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火力发电与清洁能源问题
时间:2018-11-06 08:22:18

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当前环境污染问题已严重影响人民的身体健康,人民生活和生产活动中化石燃料燃烧所产生的废料是其中一项重要的污染源。从中国的能源组成来看,电力生产又不可能排除火力发电这一基本发电方式。燃油发电作为主要发电方式已被排除,生物质发电只占很少份量,火力发电的能源主要就是燃煤和燃气,燃气中最主要的是天然气。本文主要是讨论利用天然气和煤这两种化石燃料发电产生的污染和清洁排放问题。

有人把天然气归之于“清洁能源”,而煤就笼统地被认为是“非清洁能源”。本文不拟讨论天然气与煤在各种燃烧应用领域上的比较,而专注于发电领域上的情况。在此,首先从2011年发布的中国国家标准 GB 13223 – 2011《火电厂大气污染物排放标准》(以下简称“国标”)对“燃煤锅炉”和“以气体为燃料的燃气轮机组”的大气污染物排放规定,看看有关数据。

2011年国标提出了前所未有的火电厂大气污染物排放严格要求,在其表1中规定发电燃煤锅炉及燃气轮机组大气污染物排放浓度限值,其中烟尘、二氧化硫和氮氧化物三种污染物以mg/m3为单位的排放浓度限值,对天然气燃气轮机组分别为 5、35和50,而对燃煤锅炉则分别为 30、100和100。另外对重点地区的排放要求更严格,以其表2规定,对燃煤锅炉的限值缩小至20、50和100,对天然气燃气轮机组则不变。

4年之后,2015年12月1日,环境保护部、国家发展和改革委员会和国家能源局以《环发[2015]164号文》发布了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造方案》,比2011年国标更严格,要求到2020年全国所有具备改造条件的燃煤电厂以及有条件的新建燃煤发电机组实现超低排放(即在基准氧含量6%条件下,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米)。东部地区的超低排放改造要求在2017年总体完成。燃煤机组超低排放浓度的限值,除烟尘一项外,已达到国标对天然气燃气轮机组的同等要求。

国标在设定排放限值时,以其表4规定了对燃煤锅炉和燃气轮机组不同的基准氧含量(O2)/%,对燃煤锅炉是6%,对燃气轮机组是15%,并以下列的公式(1)进行不同氧含量的大气污染物排放浓度进行折算:

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无论基准或实测污染物排放浓度,都是基于排放气体中的氧含量占总排气量的百分比。这个百分比就是冲淡排气中污染物的氧气份量,同样多的污染物用较多的氧气来冲淡则测出来的污染物浓度就较低。由于计算燃煤锅炉污染物排放浓度时是用较少的氧气来冲淡,所以和燃气轮机组比较“实际”排放污染物量的多少时应折算到同样的氧含量15%,折算公式应是:

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还有一个因素:在比较火力发电不同热力循环的效率时,常常用发出单位电能(千瓦时kWh)所消耗的燃料热能(千焦耳kJ),即热耗率[kJ/(kW·h)]来表示。在比较不同热力循环对大气的污染物排放时,也应当考虑到各自发出单位电能所产生的排气量[m3/(kW·h)]。对天然气燃气轮机联合循环机组与燃煤机组进行大气污染物排放比较时可以取两者各自较先进设备发出单位电能所产生的排气量来比较。目前已大量投入运行的先进天然气联合循环机组此数值大致上在4m3/(kW·h)左右;而先进燃煤发电机组其值在3m3/(kW·h)左右,但不同机组的数值相对分散一些(煤质不同有一定影响),在作折算和比较时,对燃煤机组取比较保守的3.5m3/(kW·h)。

