Technologies, standards, practices and philosophical thinking of "Near Zero Emission" of power station air pollutants
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摘要:
生态文明建设是一场涉及生产方式、生活方式、思维方式和价值观念的革命。总结了清洁煤电“近零排放”的提出背景、环保政策及排放标准的发展历程，分析了燃煤大气污染物烟尘、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和汞等重金属排放控制技术发展现状以及燃煤机组实现“近零排放”的技术路线。选取不同区域典型燃煤机组进行案例分析，结果表明：典型机组烟尘、SO2及NOx排放浓度长期低于5、35、50 mg/m3，锦界三期、寿光电厂等机组低于1、10、20 mg/m3，舟山4号、三河4号机组实现“近零排放”后已稳定运行超过7年。研究“近零排放”煤电的经济性，分析“近零排放”的环境和社会效益，提出“近零排放”技术、标准和实践的哲学思考，展望清洁煤电绿色发展方向。燃煤发电“近零排放”技术和工程实践推动了我国环保标准的发展，标准提升促进了技术进步，基于我国国情持续推进煤炭清洁高效利用，不断提升环保标准，对保障我国的能源安全和可持续发展具有重要意义。
Abstract:The construction of ecological civilization is a revolution involving production methods, lifestyles, ways of thinking, and values. The background and the development of environmental policies and emission standards of "Near Zero Emission" (NZE) of clean coal combustion were summarized. The development status of pollutant emission control technologies regarding particulate matter, sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxides (NOx) and heavy metals including mercury and the technical route of NZE of coal-fired units were discussed. Typical cases in different zones were analyzed in detail. The results indicated that the emission of particulate matter, SO2, NOx from typical units was lower than 5, 35, 50 mg/m3 for a long period, respectively. The emission level of pollutants in Jinjie Power Plant Phase Ⅲ, and Shouguang Power Plant was lower than 1, 10, 20 mg/m3, respectively. Moreover, Zhoushan Unit 4 and Sanhe Unit 4 had been in stable operation for more than seven years after achieving the NZE standard of clean coal combustion. The economy of the NZE was studied, the benefits of NZE of clean coal combustion in the views of economy, environment, and society were analyzed, the philosophical thinking on NZE technologies, standards, and practices were proposed, and the green development direction of clean electricity was projected. The NZE technologies and engineering practices promoted the development of environmental protection standards in China, while the standards promoted the advancement of related technologies. Based on China's national conditions, it was of great significance to continuously promote coal utilization in a clean and efficient way and continuously improve environmental protection standards, to guarantee energy security and sustainable development.
