文献阅读 | 以排放限制为导向的燃煤电厂大气汞排放控制战略

题目

Emission-Limit-Oriented Strategy To Control Atmospheric Mercury Emissions in Coal-Fired Power Plants toward the Implementation of the Minamata Convention

作者

Qingru Wu; Shuxiao Wang; Kaiyun Liu; Guoliang Li; and Jiming Hao

期刊

Environmental Science & Technology 

时间

2018年9月

一作

单位

State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

链接

 DOI: 10.1021/acs.est.8b02250

摘要

       排放限额是大多数国家控制污染的一个重要指标。然而，在实施过程中，合理的极值和相应的支持技术路径确定一直是重要的挑战。研究制定了以排放限额为导向的战略，通过技术途径将排放限额与减排量联系起来，以控制我国燃煤电厂的汞排放。结果表明，收紧排放限额并不总是保证汞含量的减少，特别是在经济增长期间煤炭消费持续增长的情况下。综合考虑不同技术路径的可行性，建议2025年执行5 μg/m-3的排放限值。在这一限值的指导下，以多污染物控制措施为主，2015年~2025年期间汞的减排量将达到63吨。在2025年−2030年期间，将同时采用替代能源措施和具体的汞去除措施，以期在2030年达到1μg/立方米的排放限制。本研究开发的评估方法可用于在其他国家或行业制定以排放限制为导向的控制战略，这将有助于《关于汞的水俣公约》的实现。

引言

       由于汞在环境中的毒性、持久性、长距离迁移和生物积累，人为汞(Hg)排放已危及全球生态系统和人类健康。因此，减少大气汞排放一直是《关于汞的水俣公约》强制性目标。燃煤电厂是最大的大气汞排放源，已被列为重点控制目标之一。

      为有效控制全球大气汞排放，《水俣公约》建议采取五项措施，包括：(1)设定量化目标；(2)建立多种污染物控制措施；(3)采取替代措施；(4)利用现有的最佳技术和最佳环境做法；(5)确定排放限额。该方法便于对排污工作的监督检查。但如何确定排放限值一直是个问题。宽松的排放限制可能会导致污染控制不力。相反，政府和工厂都将承受沉重的财政负担或缺乏可行的技术途径。此外，实现排放限值的相应配套措施也是确保污染治理成功的有机组成部分。

       为了有效控制大气汞排放，研究制定了以排放限额为导向的战略，将排放限额与汞减排量直接联系起来，并以技术路径和替代措施为支撑。将该方法应用于我国燃煤电厂大气汞排放的控制。该方法包括以下步骤。首先，通过比较国际标准以及利用监测数据和模拟结果，对中国现有的燃煤电厂汞排放限值(30μg/m-3)进行了评估，并确定了未来的燃煤电厂方案。然后根据技术路径中各大气污染控制装置(APCD)组合对汞的去除效率，选择相应的排放限值技术路径。最后，不同条件下CFPP未来汞排放制定排放限制情景，以确定汞缓解潜力并确定最有效的限制。通过这种方法，可以在不同限制情景下观察到未来的排放量和导致排放的技术路径/替代措施。因此，政策制定者可以通过确定合理有效的排放限制来减少排放。

