文献阅读 | 中国能源端大气污染物和二氧化碳的厂级排放及协同控制

题目

Facility-Level Emissions and Synergistic Control of Energy-Related Air Pollutants and Carbon Dioxide in China

作者

Qingru Wu, Licong Han, Shengyue Li, Shuxiao Wang,* Yan Cong, Kaiyun Liu, Yu Lei, Haotian Zheng, Guoliang Li, Bofeng Cai,* and Jiming Hao

期刊

Environmental Science & Technology 

时间

2023年3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

https://doi.org/10.1021/acs.est.2c07704 

摘要

锅炉占中国一次能源消耗的60%，排放的空气污染物比其他任何基础设施都要多。研究融合多种数据源，联合使用各种技术手段，建立了考虑中国18.5万多台锅炉的全国性、厂级排放数据集。结果发现，燃煤电厂的锅炉在SO₂、NO_x、PM和汞方面并不是排放最密集的锅炉，但排放的CO₂最高。然而，被视为零碳技术的生物质和城市垃圾燃烧排放了很大一部分SO₂、NO_x和PM。未来生物质或城市垃圾在燃煤电厂锅炉中的掺烧可以充分利用零碳燃料的优势和燃煤电厂的污染控制装置。确定中国煤矿基地的小型锅炉、循环流化床锅炉中型锅炉和大型锅炉为主要高排放源。未来关注高排放者控制可以大幅减少SO₂排放66%，NO_x排放49%，PM排放90%，汞排放51%，CO2碳排放最多减少46%。研究为其他希望减少与能源相关的排放以及由此对人类、生态系统和气候产生的相关影响的国家提供了启示。

引言

在过去的几十年里，化石燃料燃烧的空前扩张导致了与能源相关的多种空气污染物和CO₂排放的激增，而锅炉是为经济活动和人类生活提供电力和热量的重要基础设施。它们涉及中国约60%的一次能源消耗，占2010−2017年二氧化硫(SO₂)排放量的65%、氮氧化物(NO_x)排放量的30%、颗粒物(PM)排放量的14−17%、汞(Hg)排放量的28−37%、二氧化碳(CO₂)排放量的和50−63%。这严重影响着空气质量、人类健康和气候变化，同时区域大气汞排放可以向全球输送，威胁全球生态安全和人类健康。因此，锅炉对人类、生态系统和气候的影响超过了工业部门的任何其他基础设施。

中国有几十万台锅炉，按能量输出类型可分为电站锅炉和工业锅炉。发电厂锅炉一般涉及电力(和热量)生产，而工业锅炉则提供热量。尽管发电厂锅炉的排放清单在过去几十年中得到了改善，工业锅炉报告的排放系数的巨大差异表明了很大的潜在不确定性。引入工业锅炉排放不确定性的其他关键因素(例如，燃料消耗)很少被研究。快速的能源转换和技术变化使得基于历史数据外推或假设的排放估计的不确定性更大。当电厂锅炉不在并网运行模式下运行时，电厂锅炉的排放仍然被部分错误地归类为工业锅炉的排放。这种错误的分类不仅导致排放的不确定性，而且还加剧了大气传输模型的模拟误差，因为电厂锅炉和工业锅炉的排放高度不同锅炉导致污染物的环境行为模式不一致。

除了制定大气污染控制和碳中和战略外，准确的锅炉排放清单是确定其对生态系统、人类和气候影响的前提。研究开发了2017年主要来自化石燃料、生物质和垃圾锅炉的空气污染物(包括SO₂、NO_x、PM和Hg)和CO₂的排放数据集。在第一手工业调查和多个数据源的基础上构建数据库，国家锅炉排放数据集(NBED)。根据设施特定的参数和基于技术的排放因子模型估计每个锅炉的排放量，并根据可用的测量方法验证排放。研究首次阐明了中国锅炉的燃料消耗、规模分布、应用技术和设施水平的排放，这突出了控制空气污染和满足《巴黎协定》和《水俣公约》目标的最佳可行路径。