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Keywords:
- energy security /
- air pollutant /
- emission standard /
- engineering practice /
- philosophical thinking
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能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，煤炭的开发利用为人类生活和社会经济的持续发展提供了重要的能源支撑和保障，同时也产生了严峻的环境问题，尤其是大气污染问题日益突出[1]。严格控制煤炭利用过程中的大气污染物排放，对中国乃至世界“走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路”具有重要意义。20世纪80年代和90年代，保护环境和节约资源先后成为中国的基本国策。党的十八大以来，生态文明列入中国特色社会主义“五位一体”的总体布局之中，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计，而实现能源独立是经济社会发展的重要保障。
能源技术、标准、实践的迭代创新和螺旋式进步，蕴含着人类文明进步的价值追求，其中排放标准和减排技术相辅相成，相互促进。排放标准为技术创新指明了目标和方向，而技术创新又推动着标准的发展。随着技术的不断进步，从国家层面制定并不断提高有强制效力的大气污染物排放标准对于污染物减排、大气质量改善具有重要意义[2]。2012年，神华集团对标GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》中天然气燃气轮机组大气污染物排放浓度限值，更为严格地提出了燃煤电厂大气污染物“近零排放”标准[3]，即燃煤电厂在基准氧含量6％条件下，烟尘、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）排放浓度限值分别为5、35、50 mg/m3。通过煤电“近零排放”工程实践和“近零排放”新技术的试验研究，2018年笔者提出“1123”生态环保排放标准[4]，即在基准氧含量6%的情况下，烟尘、SO2、NOx和汞及其化合物的排放浓度限值分别为1、10、20 mg/m3和3 μg/m3，为清洁煤电“近零排放”技术和标准的进步开启新的探索。“近零排放”是标准，是实践，亦是价值观。笔者梳理了燃煤大气污染物排放标准的历史演变过程，系统全面回顾了煤电“近零排放”标准提出10年来取得的工程实践和创新成果，研究工程实践中的典型案例，分析“近零排放”工程的经济和环境效益，提出“近零排放”的哲学思考，体现价值观追求的历史主动，以期为煤炭清洁低碳可持续发展提供借鉴和支撑。
1. 环保政策及标准发展
2013年9月10日，国务院印发《大气污染防治行动计划》，简称为“大气十条”，由此我国作为全球第一个全面治理PM2.5的发展中国家，开启了极不平凡的治理进程。国家及有关部委相继出台一系列生态环境保护政策（表1），多次修订生态环境保护法律法规。2014年4月，《中华人民共和国环境保护法》修订通过；2015年8月，《中华人民共和国大气污染防治法》第二次修订；2018年，《中华人民共和国环境保护税法》正式实施。
表 1 《大气污染防治行动计划》出台后有关生态环境保护政策Table 1. Relevant environmental protection policies after the release of Action Plan for Air Pollution Prevention and Control颁布年份 颁布部门 政策 重要内容或意义 2013 国务院 《大气污染防治行动计划》 明确到2017年全国地级及以上城市可吸入颗粒物浓度，以及京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度控制目标 原环境保护部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、财政部、住房和城乡建设部、国家能源局 《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》 