燃煤电厂污染减排成本有效性分析及超低排放政策讨论

赵东阳，靳雅娜，张世秋（北京大学环境科学与工程学院，环境与经济研究所，北京 100871）

燃煤电厂污染减排成本有效性分析及超低排放政策讨论

赵东阳，靳雅娜，张世秋*（北京大学环境科学与工程学院，环境与经济研究所，北京 100871）

中国的空气污染与以煤为主的能源结构关系密切.燃煤电厂是中国煤炭消费量最大且大气污染物排放量最大的部门，因此，也必然成为污染物排放控制的主要对象.针对最近公布的电厂超低排放政策，本文采用成本有效性评估方法对燃煤电厂污染物减排进行了分析，研究结果表明：全面进行超低排放改造以实现污染物减排的成本高昂，其中，燃煤电厂超低排放改造的脱硫、脱硝、除尘的单位减排成本分别为：4.46万元/t，2.35万元/t，0.43万元/t.现有燃煤电厂实施超低排放的行业成本较高；鉴于其他燃煤部门技术水平相对落后、排放标准宽松，现阶段是否首先针对燃煤电厂全面实施超低排放改造需要更为全面的环境经济评估.基于本文的分析，以度电成本为衡量指标将会误导超低排放改造的减排路径选择.研究结论表明：燃煤电厂行业最低成本超低排放改造，应从规模较小、煤质水平较差的机组开始.

燃煤电厂；超低排放；大气污染控制；成本有效性分析

中国是全世界耗煤量最大的国家，占全球煤炭消费总量的 50.3%［1］，以煤为主的能源结构是中国大气污染的主因，并因空气质量恶化对社会经济特别是人体健康产生了重要的影响［2-3］.据估算，中国因煤炭使用对空气 PM2.5年均浓度的贡献约在51%～61%之间［4］.煤炭燃烧过程中的环境成本大约为166元/t［5］，由此带来的年均经济损失高达 6000亿元人民币，约占国民总收入的1.1%.

中国能源结构以煤为主，占一次能源消费的60%以上，即便在实施燃煤总量控制的条件下，这一比例到 2030年还将保持在 30%以上［6］，因此，在未来相当一段时间，燃煤仍将是中国能源消费的主要来源，如何高效使用煤炭并降低其对大气污染的影响，是一项长期和持续的任务.

燃煤电厂是中国最大的耗煤部门，占总体耗煤量的 50%，也是长期以来受到环境规制最为严格的部门.在节能减排等各类环境和产业政策作用下，自2011年以来，燃煤电厂二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）3种主要大气污染物的排放量以及单位煤耗的污染物排放量均持续下降［7］.同时，针对燃煤电厂的环境政策不断严格：国家环境保护部办公厅于2015年12月11日发布《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求全国所有具备改造条件的燃煤电厂在 2020年以前力争实现超低排放（即在基准氧含量6%条件下，SO2、NOx、PM排放浓度分别不高于35、50、10mg/m3）；全国有条件的新建燃煤发电机组达到超低排放水平［8］.而“十二五”期间，中国已完成煤电行业超低排放改造机组规模达8400万kW，约占煤电总装机容量的1/10，而正在进行改造的燃煤机组也已经超过8100万kW，预期中国煤电行业将建成世界上规模最大的清洁高效煤电体系［9］.

在燃煤污染严重、能源结构短期难以改变的背景下，“超低排放”政策一经提出就迅速成为各方争议的核心.一方面，从污染排放量大、可减排量大、以及存在技术可得性、中国煤电行业或将借助超低排放而实现全面清洁化.而另一方面，燃煤电厂已经是煤炭消费行业污染控制最严格的行业、现有烟气连续监测技术也难以支撑超低排放监测数据的准确性［10］，更为关键的是，自2014年7月实施的《GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准》已经达到国际领先水平［11］，在无技术进步的支持下进一步提升至超低排放标准，其污染控制的成本和效果都需要全面的环境经济评估［12］.

由于以度电成本为指标，规模较大的机组进行超低排放改造成本更低，因此，现有超低排放改造往往先从规模较大或新建的燃煤机组实施.但从燃煤污染控制的角度看，这部分机组在行业中整体技术水平相对较高，对其进行超低排放改造有可能不是行业污染控制成本最低的方案，并进而造成行业污染控制效率低下.

鉴于上述争议及目前针对超低排放改造的环境经济评估不足，本文对超低排放改造的减排效果和相应的减排成本进行估算，并结合中国当下对于燃煤电厂及其他燃煤部门的污染防治现状，就煤电行业全面实施超低排放改造可能带来的污染防治效率的影响进行分析和讨论，以期为相关的政策制定和讨论提供一个分析和研究视角.

