岳朴杰 ，孟磊1，王长清1，谷小兵1，白玉勇1，黎俊廷2，彭娅2
1.大唐环境产业集团股份有限公司，北京，100097；2.华中科技大学煤燃烧重点实验室，武汉 43000
摘要：本研究基于生命周期分析方法，对国内三种典型负荷规模（300MW、600MW、1000MW）的燃煤电厂的烟气控制设备以及湿电除尘系统（WESP）对非甲烷有机污染物的影响进行了评价。在直接减排方面，本研究通过收集三个发电机组的APCDs进出口有机污染物浓度进行计算，发现当APCDs相同时，直接减排与锅炉负荷有关。由于液氨和催化剂的使用，SCR系统也是有机污染物间接排放的关键阶段。与机组最后的直接排放相比，有机污染物的间接排放不可忽视。
关键词
燃煤电厂；烟气污染控制设备；有机污染物；生命周期评估
0.引言
燃煤电厂中现有的烟气污染控制装置（APCDs）能够有效控制常规空气污染物的排放（例如，NOx，SO2）[1]，随着人们逐渐意识到区域性空气污染的严重影响，控制以有机污染物成为了新的挑战。挥发性有机化合物（VOCS）是指室温下蒸气压大于或等于0.01 kPa或在大气压下沸点小于或等于250°C（有时为260°C）的有机化合物[2]。在华北地区，煤炭是电力和热能的主要能源，大气环境质量的优良率只有约50％[3]，工业来源的VOCS排放量中约有4.1%是由发电引起的，而且这一比例在未来还将继续增加[4]。考虑到每年消耗大量的煤炭，燃煤电厂的有机污染物排放不可忽视。
我国大部分燃煤电厂都采用了由选择性催化脱除(SCR)、静电除尘器(ESP)、湿法烟气脱硫(WFGD)、湿法静电除尘器(WESP)构成的超净排放烟气处理技术。在以往的研究中，APCDs对燃煤发电过程中气体有机污染物排放的影响主要集中在直接排放去除上，而忽略了间接气体有机污染物排放。为了综合评价APCDs对燃煤电厂有机污染物排放的影响，本研究利用GaBi软件对APCDs对燃煤电厂有机污染物排放的影响进行了生命周期评价。以我国3台典型规模的燃煤电厂发电机组为例，基于生命周期分析探讨了不同负荷机组的APCDs对有机污染物减排的影响。
1.LCA方法
本研究的主要目标是评估APCDs对燃煤电厂烟气有机污染物去除的影响。本研究以燃煤发电技术产生的1 MW·h的电能作为功能单元。为了比较不同规模(300MW、600MW、1000MW)的发电机组和烟气处理技术(SCR、ESP、WFGD、WESP)，本研究选取了3个案例进行分析，如表1所示。
表1 某三个发电机组的情况简介
案例1 案例2 案例3
额定负荷 300MW 600MW 1000MW
运行负荷 120MW 280MW 420MW
锅炉热效率 93.40% 93.67% 93.46%
APCDs SCR+ESP+WFGD+WESP
因为对于每种情况，有机污染物的去除都不会受到发电系统的影响。 因此，本研究不考虑发电系统。 每个案例的系统边界包括APCDs的构建，原材料运输和APCD运行的生命周期阶段，如图1所示。案例1，案例2和案例3都包含SCR，ESP，WFGD 和WESP系统。
由于在数据采集过程中的不可用，做出以下假设和不考虑：(1)忽略了循环用水利用率、废渣处理、和污水处理过程；(2)假设原材料的运输(如钢、铝、液氨)使用公路运输，卡车装载量为12 t，运输距离是30 km；(3)不考虑APCDs的退役阶段。
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2.结果
2.1有机污染物间接排放清单
采用生命周期评价方法对三个案例下APCDs的间接气体有机污染物排放量进行了计算。结果如图2所示。
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APCDs一年的间接气体有机污染物排放总量分别达到4.58E+02、7.34E+02和1.44E+03kg。通过对比三个案例，APCDs的间接气体有机污染物排放总量随着发电机组负荷的增加而增加。这可能是由于较高的发电机组的APCDs规模较大造成的，在建设和运行阶段，APCDs会消耗更多的材料和能源，导致有机污染物的间接排放增加。 但是对于1MW·h的间接有机污染物排放而言，高负荷发电机组排放量较低，这意味着高负荷发电机的环境效益更好。
2.2烟气污染控制设备对有机污染物直接排放的影响
现场试验结果如表3所示，展示了三种不同规模机组的WFGD和WESP进、出口有机污染物浓度。
