emission intensity from CFPPs in China in (a) 2005, (b) 2010, (c) 2014, (d) 2018 and (f) 2020. 

图3描绘了对中国人体健康影响最大的五种HM排放(汞、镉、砷、铬和铅)的省级排放演变情况。汞、镉、砷、铬、铅排放总量分别下降11.7%、71.2%、47.4%、73.2%、62.1%。五个HMS的省级排放量在空间上差异很大，并且差异逐渐扩大。如除汞(12.4%)外，山东上述HM排放量所占比例较大，均在20%以上。各省的Cr、Pb排放量均有所下降，特别是北京、四川和云南。

Figure 3 Provincial emission evolutions of Hg, Cd, As, Cr and Pb in 2005, 2010, 2014, 2018 and 2020.

③ 电厂级别HM排放

       我国CFPP分布不均，主要分布在人口稠密地区。此外，从2005年到2020年，主要厂级CFPP排放主体从小型CFPP向大规模CFPP转变。2005年有6个燃煤电厂的排放量超过100吨，占总量的7%，尽管它们只占全国装机容量的0.4%。具体地说，位于山东莱芜的莱芜发电厂是2005年最大的单个排放源(205.13吨)，因为它的装机容量很大(405兆瓦)，而且没有管端装置。从2005年到2014年，主要是由于除尘设备的广泛应用，能够消除中国CFPP中33%−99%的HM排放，大部分CFPP的排放量突然下降。与2005年高排放的CFPP不同，2020年高排放的CFPP一般都配备了脱硫除尘装置，但容量大，耗煤量大。

Figure 4 Plant-level HM emissions of large-scale CFPPs (in green), medium-scale CFPPs (in blue), and small-scale CFPPs (in yellow) during 2005–2020. 

（2）清洁空气和低碳政策对HM减排的共同效益

① HM排放的国家演变

       如图5e所示，36种情况下的HM排放总量各不相同。与CFPP寿命更长的情况(30年或40年)相比，将所有CFPP的寿命减少到20年将大大减少未来潜在的HM排放。主要情景下的年排放量如图5(F)-(H)所示。“5%−1.5-20”情景下的HM排放量自2021年以来急剧减少，因为超过17千兆瓦的CFPP是在2000年之前建造的，然后将于2021年退役，导致HM排放量减少2072.5吨。此外，当基准寿命为40年时，2030-2040年期间，其中三种情景，即“5%−0-40”、“0-1.5-40”和“0-2-40”的年排放量都超过了“0-0-30”情景下的排放量，尽管它们的总排放量相似。这表明提高洗煤率可以替代降低循环流化床锅炉的运行时间或寿命。

Figure 5  (a) The current state and that of previous years of China’s existing units until 2020 and the annual installed capacity in the future with lifetimes of (b) 20 years, (c) 30 years and (d) 40 years; (e) the total HM emissions from CFPPs under 36 scenarios (the first number is the annual increasing rate of the coal washing rate, the second one is the change in the annual operational hours, and the third number is the assumed lifetime). These results are ordered by their lifetimes; for example, “0–0–20” means no change in the coal washing rate and annual operational hours, and the lifetimes of all the CFPPs are set as 20 years. The dark blue columns represent the total HM emissions under the HECTs scenarios); the trajectories of HM emissions under different scenarios with lifetimes of (f) 20 years, (g) 30 years and (h) 40 years and the trajectories of HM emissions under the HECTs scenarios are shown in Figure S12 in SI. 

