云南省火力发电厂超低排放改造减污降碳协同效应研究

王珂，何 燕

（云南省生态环境科学研究院环境政策（低碳发展）研究中心，云南 昆明 650034）

0 引言

我国“3060目标”提出后，作为能源消费大户的火力发电行业如何减少碳排放，尽早实现碳达峰受到了较大的关注，加上国家机构改革和职能转隶打通了大气污染物和二氧化碳减排管理的壁垒，火力发电厂能否在开展大气污染物减排时同步实现对二氧化碳的协同减排成为研究的热点之一。

本研究围绕火力发电厂常见的对颗粒物、SO2和NOx等大气污染物进行减排的超低排放改造措施，以云南省已经完成超低排放改造的部分火力发电厂为研究对象，对超低排放改造措施是否能对大气污染物和二氧化碳形成协同减排效应进行了简要分析研究。

1 背景

1.1 云南省火力发电概况

云南省作为清洁能源发电大省，发电端结构一直以清洁能源发电为主，火力发电量占全省总发电量的比例相对较低，截止2020年全省共有年综合能耗1万t标煤以上的火力发电厂12座（不含自备电厂），2020年火电装机容量在1500万kW左右，火电装机容量占总装机容量的比例大约为15%，火力发电量400亿kW·h左右，火力发电量占全省总发电量的比例为10%左右，火力发电机组多为200MW、300MW和600MW等级的常规燃煤机组。

1.2 云南省火力发电厂超低排放改造推进情况

火力发电厂超低排放改造是实现火电行业颗粒物、SO2和NOx减排的有效措施，原国家环保部、国家发改委、国家能源局在2015年时就联合印发了《〈全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案〉的通知》[1]，通知中要求符合改造条件的燃煤电厂要按照文件时间进度要求和安排，完成对具备条件燃煤机组的超低排放改造工作，并对改造后燃煤机组的烟尘、SO2和NOx排放浓度进行了规定，云南省也严格贯彻落实文件要求，有序推进符合条件的火力发电机组开展超低排放改造工作。

1.3 火力发电厂超低排放改造和二氧化碳协同减排

“协同效益/协同效应”的概念首次提出是在IPCC第三次评估报告中，即温室气体减排政策的非气候效益[2]，具体到某一减排措施来说，可理解为通过一项减排技术，同时实现多种污染物和二氧化碳的减排，在碳达峰背景的约束下，火力发电厂若能在开展超低排放改造减排污染物的同时实现二氧化碳的减排，形成减污降碳协同效应，将对火力发电行业碳达峰的实现起到十分重要的意义。但目前为止报道较多的是火力发电厂进行超低排放改造后，对于颗粒物、SO2和NOx等大气污染物之间的协同减排效果研究[3-4]，对于火力发电厂二氧化碳和大气污染物之间的协同减排研究还相对较少[5]，且多为在宏观层面对某一技术措施进行的协同减排研究或是对政策体系协同的研究[6]，针对具体的火力发电厂案例进行分析研究的还相对较少。因此，本研究重点关注了具体火力发电厂个案在实施超低排放改造后大气污染物和二氧化碳的协同减排效应。

2 研究对象的选择

截止2020年底，云南省已经完成或正在进行超低排放改造的年综合能耗1万t标煤以上的火电企业共有4家（不含自备电厂），本研究根据各火电企业超低排放改造完成情况，并结合数据的可获取性，选择了其中的3家火电企业（电厂A、电厂B、电厂C）为研究对象，对超低排放改造措施对二氧化碳和大气污染物的协同减排效应做出分析和评价。

3 研究方法的选择

3.1 协同控制效应坐标系分析方法

协同控制效应坐标系分析方法是毛显强[7]教授提出的采用二维和三维坐标系表达某一减排措施对污染物的减排效果的评价方法。其主要原理是将同一措施对不同污染物的减排效果量化为二维或三维坐标系中的具体“点”，并根据该“点”在坐标系中所处的位置，对其协同控制效应进行分析，简单概括如表1所示。

表1 协同控制效应坐标系分析方法

3.2 污染物减排量交叉弹性分析方法

污染物减排量交叉弹性分析方法也是由毛显强[7]教授提出，其主要原理是定义一个污染物减排量交叉弹性参数，其计算公式如下：

式中：Elsa/b—污染物减排交叉弹性系数；a、b—分别指不同污染物的排放量变化率。

根据计算结果，对a和b两种污染物的协同减排效应进行评价，评价方法简单概括如表2所示。

表2 污染物减排量交叉弹性分析方法

3.3 研究方法选择

本研究将采用污染物减排量交叉弹性分析方法和协同控制效应坐标系分析方法两种方法，根据收集的数据，分别对云南省火力发电厂（电厂A、电厂B、电厂C）开展超低排放改造后，其二氧化碳和颗粒物、SO2、NOx的协同减排效应进行评价分析。

4 云南省火力发电厂超低排放改造减污降碳协同效应评价分析

4.1 减污降碳协同效应坐标系评价

采用减污降碳协同效应坐标系分析方法对3家电厂超低排放改造后大气污染物和二氧化碳协同减排的效果进行评价，评价结果如表3和图1所示。

表3 减排协同效应评价表

从图1中可以看出，超低排放改造措施对于电厂A、电厂B和电厂C的大气污染物和二氧化碳减排呈现出两种不同的情况，从颗粒物、SO2和NOx与二氧化碳的协同减排效应评价来看，电厂B均位于第一象限，因此，其超低排放改造措施对颗粒物、SO2和NOx等3种大气污染物和二氧化碳均具有协同减排效应，而电厂A和电厂C，均位于第四象限，因此，其超低排放改造措施在减排颗粒物、SO2和NOx的同时却造成了二氧化碳的排放上升，其二者间不具有协同减排效应。