1 研究背景、指标选择、参数设定

1.1 超低排放标准

截至2015年，中国近20%的燃煤电厂（按装机容量计算）已经完成或正在进行超低排放改造，但是具体的超低排放标准却没有明确的法律规定，甚至对“超低排放”称谓本身也存在分歧.实际应用中存在诸如近零排放、趋零排放、超净排放、超洁净排放等多种表述［13］，但其共同的参照是《GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准》中对于天然气燃气轮机组的排放规定［12］.

表 1整理了国家和部分地方政府对于超低排放标准的有关界定，在后续的讨论中，依此将本文所讨论的超低排放标准界定为：在基准含氧量6%的条件下， SO2、NOx、PM 排放分别不超过35、50、10mg/m3.

表1 不同规定下的超低排放标准Table 1 Ultra-low emission standard in different policies

1.2 超低排放改造的基线与路径设计

本文所涉及的超低排放改造，指的是：根据现有燃煤机组技术水平和煤质水平，通过对生产过程、末端治理技术等方面的升级改造使得污染物排放水平达到超低排放标准的改造过程.由于燃煤电厂规模各异、技术选择多样、燃煤煤质不尽相同，本文仅选择其中典型燃煤机组进行分析，在此基础上的超低排放改造也主要选择主流技术并据此进行分析.

1.2.1 参数设定超低排放改造的成本及改造效果主要受到燃煤机组规模、技术、煤质这三方面的影响.规模大小主要影响生产过程的效率水平，并决定了大部分的生产运行参数；而污染治理技术，与机组所用煤质水平共同决定了污染物的排放水平.

规模方面，本文基于技术适用性，假设超低排放改造只针对 100MW及以上规模燃煤机组进行（共占 2012年全国燃煤机组总体耗煤量的88.51%），并按照规模大小分为100、200、300、600和1000MW.污染控制技术主要涉及脱硫、脱硝、除尘这三大类.由于烟气脱硫占全国现役煤电机组比重为 91.6%，其中采用湿法脱硫技术（WFGD）的机组容量占整个安装烟气脱硫机组容量的86%［18］，因此选择主流脱硫技术为WFGD；由于已投运火电厂烟气脱硝机组容量占全国煤电机组容量的83.2%，其中90%以上的技术为选择性催化还原法（SCR）［19］，少部分机组采用非选择性催化还原法（SNCR），全部机组均配套低氮燃烧技术（LNB），因此300MW及以上规模机组设置脱硝技术为LNB+SCR，200MW规模机组脱硝技术为LNB+SNCR，100MW规模机脱硝技术组仅为 LNB；由于静电除尘技术（ESP）已普遍应用于燃煤电厂，约占 95%［20］，少部分机组使用布袋除尘技术（FF），因此本文仅在部分1000MW规模机组设置除尘技术为FF，其余规模及其它1000MW机组除尘技术均设置为ESP.

综上，本文基于2012年中国燃煤电厂各类相关统计数据和实际情况，针对燃煤机组的实际规模和所采用的主流污染控制技术以及研究需要，分析并估算得到表 2的基线情景（现状），包括全国现有不同规模燃煤电厂及所采用的各类主流污染控制技术条件下的耗煤量、单位发电煤耗、以及污染物去除效率（表2）.

表2 燃煤机组基线情景（规模、技术）的参数设置（基于2012年数据的分析）Table 2 Scale and technology parameter settings of coal-fired power plants under baseline （Based on data in 2012）

表3 燃煤机组不同情景下相应煤质水平设定Table 3 Coal quality parameter settings of coal-firedpower plants

由于各不同规模的电厂所利用的污染物减排技术的污染排放和减排效果与煤质密切相关，本文参照发电锅炉用煤标准［21］等相关资料，对于电厂燃煤的煤质水平设置了如下 5种情景并估算了相应的参数.其中，煤质情景1～4基本覆盖了从最清洁（煤质情景 1）到最不清洁（煤质情景 4）的不同煤质情况.后续分析将根据规模、技术、煤质的不同组合估算超低排放改造的减排效果和减排成本.

1.2.2 超低排放改造技术选择及情景设定由于超低排放本身并不涉及关键的技术革新和进步，改造方式多为对已有治理技术的叠加以提高污染物去除效率，进而实现较低的排放水平.因此，本文主要基于不同规模技术组合下的燃煤机组，结合煤质水平，叠加主流污染控制技术WFGD、SCR、ESP，构建企业的超低排放改造策略选择情景，并根据机组规模设置了一定的污染物去除效率梯度，具体的情景设定和相应的污染物去除效率估计值如表4所示.