明确2017年京津冀及周边地区细颗粒物浓度控制目标 2014 全国人民代表大会常务委员会 《中华人民共和国环境保护法》 完善环境保护基本制度，推进生态文明建设 2015 中共中央、国务院 《关于加快推进生态文明建设的意见》 强调将各类开发活动限制在资源环境承载能力之内 全国人民代表大会常务委员会 《中华人民共和国大气污染防治法》 防治大气污染，促进经济社会可持续发展 2016 财政部、原环境保护部 《大气污染防治资金管理办法》 确定专项资金支持大气污染治理领域和任务 国务院办公厅 《控制污染物排放许可制实施方案》 建立控制污染物排放许可制，实现“一证式”管理 国务院 《“十三五”节能减排综合工作方案》 大气污染治理目标相比“十二五”大幅提高 2017 原环境保护部 《火电厂污染防治技术政策》 指出燃煤电厂大气污染防治以全面实施超低排放为目标 原环境保护部 《城市环境空气质量变化程度排名方案》 推动地方政府开展大气污染防治工作 2018 全国人民代表大会常务委员会 《中华人民共和国环境保护税法》 排污企业的治污投入可有效降低企业污染排放和环保税支出 国务院 《打赢蓝天保卫战三年行动计划》 明确大气污染防治工作的总体思路、基本目标、主要任务和保障措施及计划进程 2019 生态环境部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、财政部、交通运输部 《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》 火电厂超低排放经验跨行业推广，推动了钢铁行业环保需求的提升 2020 中共中央办公厅、国务院办公厅 《关于构建现代环境治理体系的指导意见》 提出加快提高环保产业技术装备水平，鼓励企业参与绿色“一带一路”建设，为烟气治理企业进行海外项目拓展提供发展空间 2021 生态环境部 《2021—2022年秋冬季大气污染综合治理攻坚方案》 为“十四五”深入打好蓝天保卫战开好局、起好步 中共中央、国务院 《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》 提出到2025年生态环境持续改善，主要污染物排放总量持续下降 2022 国务院 《“十四五”节能减排综合工作方案》 综合考虑地区差异、环境质量状况等，因地制宜确定各地减排任务 2018年7月，国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》[5]（简称“蓝天保卫战”），其主要指标与“大气十条”对比情况详见表2。2021年2月，生态环境部在例行新闻发布会上宣布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》圆满收官[6]，并表示“十四五”期间将会编制空气质量全面改善行动计划，相当于大气污染防治第三阶段行动计划。
表 2 “蓝天保卫战”与“大气十条”主要指标对比Table 2. Comparison of main indicators between Blue Sky Protection Campaign and Action Plan for Air Pollution Prevention and Control指标 “大气十条”（2017年） 蓝天保卫战（2018年） PM2.5 比2012年下降10%以上 比2015年下降18%以上
（未达标城市）SO2 无明确指标规定 比2015年下降15%以上 NOx 无明确指标规定 比2015年下降15%以上 地级及以上城市空气
质量优良天数优良天数逐年提高 达到80% 地级及以上城市空气
质量重污染天数无明确指标规定 比2015年下降25% 伴随着经济社会发展和火电技术进步，国家出台一系列生态环境保护政策，火电厂大气污染物排放标准也多次修订[7-10]，于2011年形成目前执行的GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》。通过对比中国、美国、欧盟、日本、印度尼西亚、印度火电厂大气污染物排放标准（表3），中国燃煤锅炉的大气污染物排放浓度限值仍远高于天然气燃气轮机组，如果燃煤锅炉排放水平能够达到天然气燃气轮机组排放标准，且又具有良好的经济优势，则基于中国“贫油、少气、相对富煤”的能源结构特征，将对经济社会发展和生态文明建设产生重要的积极影响。
