趙東陽，靳雅娜，張世秋（北京大學環(huán)境科學與工程學院，環(huán)境與經濟研究所，北京 100871）

燃煤電廠污染減排成本有效性分析及超低排放政策討論

趙東陽，靳雅娜，張世秋*（北京大學環(huán)境科學與工程學院，環(huán)境與經濟研究所，北京 100871）

中國的空氣污染與以煤為主的能源結構關系密切.燃煤電廠是中國煤炭消費量最大且大氣污染物排放量最大的部門，因此，也必然成為污染物排放控制的主要對象.針對最近公布的電廠超低排放政策，本文采用成本有效性評估方法對燃煤電廠污染物減排進行了分析，研究結果表明：全面進行超低排放改造以實現(xiàn)污染物減排的成本高昂，其中，燃煤電廠超低排放改造的脫硫、脫硝、除塵的單位減排成本分別為：4.46萬元/t，2.35萬元/t，0.43萬元/t.現(xiàn)有燃煤電廠實施超低排放的行業(yè)成本較高；鑒于其他燃煤部門技術水平相對落后、排放標準寬松，現(xiàn)階段是否首先針對燃煤電廠全面實施超低排放改造需要更為全面的環(huán)境經濟評估.基于本文的分析，以度電成本為衡量指標將會誤導超低排放改造的減排路徑選擇.研究結論表明：燃煤電廠行業(yè)最低成本超低排放改造，應從規(guī)模較小、煤質水平較差的機組開始.

燃煤電廠；超低排放；大氣污染控制；成本有效性分析

中國是全世界耗煤量最大的國家，占全球煤炭消費總量的 50.3%［1］，以煤為主的能源結構是中國大氣污染的主因，并因空氣質量惡化對社會經濟特別是人體健康產生了重要的影響［2-3］.據估算，中國因煤炭使用對空氣 PM2.5年均濃度的貢獻約在51%～61%之間［4］.煤炭燃燒過程中的環(huán)境成本大約為166元/t［5］，由此帶來的年均經濟損失高達 6000億元人民幣，約占國民總收入的1.1%.

中國能源結構以煤為主，占一次能源消費的60%以上，即便在實施燃煤總量控制的條件下，這一比例到 2030年還將保持在 30%以上［6］，因此，在未來相當一段時間，燃煤仍將是中國能源消費的主要來源，如何高效使用煤炭并降低其對大氣污染的影響，是一項長期和持續(xù)的任務.

燃煤電廠是中國最大的耗煤部門，占總體耗煤量的 50%，也是長期以來受到環(huán)境規(guī)制最為嚴格的部門.在節(jié)能減排等各類環(huán)境和產業(yè)政策作用下，自2011年以來，燃煤電廠二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）3種主要大氣污染物的排放量以及單位煤耗的污染物排放量均持續(xù)下降［7］.同時，針對燃煤電廠的環(huán)境政策不斷嚴格：國家環(huán)境保護部辦公廳于2015年12月11日發(fā)布《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，要求全國所有具備改造條件的燃煤電廠在 2020年以前力爭實現(xiàn)超低排放（即在基準氧含量6%條件下，SO2、NOx、PM排放濃度分別不高于35、50、10mg/m3）；全國有條件的新建燃煤發(fā)電機組達到超低排放水平［8］.而“十二五”期間，中國已完成煤電行業(yè)超低排放改造機組規(guī)模達8400萬kW，約占煤電總裝機容量的1/10，而正在進行改造的燃煤機組也已經超過8100萬kW，預期中國煤電行業(yè)將建成世界上規(guī)模最大的清潔高效煤電體系［9］.