表4 不同电厂实施超低排放改造所需叠加技术及相应的污染物去除效率设定Table 4 Addition technologies and removal efficiency in need for ultra-low emission

2 研究方法

2.1 超低排放改造减排效果估算

对于燃煤部门的SO2和PM排放，一般用物料衡算法进行计算；对于NOx，一般用排放因子法进行计算［22-25］.依据不同的计算方法，3种主要污染物基线情境下的排放量可以从式（1）～式（3）计算得到：

式中：Aih为第 i种规模技术组合下，全硫分为 Sh的耗煤量，t；Aij为第i种规模技术组合下，NOx生成因子为EFj的耗煤量，t；Aik为第i种规模技术组合下，全灰分为Ask的耗煤量，t；θ为可燃硫分与全硫分之比，本文取85%［26］；Sh为全硫分，%；EFj为NOx生成因子，即不加任何治理措施下单位煤耗的NOx排放量，kg/t；δ为可燃灰分与全灰分之比，本文取80%［27］；Ask为全灰分，%；ηi为第i种规模技术组合下的污染物去除效率，%.

如式（4）～式（6）所示，本文主要根据排放浓度和烟气量估算超低排放标准下的污染物排放量*：

式中：A为整体耗煤量，t；Ce为超低排放标准，mg/Nm3；V为单位燃煤烟气排放量，本文取10m3/kg.

结合公式（1-6），可进一步计算超低排放带来的减排量如式（7）：

2.2 超低排放改造减排成本估算

超低排放改造的目的即使得，结合式（1）～式（6），可得到以下式（7）～式（9）：

式中：αi为基线情景下第 i个规模技术组合下燃煤电厂要达到超低排放标准，需通过改造而实现的污染物去除效率.由于本文设定去除效率的提升将通过叠加固有技术达成，如式（10）所示：

式中：ϕi为所叠加技术的污染物去除效率（见表4），qi为叠加倍数（即需要在原有规模技术组合的基础上叠加qi倍固有技术，qi不一定为整数.因为脱硫技术的叠加可以通过增加脱硫塔内的板层实现，而不一定需要新建完整的脱硫塔，本文近似考虑为qi倍的技术叠加，此时qi∈（0，+∞），可以不为整数.脱硝技术可以增加吸附层，除尘技术可以增加静电场，qi同样可以不为整数），据此，可得到超低排放改造度电成本ci（分/kW·h）如式（11）：

Fi为第i种规模技术组合下超低排放改造所选固有技术的单位减排成本.本文估算并采用的WFGD、SCR、ESP的单位减排成本分别为154、69、15元/（kW·a）［28］；

T为燃煤机组年均运行时间，取4700h/a；

相应地，可得到超低排放改造总成本 Ci（亿元）如式（12）所示：

式中：Ai为第i种规模技术组合下的耗煤量，万t；γ为原煤折标系数，取0.7143；ai为第i种规模技术组合下的单位发电煤耗，g/kW·h.

最后，可得到单位污染物减排成本Ceri（万元/t）如式（13）所示：

3 研究结果

3.1 超低排放改造综合度电成本估算

依据上述基线情景下的规模和技术组合现状，以及研究方法部分的估算方法，本文估算出不同规模技术组合的燃煤机组基线情景下实现超低排放的改造成本，以度电成本的方式表征（表5）.

表5 基线情景下不同规模技术组合的燃煤机组的超低排放改造度电成本估算Table 5 Transform cost per kilowatt-hour for ultra-low emission under baseline

由表5可知，燃煤机组超低排放改造的度电成本随着机组规模增大、技术水平提高而下降，亦即：规模越大，度电成本越低.规模为 1000MW的综合度电改造成本为 1.75～1.95分/kW·h，而100MW则为6.03分/ kW·h，约为前者的3.3倍.且对于规模较大的电厂，其改造成本主要用于脱硫；对于小规模电厂（100～200MW）则主要用于脱硫和脱硝改造.

基于上述分析，本文进一步分析和估算了实际情况中因所使用的煤质不同对于机组超低排放改造成本的影响.如上所述，本文共讨论了5种实际的煤质水平与上述规模-技术组合情景结合，得到度电成本模拟数据 30组（但由于缺乏数据，没有对700MW、800MW、900MW等非典型规模机组进行分析），相应的度电改造成本分布如图1所示.