天然气燃气轮机联合循环机组与燃煤机组在同等基础上比较时,实际达到的大气污染物排放限值折算结果见以下表1和表2。

表1 大气污染物排放浓度折算限值比较

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表2 大气污染物实际排放量折算限值比较

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此处表2的污染物“实际”排放量是指产生相同单位发电量1kWh时,天然气联合循环机组和超低排放燃煤机组各自对大气的污染物“实际”排放量限值。折算到同等排气氧含量15%时,根据近似计算,燃煤机组按单位mg/(kW•h) 的烟尘、二氧化硫和氮氧化物的排放量限值分别是14、49和70,均低于天然气燃气轮机联合循环机组相应的20、140和200。

一个企业对环境的污染包括排放对人体有害的三废—废气、废水、废渣,现代社会对三废的排放都有十分严格的要求。对火力发电厂来说,除了废气之外,无论天然气燃气轮机电厂还是燃煤电厂,废水都是要经过无害化处理后达到规定限值才允许对外排放的。废渣就天然气燃气轮机电厂而言基本上没有,而燃煤电厂现已普遍通过灰渣综合利用变废为宝,废渣问题也处理掉了。因此,客观地说,对电力能源进行环境分析评价时,针对符合国标《火电厂大气污染物排放标准》和“燃煤电厂超低排放”要求的火力发电厂,如果说天然气燃气轮机电厂属于“清洁能源”,则燃煤电厂也属于“清洁能源”。

这里说燃煤属于清洁能源是限于采取了严格清除污染物措施的燃煤发电。一般家居或小型工商业用户燃烧煤炭时难以达到那样严格的污染物排放限值,这种应用条件下作为清洁能源还是应当采用天然气。例如现在对北方农村冬季采暖要求尽可能“以气代煤”或“以电代煤”,后者事实上还包括部分以“电煤”代替不清洁的“家居燃煤”。

就电力生产而言,天然气燃气轮机及其联合循环机组相对于燃煤机组有其优越的方面,例如快速启停和负荷灵活性包括调峰等是明显优于燃煤机组,但是要在中国这样自然资源多煤、缺油、少气的大国大量采用就存在经济性和可行性的问题。以广东省为例,脱硫、脱硝、除尘燃煤发电机组上网电价每千瓦时0.453元,而燃气轮机组上网电价为每千瓦时0.715元,后者比前者高了58%,反映出发电成本很大的差异。像某些富于天然气资源的国家那样燃气轮机组长期带基本负荷在中国是不可行的。中国工程院院士倪维斗近期一次讲演中引用了两张图,(参见:倪维斗:燃煤发电与智能电厂的构想及建议【注】),预计到2050年,全国一次能源消费中煤炭仍占近40%,电力装机容量煤电仍占30%(发电量的百分比则应更多),而天然气占一次能源10%,其电力装机容量少于10%。显然在可见的将来在中国燃煤发电仍是必不可少的电力组成部分。【注:http://news.bjx.com.cn/html/20180510/896890.shtml】

天然气发电的排气中,二氧化碳含量显著少于燃煤发电,这是两种燃料化学成分不同使然。火电厂废气排放中的二氧化碳“不是”属于“对人体有害的三废”,不属于环保问题。尽管大气二氧化碳浓度对全球气候暖化到底有多大影响,科学界事实上还没有完全的共识;也尽管一百多年来大气中所增加的二氧化碳绝大部分都是西方发达国家在其工业化过程中产生的,中国和其它发展中国家仍然愿意承担平等以及共同但有区别地减少二氧化碳排放的责任,于2016年4月22日175个国家一起签署《巴黎气候变化协定》(2017年6月1日美国总统特朗普宣布退出)。中国政府一直承担起所承诺的国际责任,全面采取节能和改造等各种措施减少二氧化碳排放,卓有成效,但近期绝不可能采用大量减少燃煤发电的做法。反之,继续通过节能改造和建设效率更高的燃煤发电机组,也将对减少二氧化碳排放起积极作用。

近年来国内外有的人不断妖魔化中国的燃煤电厂,认为是十恶不赦的污染之源,是雾霾的罪魁祸首,对此种指责必须予以坚决驳斥和回击。而对不明真相人云亦云的人们,应向他们讲清道理,说明事实真相,凝聚力量共同创造清洁美丽宜居的环境。


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