在燃煤污染嚴重、能源結構短期難以改變的背景下，“超低排放”政策一經提出就迅速成為各方爭議的核心.一方面，從污染排放量大、可減排量大、以及存在技術可得性、中國煤電行業(yè)或將借助超低排放而實現(xiàn)全面清潔化.而另一方面，燃煤電廠已經是煤炭消費行業(yè)污染控制最嚴格的行業(yè)、現(xiàn)有煙氣連續(xù)監(jiān)測技術也難以支撐超低排放監(jiān)測數(shù)據的準確性［10］，更為關鍵的是，自2014年7月實施的《GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標準》已經達到國際領先水平［11］，在無技術進步的支持下進一步提升至超低排放標準，其污染控制的成本和效果都需要全面的環(huán)境經濟評估［12］.

由于以度電成本為指標，規(guī)模較大的機組進行超低排放改造成本更低，因此，現(xiàn)有超低排放改造往往先從規(guī)模較大或新建的燃煤機組實施.但從燃煤污染控制的角度看，這部分機組在行業(yè)中整體技術水平相對較高，對其進行超低排放改造有可能不是行業(yè)污染控制成本最低的方案，并進而造成行業(yè)污染控制效率低下.

鑒于上述爭議及目前針對超低排放改造的環(huán)境經濟評估不足，本文對超低排放改造的減排效果和相應的減排成本進行估算，并結合中國當下對于燃煤電廠及其他燃煤部門的污染防治現(xiàn)狀，就煤電行業(yè)全面實施超低排放改造可能帶來的污染防治效率的影響進行分析和討論，以期為相關的政策制定和討論提供一個分析和研究視角.

1 研究背景、指標選擇、參數(shù)設定

1.1 超低排放標準

截至2015年，中國近20%的燃煤電廠（按裝機容量計算）已經完成或正在進行超低排放改造，但是具體的超低排放標準卻沒有明確的法律規(guī)定，甚至對“超低排放”稱謂本身也存在分歧.實際應用中存在諸如近零排放、趨零排放、超凈排放、超潔凈排放等多種表述［13］，但其共同的參照是《GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標準》中對于天然氣燃氣輪機組的排放規(guī)定［12］.

表 1整理了國家和部分地方政府對于超低排放標準的有關界定，在后續(xù)的討論中，依此將本文所討論的超低排放標準界定為：在基準含氧量6%的條件下， SO2、NOx、PM 排放分別不超過35、50、10mg/m3.

表1 不同規(guī)定下的超低排放標準Table 1 Ultra-low emission standard in different policies

1.2 超低排放改造的基線與路徑設計

本文所涉及的超低排放改造，指的是：根據現(xiàn)有燃煤機組技術水平和煤質水平，通過對生產過程、末端治理技術等方面的升級改造使得污染物排放水平達到超低排放標準的改造過程.由于燃煤電廠規(guī)模各異、技術選擇多樣、燃煤煤質不盡相同，本文僅選擇其中典型燃煤機組進行分析，在此基礎上的超低排放改造也主要選擇主流技術并據此進行分析.

1.2.1 參數(shù)設定超低排放改造的成本及改造效果主要受到燃煤機組規(guī)模、技術、煤質這三方面的影響.規(guī)模大小主要影響生產過程的效率水平，并決定了大部分的生產運行參數(shù)；而污染治理技術，與機組所用煤質水平共同決定了污染物的排放水平.

規(guī)模方面，本文基于技術適用性，假設超低排放改造只針對 100MW及以上規(guī)模燃煤機組進行（共占 2012年全國燃煤機組總體耗煤量的88.51%），并按照規(guī)模大小分為100、200、300、600和1000MW.污染控制技術主要涉及脫硫、脫硝、除塵這三大類.由于煙氣脫硫占全國現(xiàn)役煤電機組比重為 91.6%，其中采用濕法脫硫技術（WFGD）的機組容量占整個安裝煙氣脫硫機組容量的86%［18］，因此選擇主流脫硫技術為WFGD；由于已投運火電廠煙氣脫硝機組容量占全國煤電機組容量的83.2%，其中90%以上的技術為選擇性催化還原法（SCR）［19］，少部分機組采用非選擇性催化還原法（SNCR），全部機組均配套低氮燃燒技術（LNB），因此300MW及以上規(guī)模機組設置脫硝技術為LNB+SCR，200MW規(guī)模機組脫硝技術為LNB+SNCR，100MW規(guī)模機脫硝技術組僅為 LNB；由于靜電除塵技術（ESP）已普遍應用于燃煤電廠，約占 95%［20］，少部分機組使用布袋除塵技術（FF），因此本文僅在部分1000MW規(guī)模機組設置除塵技術為FF，其余規(guī)模及其它1000MW機組除塵技術均設置為ESP.