图1 不同规模、技术、煤质组合下超低排放改造成本及分布Fig.1 The distribution of transform cost per kilowatt-hour for ultra-low emission

由图1可知，煤质越清洁，超低排放改造的度电成本越低.考虑到现实中，现有规模-技术组合燃煤机组，其实际消耗煤炭具有煤质多样性，本文通过描述性统计分析并进而估算出，考虑煤质变化情况下，超低排放的综合改造成本在2.94～3.59分/（kW·h）的区间内（95%置信度），较文献中约 2分/kW·h［12］的改造成本较高，原因一方面在于以2012年的燃煤机组为基线，其治理技术较当下水平相对落后，所需改造成本更高；另一方面，不同治理技术的成本在近年来有所下降，本文基于2012年的成本水平进行估算也造成了结果的一定高估.

3.2 超低排放改造单位污染物减排的成本与成本有效性

此前的分析表明，超低排放改造成本受燃煤机组的规模、技术、煤质水平的影响超低排放改造综合度电成本估算部分讨论了对单位发电成本的影响，此部分则进一步讨论单位污染物减排成本（万元/t），并对污染物减排的成本有效性进行分析和比较，依据研究方法部分的估算过程和方法，估算了不同规模-技术的燃煤机组在采用不同煤质的煤炭的情况下，超低排放改造的单位污染物的减排成本（图2）.

图2 不同规模-技术-煤质组合的燃煤机组3种污染物超低排放改造单位污染物减排成本Fig.2 The emission reductioncost per ton pollutant for ultra-low emission transform

如图 2所示，3种污染物减排的成本有效性指标均表现出相似的特性，但与度电成本变化趋势相反.①随着机组规模的增大和技术水平的提高，成本有效性变差；亦即：规模越小的燃煤机组，其单位污染物减排成本越小，亦即成本有效性越好；比如，规模为100MW的燃煤机组SO2、NOx、PM的单位减排成本分别为每吨3.52、1.34、0.39万元，而1000MW机组则分别为每吨5.16、6.27、0.48万元，分别为前者的1.47、4.68、1.22倍.②特别重要的是，对于度电成本而言，煤质越清洁，超低排放改造的度电成本越低；而对于污染物减排成本而言，煤质越差，单位污染物减排成本亦即成本有效性越好.

图2的结果意味着：燃煤机组如果要全面推行超低排放改造，仅从污染物减排的成本有效性角度，应优先从规模较小、技术较差的机组开始，同时，从政策上，不应该鼓励电厂用较清洁煤炭，而是可以通过超低改造，即可以利用电厂的污染控制技术，以较低的成本实现较不清洁煤炭发电过程中的高效减排.同时也很重要的是，全面强制性要求超低排放很可能意味着：企业从降低发电成本的角度，更多的使用清洁煤，从而损失了电力行业原本可以更有效地处理较差煤质的技术潜力.

3.3 超低排放改造污染控制的最小成本减排路径分析与讨论

基于上部分超低排放改造单位污染物减排的成本与成本有效性的研究结果，可以针对不同规模-技术组合的燃煤机组，及其基线情景下各类机组的实际耗煤量、单位发电煤耗等现状信息，构建出燃煤电厂的 3种主要污染物的边际减排成本曲线（图3），并可以据此分析最小成本的减排路径和策略.

图 3表明：3种污染物减排成本均呈现出相似的规律，即规模越小的机组，其单位污染物减排成本越低.这意味着，从污染物减排总成本最低的角度，推动超低排放改造政策，应首先从较小规模机组着手*∗假设暂时不考虑机组设备运行寿命及国家强制淘汰政策等因素的影响，并逐步向大规模机组拓展.

根据本文的研究结果，全面实施超低排放改造的总成本高达1535亿元（其中脱硫改造949亿元，脱硝改造486亿元，除尘改造99亿元），可实现SO2减排213万t，NOx减排207万t，PM减排232万t；SO2、NOx、PM的行业平均单位减排成本分别为：4.46万元/t，2.35万元/t，0.43万元/t.

而如果仅针对 300MW及以下的燃煤机组进行超低排放改造，则可以实现年均减排123万tSO2、185万tNOx、131万tPM，分别占全面超低排放改造减排量的58%、90%、56%.相应的改造成本分别为517、379、54亿元，仅为整体改造所需成本的54%、78%、55%，其对应的单位减排成本分别为每t4.21、2.05和0.42万元，分别为全面超低减排方案的单位减排成本的 94%、87%、97%.