进一步深入分析电厂B二氧化碳和大气污染物协同减排的情况（图2）可以看出，当颗粒物、SO2和NOx与二氧化碳的协同减排效应评价结果位于同一坐标系中时，其与横轴形成的夹角中，∠EOH＞∠FOH＞∠GOH，因此，对于电厂B来说，颗粒物和与二氧化碳的协同减排效应最高，其次是SO2，最后为NOx。

图2 电厂B大气污染物和二氧化碳协同减排情况

从各电厂超低排放改造对大气污染物和二氧化碳的协同减排效果评价综合来看（见图3），电厂A、B、C的超低排放改造措施对于3种大气污染物的减排效果均相对较明显，电厂B对3种大气污染物的减排效果均要优于电厂C，对于二氧化碳的减排，电厂A和C均是增加了二氧化碳排放，而电厂B是实现了大气污染物和二氧化碳的协同减排。

图3 大气污染物和二氧化碳协同减排总体情况

4.2 减污降碳协同效应交叉弹性评价

采用污染物减排量交叉弹性分析方法对3家电厂超低排放改造和二氧化碳协同减排的效果进行评价，评价结果如表4所示。

表4 污染物减排量交叉弹性分析结果

从表4可以看出，电厂A和电厂C的Elsc/颗粒物、Elsc/SO2、Elsc/Nox均＜0，说明二氧化碳和颗粒物、SO2和NOx间并无协同减排效应，而电厂B的上述交叉弹性系数位于0到1之间，说明对于电厂B，其大气污染物和二氧化碳间具有协同减排效应，且对颗粒物、SO2和NOx的减排效果要大于对二氧化碳的减排效果。

从颗粒物、SO2和NOx等3种大气污染物的交叉弹性分析结果来看，电厂A、电厂B和电厂C的超低排放改造措施均产生了协同减排效应，其交叉弹性系数均＞0，但同时电厂A和电厂C与电厂B之间又呈现出不同的减排特点，电厂A和电厂C超低排放改造对大气污染物的减排效果较为相似，均表现出对颗粒物的减排效果大于SO2和NOx以及对SO2的减排效果要大于NOx的特点，而电厂B则是表现出SO2的减排效果大于颗粒物和NOx以及颗粒物减排效果大于NOx的特点。

5 讨论

火力发电厂超低排放改造主要是通过末端治理的方式，在需要削减污染物的工段安装脱硫、脱硝和除尘设施，使最终排放烟气中的颗粒物、SO2和NOx的排放浓度降低，从而达到火力发电厂超低排放改造标准。在碳达峰背景下，若能在开展超低排放改造的同时实现二氧化碳的协同减排，对于火电企业实现碳达峰目标具有十分重要的意义。但一般情况下，脱硫、脱硝和除尘设备的使用会在一定程度上增加火力发电厂的自用电率，从而使得其供电煤耗出现一定程度的增加，从而导致二氧化碳的排放量增加，如魏宏鸽[8]等人的研究指出火力发电厂超低排放改造会造成发电机组能耗的显著增加，机组厂用电率平均增加0.81%。但也有报道指出采取和火力发电厂相似的超低排放改造措施的钢铁企业，其改造后由于除尘系统效率的整体提升降低了能耗，在整体上实现了碳排放的下降，产生了大气污染物和二氧化碳的协同减排效应[9]。

在本次研究中，电厂A和电厂C的二氧化碳和大气污染物协同减排评价结果显示其超低排放改造均不具有大气污染物和二氧化碳的协同减排效应，虽然颗粒物、SO2和NOx的排放量实现了大幅下降，但导致了供电煤耗的上升，增加了二氧化碳的排放量，这和魏宏鸽等人的研究结果相似，但值得注意的是电厂B超低排放改造对二氧化碳和大气污染物的协同减排评价结果却与电厂A和电厂C相反，虽然其超低排放改造对颗粒物、SO2和NOx的减排效果要大于对二氧化碳的减排效果，但仍然实现了二者间的协同减排。

综合各电厂的情况来看，电厂A、B和C的机组均为300WM常规燃煤机组（水冷），电厂A为热电联产企业，电厂B和电厂C均为纯发电企业，而电厂A和电厂C的超低排放改造均没有实现大气污染物和二氧化碳的协同减排，因此，笔者认为机组的类型和电厂的生产模式并不是影响超低排放改造对大气污染物和二氧化碳的协同减排的主要因素，另外，从机组的负荷率来看，电厂B的机组在超低排放改造前后的负荷率发生了较大的变化，负荷率差异在40%左右，而电厂A和电厂C机组在超低排放改造前后的负荷率差异均在5%左右，笔者认为电厂B出现的超低排放改造后供电煤耗下降的情况可能与其机组负荷率的提升有关，而并不是由于超低排放改造形成的协同减排效应，但目前由于云南省较大的火电企业中完成了超低排放改造的仅有3～4家（不含自备电厂），且部分是在2019和2020年才完成的超低排放改造，可进行分析和对比的案例和数据还相对有限，不排除可能存在由于脱硫、脱硝和除尘系统效率的提升整体上导致了能耗的下降，从而在开展超低排放改造的同时实现了二氧化碳协同减排的情况。希望待未来云南省更多火电企业完成超低排放改造后，能进一步对超低排放改造是否能带来大气污染物和二氧化碳的协同减排进行系统性的统计分析和评价，为云南省火力发电行业碳达峰目标的实现提供参考。