基于排放因子法的燃煤发电外部环境成本研究
2020-10-15
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第30卷第10期 2014年10月 电力科学与工程 V0I.30.No.10 63 Electric Power Science and Engineering Oct.,2014 基于排放因子法的燃煤发电外部环境成本研究 柳志平,叶学民,李春曦 (华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003) 摘要:由燃煤发电产生的外部成本应该纳入生产成本中,以促其采用清洁发电技术,现被广泛采用的对 环境损失评估方法是外部成本货币值化。针对主要动力用煤,基于燃料消耗的排放因子法对常规300 MW燃煤电厂外部环境成本进行了计算,探讨了影响环境成本的主要因素。计算结果表明:不同煤种的 单位电量环境成本各异,但大部分处于7.5分/kW・h水平;煤的低位发热量、煤中含氮量和灰分对单住 电力环境成本影响较大;烟煤的平均环境成本为6.7分/kW・h,低于其他煤阶。 关键词:外部环境成本;燃煤发电;煤种;排放因子 中图分类号:F062.2 文献标识码:A DOI: 10.3969/j.1ssn.1672—0792.2014.010.012 群优化算法两者的优点,在考虑环境成本的前提 0 引言 下,提出了机组经济运行优化模型,可使发电厂 商在不增加环保设备的情况下减轻有害气体的排 放。方韬等 基于经济学原理和排污收费标准, 据估算,2011年全国因环境污染所造成的损 提出了新的燃煤发电环境成本估算方法。李素真 失高达2万亿元,相当于当年GDP的5%~ 等 基于经济学理论,结合环境经济学方法,建 6%…而其中因燃煤发电造成的环境损失比例约 立了燃煤电厂环境成本定量计算模型,为燃煤电 为40%[2 J。近年来,全国雾霾天气频繁发生与我 厂节能减排的效益计算提供理论依据,并有助于 ,国大量 肖耗煤炭资源密切相关。燃煤对生态环境 燃煤电厂正确计算发电成本,制定合理的上网电 的破坏,不仅制约了社会的可持续发展,而且严 价。魏学好等 应用环境经济学理论,开展了常 重影响人们的身心健康和生活质量 ,而导致环 规燃煤发电的环境价值货币值分析。姜子英 境质量下降和环境污染治理困难的根源是负外部 等¨ 运用影响路径分析和生命周期分析方法, 成本得不到内部化 。 建立了煤电能源链的外部成本计量框架,提出将 针对燃煤发电企业对环境产生的影响,许多 外部成本内部化的建议。郝哗昕 基于生命周期 学者开展了建模或货币值化研究。发展能源外部 法和经济学中的负外部性理论,估算出煤电链各 成本计划第三阶段最终报告 显示燃煤发电的外 环节的单位电量外部环境成本,得出发电阶段产 部成本为0.8~31.4美分/kw・h。Kim E6]运用新 生的外部成本为l2.03分/kw・h,约占整个生命 古典经济学方法和社会成本法估算电力生产的外 周期的87%。丁淑英等 最大的相同结论,燃煤发电的环境成本大约为 运用ExternE方法 基于经济学理论、污 部成本,两种方法得出火力发电和核电环境成本 染物排放计算方法和单位污染物的环境损害成本, 并结合我国国情,建立了燃 4.5美分/kw-h。Dalia 7j运用ExternE方法 。。 煤发电环境成本计算模型,计算得出贵阳电厂的 面临当前严峻的环境压力和日益严格的环保 (影响路径法),计算出英国的发电平均外部成本 外部环境成本为21.76 ̄y/kW・h。 为3欧分/kw・h。彭春华¨ 结合遗传算法和粒子 收稿日期:2014—06—23。 作者简介:柳志平(1988一),女,硕士研究生,研究方向为火力发电经济性分析,E-mail:liuzhiping1988@163.com。 电力科学与工程 2014年 政策,深入分析燃煤发电企业带来的环境成本尤 为重要。但上述研究仅针对统计排放数据或根据 电厂或环保设备并不齐全、或环保设备效率存在 差异、或煤种变化,因此,根据排放统计数据计 (2)SO 排放因子 =1.6 X S X(1一 ) 某一特定电厂进行外部环境成本分析,由于燃煤 式中:S为全硫分,%;叼 为脱硫效率,%。 (3)NO 排放因子厂N =1.63 X(0.015 x/3×N+0.000 938) 算的外部环境成本对于加装环保设施、设备效率 式中:口为氮转化率,%;N为燃煤含氮量,%。 高且燃烧优质煤的发电企业来说并不公平,而且 (4)灰渣排放因子 在一定程度上不能正确评价那些产能落后的企业, =d XA/(1一C ) 不利于环境的改善。