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从表3中可以看出，三种情况下WFGD对有机污染物的平均脱除率分别为32.51％，27.91％和23.15％；WESP的平均脱除效率分别为26.80％，26.00％和22.28％。李等人发现WFGD对属于气体有机污染物的多环芳烃的总脱除率为27％，WESP对可凝结颗粒物有机成分的总脱除效率为27.1％[5]。Cheng等人的研究结果表明，WFGD和WESP对VOC的整体脱除效率达到36.8％[6]。因此，现场测试的结果是相对准确的，WFGD和WESP对于有机污染物直接减排是有效的。由于试验条件的限制，本次现场试验未检测SCR进、出口有机污染物浓度。因此本研究通过文献调研[6-7]，选择SCR对气体有机污染物的整体脱除效率为60％，选择ESP对有机污染物的影响为增加17.3％。由此可以计算SCR、ESP进、出口有机污染物浓度，如表4所示。
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从上面的数据可以看出，随着锅炉负荷的增加，每MW·h有机污染物排放浓度呈下降趋势。但我们也可以看到，随着发电机组规模的增大，有机污染物的总脱除效率呈下降趋势。由此可见，高负荷发电机组对有机污染物排放的直接控制效果较好。而随着气体有机污染物排放浓度的降低，APCDs对气体有机污染物的影响也在减小，我们推断这是由于APCDs对有机污染物的影响存在极限浓度，当排放浓度越接近极限浓度时，APCDs对其影响越小。
3.敏感性分析
基于以上结果，APCDs对于有机污染物的间接排放主要是由液氨、催化剂、NaOH和电引起的。因此，当其用量分别增加和减少10%，20%时，有机污染物的间接排放变化如图3所示
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如图3所示，相对于其他因素，液氨的变化对APCDs的年有机污染物间接排放的影响最为明显。而其他因素也有比较明显的影响。因此，通过技术进步减少液氨、催化剂和氢氧化钠的使用，有利于控制APCDs气体有机污染物的间接排放。选择更加合理的电力来源也有助于减少能源消耗的排放。
4.结论
本研究通过生命周期评价方法探讨燃煤电厂APCDs对燃气有机污染物排放的影响。结果表明，对于直接排放而言，锅炉负荷越高，气体有机污染物的直接排放浓度越低。由于APCDs对有机污染物有极限浓度的影响，此时APCDs对有机污染物的脱除效率也较低。同时，SCR系统是有机污染物直接排放去除的重要过程。
在间接排放方面，高负荷发电机组每MW·h的间接排放较低。而SCR系统也是有机污染物间接排放的关键过程，由于液氨和催化剂的间接排放，其排放量达到了APCDs总间接排放量的一半以上。与直接减排相比，APCDs的有机污染物的间接排放很小。但与整个系统的直接排放相比，它是不可忽视的。如果我们把整个燃煤电厂考虑在内的话，间接排放更加不可忽略。
参考文献
[1] 郦建国,朱法华,孙雪丽.中国火电大气污染防治现状及挑战[A].中国环境保护产业协会.第十八届中国电除尘学术会议论文集[C].中国环境保护产业协会:中国环境保护产业协会电除尘委员会,2019:1-10.
[2] 江梅,邹兰,李晓倩等.我国挥发性有机物定义和控制指标的探讨[J].环境科学,2015,36(09):3522-3532
[3] 中国生态环境部,中国生态环境状况公报[R].2019.
[4] Simayi M , Hao Y , Li J , et al. Establishment of county-level emission inventory for industrial NMVOCs in China and spatial-temporal characteristics for 2010–2016[J]. Atmospheric Environment, 2019, 211(AUG.):194-203.
[5] 李敬伟.燃煤烟气中可凝结颗粒物及典型有机污染物的排放特性实验研究[D]. 浙江.浙江大学.2018.
[6] Cheng J , Zhang Y , Wang T , et al. Emission of volatile organic compounds (VOCs) during coal combustion at different heating rates[J]. Fuel, 2018, 225:554-562.
[7] 李娇.循环流化床锅炉燃煤技术热电厂生命周期评价[D].辽宁.大连理工大学.2013.
基金项目：国家重点研发计划基金资助项目（2018YFB0605200）