材料方法

（1）制定排放限值的技术途径：通过下列方程建立了APCD组合的除汞效率与最终排放汞浓度之间的关系。

（2）汞排放量的估算：

   (3)  不确定性分析

结果与讨论

（1）对现行汞排放限值的评价

       图1a显示了2010年后在中国进行测试的56个CFPP的大气汞排放浓度。中国CFPP的平均汞排放浓度为3.3μg/m-3(0.1~12.8μg/m-3)。大约75%的测试CFPP可达到5μg/m-3的排放限值，34%CFPP中汞的排放浓度低于1μg/m-3。这些CFPP中汞的总排放浓度远低于我国目前CFPP的排放限值30μg/m-3。从全国范围来看，根据公式2计算了中国CFPP废气中模拟汞浓度的分布，结果如图1b所示。模拟的汞浓度服从对数正态分布，具有“长尾”的特征，最大值偏离中值较远。因此，为了避免排放限值不合理地过于严格，我们用P95代替最大值来确定汞的排放限值。相应地，将最小值替换为P5值。P5和P95表示实际结果不超过从曲线读取的相应值的5%和95%的概率。因此，当不使用APCDS时，废气中排放的汞浓度将在2−68μg/m-3(P5−P95)的范围内(曲线ρNO)。在这种情况下，当煤炭中的汞含量高于25 mg/kg时，排放的汞浓度有可能超过现行的排放限值。要使P95从68降至30μg/m-3(曲线ρ30)，APCDS的最大除汞效率应不低于56%。实际上，2014年度电厂安装的APCDS的平均汞去除效率已达到73%，因此，我们假设中国CFPP中现有的APCDS可以达到30μg/m~3的排放上限。然而，中国现有的CFPP排放限额远远高于加拿大和美国，因此，中国目前的CFPP排放限制可以修改，以更好地控制污染。

Figure 1 Evaluation of existing Hg emission limit in China. (a) Tested Hg concentrations. (b) The distribution of simulated Hg concentrations.

（2） 排放限值的技术途径

       研究综合考虑废气中汞的浓度和国际标准，将中国未来汞排放限值设定为三个水平。即分别为15、5和1μg/m~3。要达到这些限制，将需要相应的技术路径。我们将汞的去除效率作为工艺选择的标准。根据公式3，由于煤中汞浓度的不同，APCDS的汞去除效率将符合最小极值分布特征(图2)。汞的相应P95值在排放限值为15、5和1μg/m-3时，技术路径的去除效率分别为69.2%、92.7%和98.5%。因此，每条技术路径中至少有一种类型的APCD组合应达到P95值。但对汞去除的更高要求可能意味着更高的成本。因此认为，在每条技术路线中，能够达到除汞效率P95值的APCD组合是最优技术路线。

       然后根据未来技术发展趋势，进一步确定各种APCD组合在每条技术路线中的应用比例。总体而言，2015年针对其他污染物的APCD组合协同去除了中国CFPP总汞输入的75%，甚至高于汞去除效率的P95值，达到15μg/m-3的排放上限。因此，我们建议在2025年和2030年采取与2015年类似的技术路线。在TP5方案下，“超低排放”将在2015年−2020年期间全面实施，该方案要求规模不低于300兆瓦的公共CFPP(非小型CFPP)和自有CFPP(不包括W型火焰锅炉和循环流化床锅炉)的PM2.5、SO2和NOx的排放浓度分别不超过10、35和50毫克/立方米。循环流化床锅炉对电除尘器“超低排放”的要求，将推动湿法电除尘器(WESP)、电除尘器和低温电除尘器(−-FF)在2015-2020年间在循环床锅炉上的应用。最近，一系列旨在改善空气质量的法规文件也推动了地方政府采取排放控制措施，特别是在北京−天津−河北地区和周边城市(称“2+26城市”)、长三角、珠三角等，因此，我们假设这些重点地区的CFPP将在2020年前全面安装这些多污染物控制技术。在其他地区，2020年前，多污染物控制技术改造将在非小规模CFPP中进行，小规模CFPP将在2025年前跟进。2030年，中国所有CFPP都将应用多污染物控制技术。TP1情景将加快多污染物控制技术的实施。在2025年之前，我们假设特定的汞去除(SMR)措施将在一些大型CFPP中进行评估和示范，而SMR措施将在2030年在CFPP中推广。根据上述假设，每个APCD组合的份额如表1所示。

Figure 2 Simulated Hg removal efficiencies of APCD combinations.