綜上，本文基于2012年中國燃煤電廠各類相關統(tǒng)計數(shù)據和實際情況，針對燃煤機組的實際規(guī)模和所采用的主流污染控制技術以及研究需要，分析并估算得到表 2的基線情景（現(xiàn)狀），包括全國現(xiàn)有不同規(guī)模燃煤電廠及所采用的各類主流污染控制技術條件下的耗煤量、單位發(fā)電煤耗、以及污染物去除效率（表2）.

表2 燃煤機組基線情景（規(guī)模、技術）的參數(shù)設置（基于2012年數(shù)據的分析）Table 2 Scale and technology parameter settings of coal-fired power plants under baseline （Based on data in 2012）

表3 燃煤機組不同情景下相應煤質水平設定Table 3 Coal quality parameter settings of coal-firedpower plants

由于各不同規(guī)模的電廠所利用的污染物減排技術的污染排放和減排效果與煤質密切相關，本文參照發(fā)電鍋爐用煤標準［21］等相關資料，對于電廠燃煤的煤質水平設置了如下 5種情景并估算了相應的參數(shù).其中，煤質情景1～4基本覆蓋了從最清潔（煤質情景 1）到最不清潔（煤質情景 4）的不同煤質情況.后續(xù)分析將根據規(guī)模、技術、煤質的不同組合估算超低排放改造的減排效果和減排成本.

1.2.2 超低排放改造技術選擇及情景設定由于超低排放本身并不涉及關鍵的技術革新和進步，改造方式多為對已有治理技術的疊加以提高污染物去除效率，進而實現(xiàn)較低的排放水平.因此，本文主要基于不同規(guī)模技術組合下的燃煤機組，結合煤質水平，疊加主流污染控制技術WFGD、SCR、ESP，構建企業(yè)的超低排放改造策略選擇情景，并根據機組規(guī)模設置了一定的污染物去除效率梯度，具體的情景設定和相應的污染物去除效率估計值如表4所示.

表4 不同電廠實施超低排放改造所需疊加技術及相應的污染物去除效率設定Table 4 Addition technologies and removal efficiency in need for ultra-low emission

2 研究方法

2.1 超低排放改造減排效果估算

對于燃煤部門的SO2和PM排放，一般用物料衡算法進行計算；對于NOx，一般用排放因子法進行計算［22-25］.依據不同的計算方法，3種主要污染物基線情境下的排放量可以從式（1）～式（3）計算得到：

式中：Aih為第 i種規(guī)模技術組合下，全硫分為 Sh的耗煤量，t；Aij為第i種規(guī)模技術組合下，NOx生成因子為EFj的耗煤量，t；Aik為第i種規(guī)模技術組合下，全灰分為Ask的耗煤量，t；θ為可燃硫分與全硫分之比，本文取85%［26］；Sh為全硫分，%；EFj為NOx生成因子，即不加任何治理措施下單位煤耗的NOx排放量，kg/t；δ為可燃灰分與全灰分之比，本文取80%［27］；Ask為全灰分，%；ηi為第i種規(guī)模技術組合下的污染物去除效率，%.