表 3 中国与部分国家/地区燃煤电厂和天然气燃气轮机组大气污染物排放浓度限值比较Table 3. Comparison of emission limits of air pollutants from coal-fired power plants and natural gas turbine units in China and some other countriesmg/m3 国家/地区 烟尘 SO2 NOx（以NO2计） 燃煤锅炉 天然气燃气轮机组 燃煤锅炉 天然气燃气轮机组 燃煤锅炉 天然气燃气轮机组 中国 30 5 100~400 35 100~200 50 美国 12 130~182 91~143 30 欧盟 10~30 150~400 150~300 50 日本 40 70 172 200 印尼 350 800 1 000 印度 30~100 100~600 100~300 注：燃煤锅炉基准氧含量执行6%；天然气燃气轮机组基准氧含量执行15%。 表4对比了中国和不同国家环境大气中PM2.5浓度水平[11]。美国、日本、德国等发达国家由于技术进步和能源结构调整，大气中PM2.5浓度基本保持在10 μg/m3左右，而中国和印度大气中PM2.5浓度明显高于其他各国，远高于2021年世界卫生组织（WHO）提出的过渡时期目标-4（IT-4）的10 μg/m3和《空气质量准则值》（AQG）的5 μg/m3，这在一定程度上反映了中国、印度两国以煤为主的能源结构。
表 4 1990—2021年部分国家大气中PM2.5浓度Table 4. Concentrations of PM2.5 in the atmosphere of some countries in the world from 1990 to 2021μg/m3 国家 1990年 2000年 2010年 2020年 2021年 中国 39 44 54 34.7 32.6 美国 16 15 12 9.6 10.3 日本 19 18 17 9.8 9.1 德国 30 18 16 10.1 10.6 印度 30 34 43 51.9 58.1 生态环境平衡是人类生存的前提和人类改造自然的基础，随着改善大气环境质量、缓解资源约束等重要举措不断推进，大气污染物排放限值在不断收紧，衡量标准的尺度逐步从克降到毫克、微克[12-13]。2012年，神华集团提出燃煤电厂大气污染物“近零排放”标准，并完成了一系列工程创新实践。2015年12月，原环境保护部等3个部门印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》发布，要求东、中、西部燃煤电厂分别在2017年、2018年、2020年底前实现超低排放，在基准氧含量6%条件下，烟尘、SO2、NOx排放浓度分别不高于10、35、50 mg/m³，燃煤电厂超低排放限值正式出台。2016年神华集团在山东寿光电厂建成了1 000 MW清洁煤电生态环保示范工程，实现了机组在远低于“近零排放”限值指标下的长周期安全稳定清洁运行。
2. “近零排放”技术发展及工程实践
2.1 污染物排放控制技术
2.1.1 烟尘排放控制技术
燃煤烟气除尘技术的发展经历了水膜除尘、机械除尘、电除尘和袋式除尘等阶段。近年来，随着“近零排放”的提出，我国研究开发了电除尘器高效电源、低低温静电、高效凝并、旋转电极、湿式静电除尘等关键技术[14-16]，通过工程应用，实现了PM2.5捕集率达99%以上，烟尘排放浓度低于5 mg/m3。河北三河电厂2号、4号机组分别采用龙净环保和菲达环保的刚性极板湿式电除尘器，除尘率均超过80%；4号机组集成应用了多项烟尘排放控制新技术[17]，经中国环境监测总站现场监测，烟尘排放浓度为0.23 mg/m3。
2.1.2 SO2排放控制技术
国内烟气脱硫技术通过多年发展，实现了从引进国外技术到自主研发再创新的跨越。国内研发的单塔强化吸收、双循环、托盘、旋汇耦合等石灰石-石膏湿法脱硫技术和高效海水脱硫技术[18-20]，在300~1 000 MW燃煤机组上实现了示范应用，脱硫率超过99%。河北三河、定州等电厂采用国华电力研究院研发的单塔强化吸收脱硫技术[2]，实现SO2排放浓度低于20 mg/m3；浙江舟山4号机组采用国电龙源环保的高效海水脱硫工艺，SO2排放浓度仅为2.76 mg/m3；国电清新环保旋汇耦合脱硫技术在河北三河、河南孟津等电厂应用，在实现高效脱硫的同时，对降低烟尘排放浓度也有协同效应。
2.1.3 NOx排放控制技术
中国低氮燃烧技术伴随着燃煤锅炉NOx排放标准的不断提高而快速发展。通过开展锅炉低氮燃烧技术研究和工程实践[2]，神华集团在燃用神华煤的浙江宁海电厂600 MW机组实现了锅炉省煤器出口NOx排放浓度低于120 mg/m3。目前，选择性催化还原（SCR）脱硝已经是燃煤电厂应用最广泛的烟气脱硝技术[21-22]，脱硝率已超过90%，通过与低氮燃烧技术耦合，能够实现NOx排放浓度小于35 mg/m3。东北电力大学等开发了可控高温预热解技术，完成锅炉超低NOx排放仿真研究[23]，并在40 MW等级煤粉燃烧试验装置上燃用神华煤，不喷氨条件下实现锅炉尾部烟气中NOx浓度达到48.6 mg/m3，CO浓度达到175 mg/m3。
2.1.4 汞排放控制技术
由于常规的污染物控制系统难以实现汞的深度稳定脱除（汞脱除率≥90%）[24-25]，华北电力大学创建了经济高效的燃煤重金属汞深度脱除技术路线，研发了飞灰吸附剂“在线改性、均匀喷射、即时吸附”一体化技术[26]，开发了工业规模的溴化机械飞灰脱汞吸附剂制备技术及成套装备。研究成果在300和1 000 MW燃煤机组成功应用，实现气相汞的整体脱除率达到90%以上[27]，汞排放浓度分别为0.29和1.52 μg/m3，成本仅为国际主流活性炭喷射脱汞技术的10%~15%。