图3 燃煤电厂超低排放改造污染物边际减排成本曲线Fig.3 The marginal abatement costcurve of ultra-low emission transform

4 结语

4.1 超低排放的改造成本及有效性

本文分别估算了不同规模技术组合下燃煤机组使用不同煤质的煤炭进行超低排放改造所需成本及其污染控制的成本有效性，得到主要结论如下：

（1） 以度电成本为指标，超低排放改造成本随机组规模的增大、技术水平的提高、煤质清洁化水平的上升而下降.基线情景下，超低排放改造度电成本约为2.94～3.59分/kW·h（95%置信度）.

（2） 以单位污染物减排成本为指标，超低排放改造成本有效性随机组规模的增大、技术水平的提高、煤质清洁化水平的上升而下降.通过Stata统计回归表明（均在1%水平统计显著），硫分每下降1%，超低排放SO2单位减排成本上升1.53万元/t，灰分每下降10%，超低排放PM单位减排成本上升0.088万元/t，且二者的单位减排成本均随着机组规模的提升而显著上升（NOx的煤质清洁化水平无法量化统计，但其趋势与SO2、PM相同，见图2（b））.

（3） 超低排放改造污染控制的最小成本减排路径为：从小规模机组到大规模机组逐步实行，SO2、NOx、PM的单位减排成本区间分别为3.52～5.16，1.34～6.27，0.39～0.48万元/t，100MW 机组的单位减排成本仅为 1000MW 机组的20%～80%.

4.2 制定和推动超低排放政策应正视如下几个问题：

（1） 超低排放全面改造成本高昂，减排效果有限.全面推行超低排放的改造成本约占 2014年国内生产总值的0.24%，而中国燃煤电厂所实施的大气污染物排放标准已经位于世界前列，如该标准被严格执行，则燃煤电厂已经是中国众多燃煤部门中最为清洁的.在工业锅炉、居民等燃煤部门技术水平落后、排放标准宽松的现实背景下，现阶段全面推行超低排放改造可能存在资源错配.

（2） 超低排放改造存在标准执行中效率损失的风险.受燃煤电厂机组规模、技术水平、煤炭质量等因素影响，超低排放改造的单位污染物削减成本差异巨大.燃煤电厂超低排放改造的最小成本实施路径应从规模较小、煤质水平较差的机组开始.仅以度电成本为指标将会误导超低排放改造的减排路径，规模大的机组反而优先进行改造，有可能创造“鞭打快牛”的恶性竞争制度环境.燃煤电厂污染控制战略应优先确保达标排放、超标依法处罚的制度环境.同时，通过排污收费、煤炭的全成本定价等措施，为超低排放提供政策和制度激励.

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致谢：感谢吴丹等北京大学环境经济与政策研究小组成员在本研究进行中的宝贵建议.

Cost-effectiveness analysis of pollution emission reductionmeasures and ultra-low emission policies for coal-fired power plants.

ZHAO Dong-yang， JIN Ya-na， ZHANG Shi-qiu*（Institute of Environment and Economy， College of Environmental Sciences and Engineering， Peking University，Beijing 100871， China）. China Environmental Science， 2016，36（9）：2841～2848

China’s air pollution is closely related to its coal-dominated energy structure. As the largest coal-consuming and pollution-releasing sector in China， coal-fired power plants have been playing an important role on air pollution control. A cost-effectiveness analysis of pollution emission reduction measures in coal-fired power plants was discussed in this article considering the recent ultra-low emission policies for the power industry. The results showed that the pollutant-mitigation costs are around 44600 Yuan per ton of SO2， 23500 Yuan per ton of NOx， 4，300Yuan per ton of PM，and it would be costly to implement the ultra-low emission transformation in the whole power industry. It still need more comprehensive environmental economic evaluation on the ultra-low emission implementation， taking into consideration that other coal-fired sectors’ inefficient technologies and loose emission standards. It was also found that to evaluate the transformation cost per kilowatt hour as the only indicator would result in a mislead pollution control path and it should initiate to implement theultra-low emission transformation from the smaller power plants with dirtier coal quality.

coal-fired power plants；ultra-low emission；air pollution control；cost-effectiveness analysis

X196，X51

A

1000-6923（2016）09-2841-08

2016-01-25

国家自然科学基金青年项目中国大气环境治理成本异质性研究（71503279）；教育部2012年度高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20120001110054）；环境模拟与污染控制国家重点联合实验室专项经费

* 责任作者， 教授， zhangshq@pku.edu.cn

赵东阳（1991-），男，山西朔州人，北京大学硕士研究生，主要研究方向为环境经济学与政策.