研究结果

不同锅炉的燃料消耗和排放

中国(图1a)确定了大约185,000个活跃的锅炉，总共燃烧了22.1亿吨煤当量的燃料，包括77%的煤、11%的天然气、3%的生物质、1%的石油、1%的煤矸石、1%的城市垃圾和6%的其他燃料。NBED明确列出了电厂锅炉和工业锅炉的燃料消耗量(图1b)。除了向第三方提供电力(或热量)的6200多个公共发电厂锅炉外，还确定了大约3900个自备电厂锅炉，以提供全部或部分能源供自己使用。由于工业锅炉改为热电联产电厂锅炉和淘汰小型工业锅炉，2017年工业锅炉燃耗达到4.8亿TCE，而工业锅炉仅为2.8亿TCE。工业锅炉的生物质消耗约占工业锅炉总燃料消耗的11%。锅炉的高能耗导致了2.2Mt的SO₂、2.3Mt的NO_x、1.1Mt PM、103t的Hg和5272Mt CO₂的排放。然而，该研究对相应排放量的估计分别高出38%、11%和171%，因为这项研究同时包括了自备和公共发电厂锅炉(图1c)。此外，自备电厂的空气污染物平均排放强度高于公共电厂锅炉。例如，燃煤自备电厂的SO₂、NO_x和PM排放强度分别高出25%、22%和28%。

Figure 1 锅炉分布、燃料消耗和排放

不同燃料类型锅炉的空气污染物和二氧化碳排放浓度

结果表明，燃煤仍然是2017年来自锅炉的空气污染物和二氧化碳排放量最高的原因。此外，很大一部分空气污染物是由某些类型的非燃煤锅炉排放的，这些锅炉在总燃料消耗中所占的比例很小，不成比例。

由于中国全市的现役锅炉缺乏碳捕获和碳储存系统，燃煤锅炉的二氧化碳排放浓度明显更高。燃煤锅炉的大气汞排放通常引起更多关注(图2c，d)，因为煤中的汞含量比生物质、天然气和石油中的汞含量高几个数量级。然而，燃煤煤矸石锅炉排放的汞总体浓度明显高于燃煤锅炉排放的汞浓度。燃煤电厂锅炉大气汞浓度中位数仅为3.80 μg/Nm³，燃煤煤矸石电厂锅炉大气汞浓度中位数可达20.5 μg/Nm³。因此，燃煤煤矸石锅炉的汞排放应该引起人们的关注。

来自不同燃料类型的锅炉产生的SO₂、NO_x和PM的排放状况是复杂的(图2c−e)。在发电厂，燃煤电厂不再是SO₂、NO_x和PM排放最密集的锅炉，因为APCD组合的渗透率很高。燃煤电厂锅炉脱硫系统、脱氮系统、除尘器的应用比例分别达到99.7%、97.8%、99.9%。来自生物质和煤矸石发电厂锅炉排放的二氧化硫、来自天然气和生物质发电厂锅炉的NOx以及来自城市垃圾和生物质发电厂锅炉的PM的排放浓度显著高于来自燃煤电厂锅炉的排放浓度(如图2c−e中的三星所示)。我们意外地观察到，生物质电站锅炉排放的SO₂、NO_x和PM的浓度都显著高于燃煤电厂锅炉的排放浓度，这主要是由于生物质锅炉的APCD组合较差所致。例如，在大约17%(数量)的生物质发电厂锅炉中，没有安装高效除尘器，如织物过滤器和静电除尘器。此外，大约6%(数量)的生物质发电厂锅炉实际上是混烧煤的。城市垃圾锅炉也出现了类似的情况，16%(数量)的锅炉实际上掺烧了煤，最高的掺煤比例达到22%。燃煤工业锅炉的SO₂、NO_x和PM排放浓度(图2f−j)远高于一般燃煤电厂锅炉的相应数值。这主要是由于安装了较差APCD组合的工业锅炉的额定热输入(RTI)总体较小。目前有必要综合考虑电厂和工业锅炉的治理。对于工业锅炉消耗的其他燃料，燃用煤矸石的工业锅炉是二氧化碳和汞的重要排放者，而燃烧生物质的工业锅炉的PM排放浓度总体上显著高于其他工业锅炉。

Figure 2  不同燃料类型的锅炉排放的二氧化碳和空气污染物浓度图

实现多污染物与二氧化碳协同控制

根据中国的能源发展战略，煤炭在未来几十年仍将是主要能源，尽管其在各种能源中的消费比例将进一步下降。因此，要进一步加强燃煤锅炉的排放管理。排放限额是中国治理大气污染的主要管理措施。