2.1.5 碳捕集、利用和封存技术
燃煤电厂开展CO2减排将是发展趋势[28-29]。目前，国外有百万吨级碳捕集、利用和封存（CCUS）示范工程运行经验，中国CCUS技术通过多年发展，已能够实现CO2的规模化捕集和封存利用。2021年6月，国内最大规模的国能锦界电厂15万t/a碳捕集示范项目通过168 h试运行，经第三方测试，CO2捕集率>90%，CO2浓度>99.9%，再生热耗2.35 GJ/t（以CO2计）。目前CO2主要用于生产小苏打、碳酸二甲酯和驱油封存，同时积极探索CO2加氢制甲醇和CO2矿化利用，正在开展万吨级CO2矿化制备建材示范项目的建设。
2.2 “近零排放”工程实践
2.2.1 满足“近零排放”标准的工程实践
基于国内污染物排放控制技术发展，神华集团研究制定了煤电大气污染物“近零排放”原则性技术路线，如图1所示。基于该技术路线，我国不同区域燃煤电厂开展了大量的“近零排放”工程实践。2014年6月，在浙江舟山电厂建成国内首台“近零排放”新建燃煤机组[30]；2014年7月，在河北三河电厂建成京津冀首个“近零排放”技术示范工程，获得国家能源局颁发的“国家煤电节能减排示范电站”称号。神华“近零排放”燃煤机组问世，中国迎来“煤电清洁化”时代，入选新华社《经济参考报·能源周刊》2014年中国能源十大新闻。截至2021年底，我国已有超过10亿kW燃煤机组实现了“近零排放”或超低排放。
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图 1 燃煤电厂大气污染物“近零排放”原则性技术路线Figure 1. Principle technical route of NZE of air pollutants in coal-fired power plants2.2.1.1 浙江舟山电厂
浙江舟山电厂4号350 MW超临界机组，采用“锅炉低氮燃烧+高效SCR脱硝+干式静电除尘+海水脱硫协同除尘+湿式电除尘器”的技术路线，如图2所示。2014年6月，该机组成为全国首台通过环保验收的“近零排放”新建燃煤机组。经浙江省环境监测中心现场测试，该机组在100%负荷条件下，烟尘、SO2和NOx排放浓度分别为2.46、2.76和19.8 mg/m3。
2.2.1.2 河北三河电厂
遵循清洁煤电“近零排放”原则性技术路线，河北三河电厂4台机组有针对性地制定了实施技术路线，如图3所示。通过不同污控技术的组合及系统集成优化，最终实现了4台煤电机组“近零排放”和经济高效运行，保证了技术路线的可行、先进性与示范性。3号机组在不增加湿式电除尘器的前提下，通过系统优化和采用脱硫除尘一体化技术，实现了“近零排放”；4号机组采用了管束式除尘除雾一体化装置和湿式电除尘器，并应用了具有自主知识产权的改性飞灰脱汞技术，经中国环境监测总站等第三方现场测试，烟尘排放浓度仅为0.23 mg/m3，SO2、NOx排放浓度分别为5.9和20 mg/m3，汞排放浓度为0.29 μg/m3。三河电厂应用不同类型的湿式电除尘器后，实现了烟尘排放浓度由5 mg/m3到1 mg/m3的跨越。
本文中的燃煤烟气污染物实际排放数据采用固定污染源烟气排放连续监测系统（CEMS）进行动态连续监测，同步上传到生态环境管理部门，监测结果作为生态环境主管部门、社会组织、公众对燃煤电厂大气污染物排放情况实施监督的依据，具有很强的可靠性。舟山电厂4号、三河电厂4号机组实现“近零排放”后，已稳定运行超过7年，其CEMS实时监测数据见图4和图5。长周期运行实践表明，燃煤机组在不同负荷下的大气污染物排放浓度变化幅度较小，较为稳定，烟尘、SO2、NOx排放浓度均低于5、35、50 mg/m3的“近零排放”标准。
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图 4 舟山电厂4号机组CEMS实时监测数据Figure 4. CEMS real-time monitoring data of Unit 4 of Zhoushan Power Plant![]()
图 5 三河电厂4号机组CEMS实时监测数据Figure 5. CEMS real-time monitoring data of Unit 4 of Sanhe Power Plant2.2.2 满足“1123”生态环保排放标准的工程实践
为建设更高标准的生态环保型清洁煤电，从“近零排放”向更好更优的目标迈进，以烟尘1 mg/m3、SO2 10 mg/m3、NOx 20 mg/m3为新目标新标准，打造全绿色电力。我国燃煤电厂环保技术呈多元化发展趋势，考虑到煤质、工程建设、运行维护等因素，不同燃煤机组采用的技术路线可以由不同技术流派的环保设施组成[31-32]。以山东、陕西、江西、湖南等区域的新建600~1 000 MW燃煤机组为例，分析其采用的环保技术，经第三方监测的环保排放指标见表5，其长周期CEMS实时在线监测数据见图6~图13。