（3）不同技术路径下的汞减排潜力

       图3展示了中国CFPP目前的汞排放量和未来的趋势以及不确定范围。条形表示排放的P50值，叠加在每个条形上的短线表示不确定范围。对中国2015年CFPP汞排放量的最佳估计约为76吨，不确定度范围为(−19%-20%)。在R能源情景下，2025/2030年TP15情景下的汞排放量将比2015年增加16%/4%。然而，在TP5和TP1方案中，2025/2030年的排放量将分别减少76%/81%和87%/96%。对于控制技术保持不变的TP15情景，汞排放会受到未来能源消耗的影响。在2015年−2025年期间，CFPP的煤炭消耗量将继续增长，在R能源情景下，2025年汞排放将增加16%。因此，如果以2015年的排放量作为基准，把排放限额由30μ克/立方米改为15μ克/立方米，其实并不能在2025年达到控制污染的目的。2030年，我们将在R能源情景下遇到类似的困境，尽管煤炭消耗量将比2025年有所下降。在A情景下，2025年和2030年汞排放量将分别减少2%和17%。对于以“超低排放”技术为主要选择的TP5情景，汞排放在所有情景下都将显著减少。2025年，在R情景下，汞的排放量将为18t，比2015年的排放量低76%。与R能源情景相比，推广替代能源措施(新能源替代)的A能源情景将进一步减少约2吨汞排放。煤炭消费量持续增长的2015年−2025年期间汞排放的巨大减排潜力，揭示了氢化物控制从传统大气污染物控制中获得的巨大好处，这也反映了中国政府在《国家大气污染防治行动计划》指导下控制大气污染物的雄心勃勃的决心。

Figure 3 Future Hg emission trends.

（4）中国碳排放权限量战略及其全球启示

       2025年RTP15和A-TP15情景的对比表明，尽管替代能源措施在A情景中得到了更大力度的推广，但除非使用强大有效的技术路径，否则这一时期煤炭需求的增加仍将导致大气汞排放的增加。通过对2025年ATP15和A-TP5的比较，采用TP5技术路线可减少大气汞排放约63.0t，表明对传统污染物的控制要求更严格将是汞减排的有效途径。尽管TP1方案可能在2025年进一步导致6.9吨汞排放，但通常需要几年时间来演示、评估和推广一项新技术。因此，在2025年之前，SMR技术在中国将很难在TP1技术路径中采用。2025年−2030年期间，随着经济发展放缓和替代能源措施的不断推广，CFPP的煤炭消耗量将会下降。这将为汞排放控制提供替代支持，在此期间贡献1.8t大气汞减排。同时，多污染物控制措施的减排潜力将几乎耗尽，仅贡献2.6t大气汞减排。如果进一步采用TP1技术路线，可减少大气汞排放约9.1t。因此，建议2025年以多污染物控制措施为主要支撑的排放限值为5μg/m-3。在2025年−2030年期间，可以进一步应用替代能源措施和SMR技术，以实现2030年1μg/立方米的排放限制(图4)。然而，考虑到SMR的经济绩效，SMR能否在CFPP中大规模应用，还取决于国家对《水俣公约》的执行计划。

Figure 4  Emission-limit-oriented control strategy for CFPPs in China.

       随着《水俣公约》的批准，一些国家或地区已经或即将要求实行新的、更严格的排放限制。为我国CFPP制定的限排策略将为其他地区提供参考方案，但应注意到区域间相关参数的潜在差异。首先，不同地区烟道气汞检测浓度、煤炭汞含量等监测数据状况存在较大差异。因此，政策制定者可以根据各国的具体情况调整排放限额的制定程序。对于监测数据比较完整的国家，可以直接利用烟道气中的汞浓度来确定排放限值。例如，将美国现有污染源的排放极限定义为最好的12%污染源所达到的烟道气排放浓度。在瑞典，每一家工厂都将在英美烟草公司要求的环境许可中获得自己的排放限制。相反，烟道气中的汞浓度可以根据煤炭和APCDS的汞含量来估计，就像我们对中国的CFPP所做的那样。美国地质调查局提供了不同国家汞含量的初步数据，可作为计算的数据库。全球BAT/BEP指南评估了不同的APCD组合。政策制定者可以根据这些数据库来决定初步的排放限制。其次，支持制定排放限额的潜在措施将因国家而异，主要取决于具体国家的发展水平。当一个国家的经济处于上升期或快速发展期时，能源和原材料的大量消耗通常会导致多种污染物的大量排放。因此，多污染物控制措施和能源替代措施将成为主导选择。当经济发展相对稳定时，SMR将是一种选择。

编辑：潘羽杰

排版：潘羽杰

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