② 省市和电厂HM排放的演变轨迹

       在许多省份，如内蒙古、江苏和河南的燃煤机组使用年限较短，因此对HM排放产生了长期减排的影响。例如，在陕西，在“没有政策”的情况下，每年的HM排放量开始明显减少，大约在2050年，因为陕西的大多数机组都是在2010年后建造的(图6e)。在其他HM排放量较高的省份，如内蒙古、山西和江苏，在“没有政策”的情况下，大约2045年会出现急剧下降。与上述省份相比，广东、河南和河北的年排放量由于电厂建设的逐步发展而下降。

       此外，各省的减排路径也不平等。各情景下，HM排放量较少的省级地区的减排潜力有限。例如，新疆在10种情景下的HM排放总量从“无政策”情景下的2664.2吨到政策最严格的“5%−1.5-20”情景下的568.7吨不等。然而，对于HM排放量较高的省份，减排潜力将有所不同，特别是对十大省级排放国而言。例如，如果山东实行“最严格的政策”，HM排放总量将只有2862.6吨，其中53.1%将发生在前两年。除山东外，30个省份中都需采取一项措施就能满足“hECTs-2025”情景下HM减排目标的要求。

Figure 6 Future HM emissions from CFPPs under the major scenarios in the top 10 provincial regions and the province with the smallest emissions (the small histograms are the total HM emissions of the major 7 scenarios). 

讨论与建议

       中国的清洁空气和低碳政策可以为CFPP中的HM减排带来相当大的协同效益，因为在2005-2020年间，尽管燃煤装机容量几乎增加了两倍(从370千兆瓦增加到1080千兆瓦)，中国的清洁空气和低碳排放仍减少了30%以上。考虑到近90%的排放强度降低发生在2005-2014年期间，这些现有措施对HM减少的协同效益减弱。

       目前，一些CFPP仍然缺乏有效的HM控制APCD设施。因此，APCD的进一步升级是必要的，包括建设专门的HM减排控制装置，特别是对于陕西、内蒙古和河南新建的剩余寿命较长的CFPP。此外，未来CFPP中的HM减排也可以依赖于中国清洁空气和低碳政策的共同好处。

       缩短寿命比减少运行时间和提高洗煤率更有效，因为在寿命为20年的情况下，到2025年，现有CFPP将有近70%退役。因此，可以将关闭效率低下的小机组作为减排战略的优先事项。然而，考虑到丰富的国内煤炭资源、不断增长的能源需求和复杂的财务损失，在中国，不可能在全国范围内加速提前退休或将所有机组的寿命降低到20年。减少工作时间和使用寿命都是减少HM排放的有效方法。然而，在可再生能源可获得性、潜在资产搁置和社会影响(例如就业和住宅供暖)方面存在显著异质性的不同地区，如何选择这两项措施需要仔细考虑。

结论

       中国各省和各CFPP之间在排放方面存在着较大的差距，排放源已从以工业为主或经济密集型地区转移到煤炭储量丰富的地区。在36种预测减排情景中，将运行年限降低到20年是最有效的HM减排措施，特别是对于山东、内蒙古和河北的小而老的CFPP。此外，提高洗煤率可以替代减少CFPP的使用寿命或运行时间。因此，要尽快关闭技术效率低、先进程度不高的老旧小机组，特别是山东和西南地区，逐步提高洗煤率可以在不影响燃煤发电的情况下降低HM。

作者简介：

      李佳硕

北京大学博士，山东大学威海前沿交叉科学研究院研究员，博士生导师，山东省泰山“青年专家”，山东省优秀青年基金获得者，全球华人产业生态学会理事。研究领域为可持续发展分析，具体包括：污染物与温室气体系统核算与控制策略、能源与环境系统模拟和能源转型评估等。近五年来在Nature子刊和Cell子刊等国内外权威期刊发表论文50余篇，第一/通讯作者论文40余篇（Google Scholar总被引用次数为3000余次，H因子33），有10篇论文进入ESI热点或高被引论文检索。相关成果被Nature、Nature Geoscience和Nature Geoscience等国内外权威期刊、报告正面评价和引用。主持或作为合作单位负责人主持纵向项目5项，包括国家自然科学基金3项（面上、青年和国际合作）和国家社科重大项目子课题1项。入选斯坦福大学发布全球前2%顶尖科学家榜单，荣获山东省高等学校优秀科研成果一等奖等荣誉。撰写资政报告被山东省委书记批示或被新华社等机构采纳应用。担任国际期刊Cleaner Production Letters副主编。

编辑：潘羽杰

排版：潘羽杰

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