如式（4）～式（6）所示，本文主要根據排放濃度和煙氣量估算超低排放標準下的污染物排放量*：

式中：A為整體耗煤量，t；Ce為超低排放標準，mg/Nm3；V為單位燃煤煙氣排放量，本文取10m3/kg.

結合公式（1-6），可進一步計算超低排放帶來的減排量如式（7）：

2.2 超低排放改造減排成本估算

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

式中：αi為基線情景下第 i個規(guī)模技術組合下燃煤電廠要達到超低排放標準，需通過改造而實現(xiàn)的污染物去除效率.由于本文設定去除效率的提升將通過疊加固有技術達成，如式（10）所示：

式中：?i為所疊加技術的污染物去除效率（見表4），qi為疊加倍數(shù)（即需要在原有規(guī)模技術組合的基礎上疊加qi倍固有技術，qi不一定為整數(shù).因為脫硫技術的疊加可以通過增加脫硫塔內的板層實現(xiàn)，而不一定需要新建完整的脫硫塔，本文近似考慮為qi倍的技術疊加，此時qi∈（0，+∞），可以不為整數(shù).脫硝技術可以增加吸附層，除塵技術可以增加靜電場，qi同樣可以不為整數(shù)），據此，可得到超低排放改造度電成本ci（分/kW·h）如式（11）：

Fi為第i種規(guī)模技術組合下超低排放改造所選固有技術的單位減排成本.本文估算并采用的WFGD、SCR、ESP的單位減排成本分別為154、69、15元/（kW·a）［28］；

T為燃煤機組年均運行時間，取4700h/a；

相應地，可得到超低排放改造總成本 Ci（億元）如式（12）所示：

式中：Ai為第i種規(guī)模技術組合下的耗煤量，萬t；γ為原煤折標系數(shù)，取0.7143；ai為第i種規(guī)模技術組合下的單位發(fā)電煤耗，g/kW·h.

最后，可得到單位污染物減排成本Ceri（萬元/t）如式（13）所示：

3 研究結果

3.1 超低排放改造綜合度電成本估算

依據上述基線情景下的規(guī)模和技術組合現(xiàn)狀，以及研究方法部分的估算方法，本文估算出不同規(guī)模技術組合的燃煤機組基線情景下實現(xiàn)超低排放的改造成本，以度電成本的方式表征（表5）.

表5 基線情景下不同規(guī)模技術組合的燃煤機組的超低排放改造度電成本估算Table 5 Transform cost per kilowatt-hour for ultra-low emission under baseline

由表5可知，燃煤機組超低排放改造的度電成本隨著機組規(guī)模增大、技術水平提高而下降，亦即：規(guī)模越大，度電成本越低.規(guī)模為 1000MW的綜合度電改造成本為 1.75～1.95分/kW·h，而100MW則為6.03分/ kW·h，約為前者的3.3倍.且對于規(guī)模較大的電廠，其改造成本主要用于脫硫；對于小規(guī)模電廠（100～200MW）則主要用于脫硫和脫硝改造.

基于上述分析，本文進一步分析和估算了實際情況中因所使用的煤質不同對于機組超低排放改造成本的影響.如上所述，本文共討論了5種實際的煤質水平與上述規(guī)模-技術組合情景結合，得到度電成本模擬數(shù)據 30組（但由于缺乏數(shù)據，沒有對700MW、800MW、900MW等非典型規(guī)模機組進行分析），相應的度電改造成本分布如圖1所示.

圖1 不同規(guī)模、技術、煤質組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

由圖1可知，煤質越清潔，超低排放改造的度電成本越低.考慮到現(xiàn)實中，現(xiàn)有規(guī)模-技術組合燃煤機組，其實際消耗煤炭具有煤質多樣性，本文通過描述性統(tǒng)計分析并進而估算出，考慮煤質變化情況下，超低排放的綜合改造成本在2.94～3.59分/（kW·h）的區(qū)間內（95%置信度），較文獻中約 2分/kW·h［12］的改造成本較高，原因一方面在于以2012年的燃煤機組為基線，其治理技術較當下水平相對落后，所需改造成本更高；另一方面，不同治理技術的成本在近年來有所下降，本文基于2012年的成本水平進行估算也造成了結果的一定高估.