而且根据某一特定电厂估算 的外部环境成本,只考虑大气污染物环境成本, 未考虑水污染、固废污染引起的环境成本¨ 。 而针对煤种(我国主要动力用煤)对单位电量环 境外部成本的影响研究尚未报道。本文考虑燃煤 电厂产生的主要污染物(包含水污染、固废污 染)并给出其排放因子,为此,针对我国常规 300 Mw燃煤机组,基于排放因子法分析煤种对 外部环境成本的影响,通过对外部成本的估算以 寻求内部化的途径,降低燃煤发电的社会成本, 实现经济效益和社会效益的共赢。 1 燃煤电厂环境价值计算模型 燃煤电厂的环境成本包括内部环境成本和外 部环境成本,内部环境成本是指企业购置除尘脱 硫脱硝装置、建设绿化带等一系列减少污染所消 耗的费用,这些费用已包含在生产成本中;外部 环境成本则是企业向环境排放一系列污染物对环 境所造成的损失,目前尚不纳人生产成本中。下 文通过针对常规300 Mw燃煤机组外部环境成本 的研究,进而给相关政策者提供相关理论依据。 1.1污染物排放因子 燃煤电厂产生的主要污染物包括烟尘、SO:、 NO 、灰渣、粉煤灰、CO 、CO、污水、煤尘、 CH 。其排放因子计算如下: (1)烟尘排放因子. =A(dfh×(1一叩d)/(1一cm) 式中:A为灰分,%;d 为烟气携带出炉膛的飞灰 占总灰分的百分比,%;叩 为除尘效率,%;C 为 飞灰含碳量,%。 式中:d 为灰渣中的灰分占总灰分的百分比,%; C。为炉渣中可燃物百分比,%。 (5)粉煤灰排放因子 ff=dfIl×A X d/(1一Cf) 式中:C,为粉煤灰中可燃物百分比,%。 (6)CO:排放因子 。 , 采用IPCC计算方法 : fco =E X A c0 式中:E为单位热值潜在的碳排放量,无烟煤、 烟煤、贫煤、无烟煤的E值分别为98.3,94.6, 96.1,101,t/TJ;A 。 为二氧化碳与碳摩尔质 量比。 (7)CO排放因子 。 由文献[21]取fo :0 3。 (8)污水排放因子 由文献[17,22]取 =500 g/kW・h。 (9)煤尘排放因子 由文献[17]得出其排放因子为 = 2.56 g/kW・h。 (10)CH 排放因子 由文献[22]取fc =O.01 g/kW・h。 1.2污染物环境价值标准的确定 环境价值是对环境效益的货币化 ,货币化 过程存在许多不确定性,这是因为行为结果不只 一个,因此存在不确定性 。另外,由于污染物 的排放量计算与实际排放量存在差异,不同污染 物或同一污染物环境价值计量方法不同,个人偏 好不同等,因此计算出的单位电量环境成本会存 在一定差异 。参考中国排污总量收费标准 (ecs)并结合文献取各污染物的环境价值如表1 所示 第1O期 柳志平,等基于排放因子法的燃煤发电外部环境成本研究 65 1.3单位电量外部环境成本 CE=∑K xf,× ‘=l 2我国主要动力用煤发电的外部环境成本分析 以常规300 Mw机组为例,分析用不同煤种 式中:C 为单位电量外部环境成本, ̄ ̄/kW・h; n为污染物排放种类数;K为排放因子系数,当 时的外部环境成本。为使计算结果具有可比性, 为吨煤排放因子时,,c=b ×Q /(2 ;当 为单位 假设锅炉均为煤粉炉,供电煤耗为330 g标煤, 电量排放因子时,,c=1,其中b ,Q ,Q 分别为 年运行小时数均为6 000 h¨ ’ ,则年发电量为 单位电量标准煤耗,g/kW・h、标准煤低位发热 18亿kW・h;环保设施包括静电除尘器和湿法烟 量,kJ/kg、低位发热量,kJ/kg; 为第i种污染 气脱硫装置(现行脱销处于试点期,不考虑烟气 物排放因子;v为污染物环境价值, t。 脱硝),且假设其效率分别为99%,95% 。 该模型可用于我国电厂不同煤种的外部环境 我国主要动力煤的有关数据如表2所示 ,排放 成本计算且考虑水污染物和固废污染物所产生的 环境成本。 因子计算式中参数值如表3所示。 表2我国主要动力煤工业分析和元素分析 电力科学与工程 2014正 表3排放因子计算式中参数值 一 -(q.每 . v、幡援辉二 我国主要动力用煤发电造成的环境成本如图 面 1所示。该图表明:对于绝大多数动力煤,单位 电量环境成本大致处于7.5 5Y/kW・h的水平,这 与文献[5,7,16,19]有所不同。其原因是环 邕 境价值计算尚无统一的标准,存在许多不确定性, 如煤种、考虑污染物种数、污染物排放量计算方 法、污染物环境价值取值等因素;另外,文献 [5,7,16,19]针对的是某一电厂(大部分只考 虑大气污染物)或采用统计平均数据计算环境成 本,但本文只分析煤种(我国主要动力用煤)对 环境成本的影响,因此计算结果仍具有较强的可 比性。