对于RTI<7 MW的燃煤锅炉，由于端管污染控制的挑战，淘汰或更换一直是主要措施，这在过去十年被证明是有效的。但是，在用其他燃料锅炉取代燃煤锅炉时，也要通过完善相应的排放标准和加强环境监管，控制生物质、城市垃圾、天然气、煤矸石锅炉和燃煤工业锅炉的大气污染物。因此，建议对天然气锅炉进行适当的排放限制，以促进其超低排放。未来的控制还应加强监督，以避免污染转移到低要求的锅炉，如生物质和城市垃圾发电厂锅炉中的煤混烧。此外，与其安装新的生物质或城市垃圾锅炉，建议在燃煤电厂的锅炉中混合生物质或城市垃圾。因此，我们可以减少燃煤锅炉的碳投入，也可以有效地优化现有污染控制设施的作用，实现−双赢，同时控制燃煤锅炉的空气污染物和二氧化碳。 对于≥为300 MW的锅炉(大型锅炉)，建议遵循SO₂、NO_x和PM的超低排放限值，无论能源产量和燃料类型；燃煤锅炉的二氧化碳排放限值为0.2 kg/Nm³，与当前排放的中值几乎一致；燃煤和煤气化锅炉的汞排放限值分别为5和30 μg/Nm³。建议RTI值为(45.5, 300)MW和(7, 45.5)MW的锅炉在SO₂、NO_x和PM方面分别遵循超低排放限值和大气污染物排放标准。二氧化碳和汞的排放限值建议分别为0.25 kg/Nm³和30 μg/Nm³。实施上述措施后，中国锅炉的SO₂、NO_x、PM、Hg和CO₂排放总量分别可减少50%、27%、84%、29%和3%(图3b)。

尽管锅炉燃料更换迅速，但电厂锅炉和工业锅炉的煤耗仍分别占总燃料消耗的80%和58%左右。因此，即使采取了包括优化燃料利用和改善煤炭质量在内的措施，二氧化碳排放控制仍然是一个挑战。为了未来减少能源相关来源的二氧化碳排放，未来应该应用碳捕获和储存系统以及清洁能源替代。如果在燃煤锅炉中应用碳捕获和封存系统，只能进一步减少约8%的二氧化碳。然而，如果我们假设所有高二氧化碳排放的锅炉都被清洁能源(例如太阳能、风能、地热能)取代，可以预期额外增加减少35%的CO₂排放，同时脱除SO₂、NO_x、PM和Hg16%、22%、6%和25%。最后，预计未来专注于高排放者控制，在结合空气污染物和二氧化碳控制措施时，可以大幅减少66%SO₂排放，49%NOx排放，90%PM排放，51%汞排放，CO₂排放最多减少46%。因此，当前迫切需要发展清洁能源，探索能源转换途径，这也将有助于大气污染物的减排。未来，将采用NBED来制定碳中和战略。此外，NBED包括锅炉水平的燃料消耗、能源输出和排放数据，这些数据也可以用于评估锅炉对生态系统、人类和气候的影响。

Figure 3 高排放源头控制

结论

研究以中国市区18.5万余台现役锅炉为研究对象，融合多种数据源，综合运用多种技术手段，建立了全国性、设施级排放数据集。SO₂、NOx和PM的脱除效率是根据设施特定的监测数据计算的，脱除效率通常是根据APCD类型进行分配。

基于NBED的数据集，发现燃煤锅炉产生的CO₂排放浓度中值达到0.21 kg/Nm³显著高于其他类型锅炉的观测值。然而，由于APCD组合的高渗透率，燃煤电厂不再是SO₂、NO_x、PM和汞排放最密集的锅炉。相反，生物质和城市垃圾锅炉的SO₂、NO_x和PM排放，以及燃煤煤粉锅炉的汞排放应该引起关注。未来生物质或城市垃圾在燃煤电厂锅炉中的掺烧可以充分利用零碳燃料的优势和燃煤电厂的APCDS。确定中国煤矿基地的小型锅炉、循环流化床锅炉中型锅炉和大型锅炉为主要高排放源。未来关注高排放者控制可以大幅减少SO₂排放66%，NOx排放49%，PM排放90%，Hg排放51%，CO₂排放最多减少46%。

研究为中国的锅炉空气污染和二氧化碳排放的精确控制提供了基本信息，并为其他希望减少与能源相关的排放以及由此对人类、生态系统和气候造成的影响的国家提供了启示。该排放清单在模型界的应用将有助于提高模拟精度。目前，鉴于基础数据的获取是一项具有挑战性的任务，NBED仅适用于2017年。数据库将在未来通过跟踪相应行业的发展和相关控制措施来更新和完善。

编辑：潘羽杰

排版：潘羽杰

相关阅读

点击“阅读原文”浏览小组主页