表 5 燃煤机组“近零排放”指标统计Table 5. Index statistics of NZE for coal-fired units电厂 机组 容量/MW 污染物排放指标/（mg/m3） 第三方检测情况 投产时间（年-月） 烟尘 SO2 NOx 检测单位 检测时间（年-月） 锦界 5号 660 0.5 7 19 西安热工研究院 2021-11 2020-12 6号 660 0.4 6.3 19.7 2021-11 2020-12 寿光 1号 1 000 <1 2 18 山东省环境监测中心站 2016-10 2016-07 2号 1 000 <1 <2 16 2017-01 2016-11 九江 1号 1 000 1.8 9.17 22.44 杭州天量检测科技有限公司 2017-07 2017-07 2号 1 000 1.5 8.68 27.77 2018-06 2018-06 永州 1号 1 000 1.2 11 17 湖南湘健环保科技有限公司 2021-11 2021-10 2号 1 000 1.4 13 39 2022-01 2021-11 ![]()
图 6 锦界5号机组CEMS实时监测数据Figure 6. CEMS real-time monitoring data of Unit 5 of Jinjie Power Plant![]()
图 7 锦界6号机组CEMS实时监测数据Figure 7. CEMS real-time monitoring data of Unit 6 of Jinjie Power Plant![]()
图 8 寿光1号机组CEMS实时监测数据Figure 8. CEMS real-time monitoring data of Unit 1 of Shouguang Power Plant![]()
图 9 寿光2号机组CEMS实时监测数据Figure 9. CEMS real-time monitoring data of Unit 2 of Shouguang Power Plant![]()
图 10 九江1号机组CEMS实时监测数据Figure 10. CEMS real-time monitoring data of Unit 1 of Jiujiang Power Plant![]()
图 11 九江2号机组CEMS实时监测数据Figure 11. CEMS real-time monitoring data of Unit 2 of Jiujiang Power Plant![]()
图 12 永州1号机组CEMS实时监测数据Figure 12. CEMS real-time monitoring data of Unit 1 of Yongzhou Power Plant![]()
图 13 永州2号机组CEMS实时监测数据Figure 13. CEMS real-time monitoring data of Unit 2 of Yongzhou Power Plant2.2.2.1 山东寿光电厂
山东寿光电厂2台1 000 MW超超临界机组，采用静电除尘耦合湿式电除尘技术，静电除尘器前设置低温省煤器。采用湿法脱硫除尘一体化技术，单塔5层喷淋、两级屋脊式和一级管式除雾器。低氮燃烧采用DBC-OPCC型高效低污染旋流煤粉燃烧器，SCR脱硝催化剂采用蜂窝结构，还原剂为尿素热解制氨。
2.2.2.2 陕西锦界电厂
陕西锦界三期2台660 MW超超临界机组为世界首个汽轮机高位布置发电机组[33]，采用静电除尘耦合湿式电除尘技术，静电除尘器前设置低温省煤器。采用湿法脱硫除尘一体化技术，单塔5层喷淋、三级屋脊式除雾器。采用低氮燃烧技术降低NOx排放，SCR脱硝催化剂采用蜂窝结构，还原剂为尿素热解制氨。采用智能喷氨技术，实现NOx的高效脱除，减少用氨量和氨逃逸。
2.2.2.3 江西九江电厂
江西九江电厂2台1 000 MW超超临界机组，采用静电除尘耦合湿式电除尘技术，两级低温省煤器采用分段布置，分别位于除尘器入口、引风机出口。采用单塔四区湿法脱硫技术，配置5层喷淋层、两级屋脊式和一级管式除雾器。采用低氮燃烧技术降低NOx排放，设置3层SCR脱硝装置，还原剂为尿素热解制氨。
2.2.2.4 湖南永州电厂
湖南永州电厂2台1 000 MW超超临界机组，采用静电除尘耦合湿式电除尘技术，静电除尘器前设置低温省煤器。采用湿法脱硫除尘一体化技术，单塔5层喷淋、两级屋脊式和一级管式除雾器。采用低氮燃烧技术降低NOx排放，SCR脱硝催化剂采用蜂窝结构，还原剂为尿素热解制氨。
从上述电厂排放数据可以看出，烟尘、SO2及NOx排放浓度均低于5、35、50 mg/m3的“近零排放”标准，锦界三期、寿光电厂等机组低于1、10、20 mg/m3的生态环保“近零排放”标准，且长周期运行监测数据均较为稳定。实践表明，燃煤电厂实现生态环保“近零排放”是可行、可靠、稳定且富有成效的。
3. “近零排放”工程经济性分析