其中环境成本最高的淄博贫煤为11.27分/ kW・h,最低为大同烟煤5.45/kW・h分,两者 差值为5.82 5Y/kW・h,高于其中最低环境成本。 其主要原因是淄博贫煤的低位发热量尚不及大同 烟煤的一半,故其燃煤总量是大同烟煤的两倍多, 且淄博贫煤的灰分是大同烟煤的两倍左右,灰分 对烟尘、灰渣、煤粉灰的排放有较大影响,故其 总外部环境成本最大。另外,计算结果表明,各 煤阶中平均环境总成本最低的是烟煤为6.7分/ kW・h,无烟煤其次,贫煤和褐煤最高。而在我 国发电用煤中烟煤占90% ,故从外部性 角度 来看,我国燃煤发电用煤构成合理。^ 一 .事 .永一 恃毯骡 删 迥斟 0∞ 一 譬.李邑.求一2 3 4 5 6 7 8 9l0l112l 3l4l 5161 71 8l9 煤种 图1各煤种单位电量环境成本 为进一步探讨煤中各成分对外部环境成本的 影响,图2一图6给出了各成分生成的污染物对环 境成本的影响。图2表明,污染物SO:的环境成 本平均为0.75 ̄j'/kW・h,约占平均环境总成本 的10%,其中淄博贫煤和芙蓉贫煤的环境成本分 l 2 3 4 5 6 7 8 910ll 12l 314l 5l6I 7l 819 煤种 2各煤种SO:单位电量环境成本 — 低位发热量 二 綦 壁 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 1 2I 3141 5l617I 819 煤种 图3 NO 单位电量环境成本 低位发热量 t 28000 26000 .24000 量22000 曲l 綦20000 1 8000 邕16000 l4000 l斟 z 2000 一..一 事岂.求一_,恃氆螂酱卿 井嚣襟 却 1 2 3 4 5 6 7 8 910 11 l21314l 5l6l718I9 煤种 图4与灰分有关污染物环境成本 。D 二 恃 蟠 磐 血8 聃 1 2 3 4 5 6 7 8 910I1121 3141 5I61 71 8I9 煤种 图5 CO 单位电量环境成本 别为1.21分/kw・h和1.12 5Y/kW・h,其原因 是淄博贫煤低位发热量只有13 280 kJ/kg,含硫量 、埒《挥 第10期 (|I君 ,岜、娴《 i; 柳志平,等基于排放 子法的燃煤发电外部环境成本研究 67 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 污染物蚺位电量环境成本,(分・(kW-h)-’) 图7各煤种环境成本构成 豳藏液态污染物单位电锵环境成本 盟 崩态污染物单位电鼙环境成本 . 一 ≥ . 一、埒趟骡旨瓣唧 斟 4 2 O 8 6 4 2 图8各煤种分气、固、液3类污染物环境成本构成 和平均占到环境总成本的80%。由于加装除尘脱 硫设施,因此,SO,、烟尘对环境总成本的贡献相 对来说较小。粉煤灰所占比例较大,是因为未考 虑对其的有效利用,即利用率为0,如对粉煤灰 加以完全利用,外部平均环境成本可减少1.8分/ kW・h且可减少固废污染物的排放,可很好减缓 环境压力。将燃煤电厂污染物分为大气污染物、 水体污染、固体废弃物3类时,其环境成本构成 如图8所示。对于我国的主要动力用煤,大气污 染物所产生的环境成本均在70%以上,固废污染 物其次,水污染物最小。目前,我国动力用煤中 烟煤占90%1 221,其平均单位电量环境成本为6.7 分/kW・h,相应的环境成本构成如图9(a)所 示。对单位电量环境成本贡献最大的为CO ,其 次是NO 和粉煤灰,三者约占环境总成本80%。 上述分析针对的是常规300 Mw机组计算,为进 一步研究不同容量机组对单位电量环境成本的影 响,经计算得出常规600 Mw机组的平均单位电 量环境成本为6.4分/kW・h,与300 Mw相差不 大,且其环境成本百分比(图9(b))构成也与 300 MW大致相等。 电力科学与工程 2014正 囝 02 匹 SO, 圆N 蹬涵烟尘 参考文献: 圈嚣京灰 口CO 豳豳污水 Ⅲ唧Ⅲc}{d 圆煤尘 [1]财经网.http://economy.caijing.com.en/2012-03一 l3/l1 l740474.htm1. 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[10]European Commission.Externalities of Enery:Extgension of accounting framework and Policy Applications Final 响外部环境成本的主要因素是煤的低位发热量、 含氮量和灰分含量;环境成本与低位发热量呈负 相关关系、与含氮量和灰分含量呈正相关变化; 主要动力用煤的单位电量环境成本处于7.5分/ kW・h水平,比重较大的为CO,,NO ,粉煤灰3 种污染物,三者之和约占环境总成本的80%;我 国动力用煤中烟煤占90% ,主要动力用煤中烟 Technical Report[R].2005. [11]彭春华.