3.2 超低排放改造單位污染物減排的成本與成本有效性

此前的分析表明，超低排放改造成本受燃煤機組的規(guī)模、技術、煤質水平的影響超低排放改造綜合度電成本估算部分討論了對單位發(fā)電成本的影響，此部分則進一步討論單位污染物減排成本（萬元/t），并對污染物減排的成本有效性進行分析和比較，依據研究方法部分的估算過程和方法，估算了不同規(guī)模-技術的燃煤機組在采用不同煤質的煤炭的情況下，超低排放改造的單位污染物的減排成本（圖2）.

圖2 不同規(guī)模-技術-煤質組合的燃煤機組3種污染物超低排放改造單位污染物減排成本Fig.2 The emission reductioncost per ton pollutant for ultra-low emission transform

如圖 2所示，3種污染物減排的成本有效性指標均表現(xiàn)出相似的特性，但與度電成本變化趨勢相反.①隨著機組規(guī)模的增大和技術水平的提高，成本有效性變差；亦即：規(guī)模越小的燃煤機組，其單位污染物減排成本越小，亦即成本有效性越好；比如，規(guī)模為100MW的燃煤機組SO2、NOx、PM的單位減排成本分別為每噸3.52、1.34、0.39萬元，而1000MW機組則分別為每噸5.16、6.27、0.48萬元，分別為前者的1.47、4.68、1.22倍.②特別重要的是，對于度電成本而言，煤質越清潔，超低排放改造的度電成本越低；而對于污染物減排成本而言，煤質越差，單位污染物減排成本亦即成本有效性越好.

圖2的結果意味著：燃煤機組如果要全面推行超低排放改造，僅從污染物減排的成本有效性角度，應優(yōu)先從規(guī)模較小、技術較差的機組開始，同時，從政策上，不應該鼓勵電廠用較清潔煤炭，而是可以通過超低改造，即可以利用電廠的污染控制技術，以較低的成本實現(xiàn)較不清潔煤炭發(fā)電過程中的高效減排.同時也很重要的是，全面強制性要求超低排放很可能意味著：企業(yè)從降低發(fā)電成本的角度，更多的使用清潔煤，從而損失了電力行業(yè)原本可以更有效地處理較差煤質的技術潛力.

3.3 超低排放改造污染控制的最小成本減排路徑分析與討論

基于上部分超低排放改造單位污染物減排的成本與成本有效性的研究結果，可以針對不同規(guī)模-技術組合的燃煤機組，及其基線情景下各類機組的實際耗煤量、單位發(fā)電煤耗等現(xiàn)狀信息，構建出燃煤電廠的 3種主要污染物的邊際減排成本曲線（圖3），并可以據此分析最小成本的減排路徑和策略.

圖 3表明：3種污染物減排成本均呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即規(guī)模越小的機組，其單位污染物減排成本越低.這意味著，從污染物減排總成本最低的角度，推動超低排放改造政策，應首先從較小規(guī)模機組著手*?假設暫時不考慮機組設備運行壽命及國家強制淘汰政策等因素的影響，并逐步向大規(guī)模機組拓展.

根據本文的研究結果，全面實施超低排放改造的總成本高達1535億元（其中脫硫改造949億元，脫硝改造486億元，除塵改造99億元），可實現(xiàn)SO2減排213萬t，NOx減排207萬t，PM減排232萬t；SO2、NOx、PM的行業(yè)平均單位減排成本分別為：4.46萬元/t，2.35萬元/t，0.43萬元/t.

而如果僅針對 300MW及以下的燃煤機組進行超低排放改造，則可以實現(xiàn)年均減排123萬tSO2、185萬tNOx、131萬tPM，分別占全面超低排放改造減排量的58%、90%、56%.相應的改造成本分別為517、379、54億元，僅為整體改造所需成本的54%、78%、55%，其對應的單位減排成本分別為每t4.21、2.05和0.42萬元，分別為全面超低減排方案的單位減排成本的 94%、87%、97%.

圖3 燃煤電廠超低排放改造污染物邊際減排成本曲線Fig.3 The marginal abatement costcurve of ultra-low emission transform

4 結語

4.1 超低排放的改造成本及有效性

本文分別估算了不同規(guī)模技術組合下燃煤機組使用不同煤質的煤炭進行超低排放改造所需成本及其污染控制的成本有效性，得到主要結論如下：

（1） 以度電成本為指標，超低排放改造成本隨機組規(guī)模的增大、技術水平的提高、煤質清潔化水平的上升而下降.基線情景下，超低排放改造度電成本約為2.94～3.59分/kW·h（95%置信度）.

（2） 以單位污染物減排成本為指標，超低排放改造成本有效性隨機組規(guī)模的增大、技術水平的提高、煤質清潔化水平的上升而下降.通過Stata統(tǒng)計回歸表明（均在1%水平統(tǒng)計顯著），硫分每下降1%，超低排放SO2單位減排成本上升1.53萬元/t，灰分每下降10%，超低排放PM單位減排成本上升0.088萬元/t，且二者的單位減排成本均隨著機組規(guī)模的提升而顯著上升（NOx的煤質清潔化水平無法量化統(tǒng)計，但其趨勢與SO2、PM相同，見圖2（b））.

（3） 超低排放改造污染控制的最小成本減排路徑為：從小規(guī)模機組到大規(guī)模機組逐步實行，SO2、NOx、PM的單位減排成本區(qū)間分別為3.52～5.16，1.34～6.27，0.39～0.48萬元/t，100MW 機組的單位減排成本僅為 1000MW 機組的20%～80%.

4.2 制定和推動超低排放政策應正視如下幾個問題：

（1） 超低排放全面改造成本高昂，減排效果有限.全面推行超低排放的改造成本約占 2014年國內生產總值的0.24%，而中國燃煤電廠所實施的大氣污染物排放標準已經位于世界前列，如該標準被嚴格執(zhí)行，則燃煤電廠已經是中國眾多燃煤部門中最為清潔的.在工業(yè)鍋爐、居民等燃煤部門技術水平落后、排放標準寬松的現(xiàn)實背景下，現(xiàn)階段全面推行超低排放改造可能存在資源錯配.

（2） 超低排放改造存在標準執(zhí)行中效率損失的風險.受燃煤電廠機組規(guī)模、技術水平、煤炭質量等因素影響，超低排放改造的單位污染物削減成本差異巨大.燃煤電廠超低排放改造的最小成本實施路徑應從規(guī)模較小、煤質水平較差的機組開始.僅以度電成本為指標將會誤導超低排放改造的減排路徑，規(guī)模大的機組反而優(yōu)先進行改造，有可能創(chuàng)造“鞭打快?！钡膼盒愿偁幹贫拳h(huán)境.燃煤電廠污染控制戰(zhàn)略應優(yōu)先確保達標排放、超標依法處罰的制度環(huán)境.同時，通過排污收費、煤炭的全成本定價等措施，為超低排放提供政策和制度激勵.

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致謝：感謝吳丹等北京大學環(huán)境經濟與政策研究小組成員在本研究進行中的寶貴建議.

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

國家自然科學基金青年項目中國大氣環(huán)境治理成本異質性研究（71503279）；教育部2012年度高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20120001110054）；環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室專項經費

* 責任作者， 教授， zhangshq@pku.edu.cn

趙東陽（1991-），男，山西朔州人，北京大學碩士研究生，主要研究方向為環(huán)境經濟學與政策.