综合环境保护及竞价风险的发电侧经济运行 [J].中国电机工程学报,2008,28(28):97—102. [12]方韬,李才华,张粒子.发电企业环境成本研究[J]. 中国电力,2005,38(11):16—20.. [13]李素真,王运民.燃煤电厂运行中环境成本分析与计 算[J].环境科学与技术,2009,32(9):129—131. [14]魏学好,周浩.中国火力发电行业减排污染物的环境 价值标准估算[J].环境科学研究,2003,16(1): 53—56. 煤的平均环境成本为6.7分/kW・h,低于其他 煤阶。 本文只考虑电厂燃煤发电环节所产生的外部 环境成本,如果让其承担发电环节所有外部环境 成本,则会严重影响到其积极性;因煤电链即煤 炭开采到燃煤发电,再到消费者用电都会产生一 [15]姜子英.我国核电与煤电的外部成本研究[D].北 京:清华大学,2008. [16]姜子英,程建平,刘森林,等.我国煤电的外部成本 初步研究[J].煤炭学报,2008.33(1 1): 1325一l328. 定的外部环境成本,故其中产生的环境成本应该 [17]郜哗昕.我国煤炭发电的外部成本研究[D].广州: 得到合理的内部化,不应只由某环节或者社会 华南理工大学,2012. 承担 [18]丁淑英,张清宇,郭慧.力发电环境成本计算模型研 第1O期 柳志平,等基于排放因子法的燃煤发电外部环境成本研究 究[J].上海环境科学,2006,26(2):58—61. 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Study on External Costs of Coal-ifred Electricity Generation Based on Emission FactOr Method Liu Zhiping,Ye Xuemin,Li Chunxi (School of Energy Power and Mechanical Engineering,Notrh China Electirc Power University,Baoding 071003,China) Abstract:External cost produced by coal—fired power generation should be adequately taken into account for pro— moting clean technologies for electircity generation.The most widely accepted common denominator is the SO-called external cost by which a monetary value is associated with environmental damage.For main power coals,external environmental cost of a 300 MW coal-fired power plant is examined,and main factors which affect the external cost are discussed.The results show that the external costs of different type coals are divergent,while most of them are at the level of 7.5 cents/kW・h;the lower heating value,ash and nitrogen contents have critical impacts on ex— ternal environmental cost;the external cost of bituminous coal in main power coals is about 6.7 cents/kW・h and less than that of other ranks of power coals. Kcywords:c0al—fired power generation;coal types;emission factors;external costs