燃煤电厂“近零排放”工程的经济性分析主要聚焦在项目投产之前的初投资费用，以及项目投产之后的运行费用等，通过分析工程造价、检修维护成本、销售电价等可以系统研究“近零排放”煤电的经济性[34]。以河北省16台实现“近零排放”的燃煤发电机组为样本，通过分析测算，按照20%的项目资本金率、6.55%的贷款年利率、15 a的设备剩余寿命周期、年检修成本为总投资的2.5％、4 000 h的年发电利用小时、10%的资本金收益率来测算投资及运营成本，“近零排放”增加成本平均在0.01元/(kW·h)左右[35-36]。按照2015年国家发展和改革委员会等部委发布的超低排放机组电价支持标准，对2016年1月1日以前实现并网运行的现役超低排放机组的统购上网电量加价0.01元/(kW·h)(含税)，可以有效覆盖“近零排放”成本。即使在上网电价的基础上加入“近零排放”成本，清洁煤电仍具有明显的经济性。
4. “近零排放”环境社会效益
在煤炭各类利用方式中，燃煤发电最清洁高效，同时，“近零排放”是燃煤发电最直接有效的减排工程。根据中国电力企业联合会和地方政府公布数据，在实施“近零排放”之前的2013年，京津冀区域煤电烟尘(PM2.5、PM10)、SO2、NOx排放量分别为13.4万、56.7万和64.3万t，全部燃煤机组实现“近零排放”后，分别减排约96%、93%、92%，因此推进燃煤发电机组大气污染减排对解决大气污染问题具有重要意义[35]。根据公布的PM2.5、PM10、SO2、NOx数据，对2013—2019年京津冀及周边地区“2+26”城市大气污染特征进行分析[37-39]，2019年PM2.5、PM10、SO2、NOx比2013年分别下降了50%、41%、79%和20%，重污染天数比2013年下降67%，严重污染天数降幅达90%。2020年，全国空气质量总体改善，全国地级及以上城市优良天数比例为87%，较2015年上升5.8个百分点（目标3.3个百分点），超额完成“十三五”目标要求。燃煤机组“近零排放”为持续改善京津冀等重点区域环境空气质量作出了积极贡献[40]。
通过实施燃煤电厂“近零排放”，有效带动了我国装备制造发展，推动了各行业环保产业进步，促进了经济社会发展。截至2021年底，全国已完成超低排放改造的钢铁企业23家，产能约1.45亿t，正在实施超低排放改造的钢铁企业225家，产能约5.36亿t。同时，“近零排放”或超低排放改造正向水泥、玻璃、焦化等污染物排放量大的行业推广和延伸，条件成熟，大有可为。
“近零排放”技术的创新实践成果，为中国、亚洲乃至全世界的煤炭清洁高效利用提供了有力支撑。“一带一路”沿线64个国家大多为新兴经济体和发展中国家，总人口约32亿人，占世界人口的43%，这些国家普遍处于经济发展的上升期，且有着丰富的煤炭储量和消费量。以中国和印度为例，2000年煤炭消费量分别占世界煤炭消费总量的29%和6%，到2020年已上升到占世界煤炭消费总量56%和11%。在“一带一路”沿线国家，尤其是东南亚国家的经济社会发展中，需要经济的、易获得的清洁煤电支持，这也是发展中国家的发展权，是解决能源贫困、实现可持续发展的有力支撑。伴随中国“一带一路”倡议的深入推进，以及中国清洁煤电技术方案的输出，包括中国神华国华电力与印尼国家电力公司在印尼合作建设的爪哇7号2台清洁高效煤电机组分别于2019年和2020年投产，并实现长周期安全稳定运行，将会帮助“一带一路”沿线国家提供更加符合国情、清洁高效、科学合理的能源保供方案。
5. “近零排放”的哲学思考
哲学源于人们对实践问题的追问与思考，哲学的重要意义不仅是从不同角度、用不同方式解释客观世界，更重要的是去不断地改变世界。工程是技术集成与构建，其承担着实现经济效益和公众利益的使命。工程建设有工程的思维、理念，有工程的社会观、系统观、生态观、伦理观、文化观。工程哲学是一种实践哲学，通过从哲学高度探讨工程实践的初心、过程及结果，促使工程从价值观到方法论，从内涵到外延，达到真善美的境界[41]。“近零排放”技术工程，聚焦“近零排放”标准、实践以及蕴含人类价值观的本性，通过从近零排放标准的提出到技术创新和工程实践的全过程，追求“天、地、人”的和谐统一，也就是员工、企业、社会、自然的和谐统一，在此基础上通过系统思考工程建设的意境和设计方案，集思广益将创新理念贯穿到工程建设的全方位、全过程，为我国能源行业先立后破、安全降碳，践行“人与自然和谐共生”提供了可行、可靠、可持续的发展途径。
“旧邦新命”的历史方位孕育了“近零排放”的沃土。人类文明进步和经济社会发展是一个迭代式创新、螺旋式上升的过程，推动能源利用方式的变革[42-43]，实现符合能源资源禀赋、符合各国基本国情、符合客观发展规律、符合生态文明建设需求的能源独立至关重要。在我国源远流长的文化传统中以及在工业文明发展的几百年间，面对能源利用过程中产生污染物排放的客观事实，控制和治理成为两项不可偏废的极其重要的行动。进入社会主义生态文明新时代、社会主义现代化建设新征程，基于我国“旧邦新命”的历史方位、管理者“经世致用”的使命，以及在此基础上形成的自信和自我期许[44]，为“近零排放”提供了肥沃土壤。开展“近零排放”这一行动需要标准引领，通过推动我国燃煤电厂排放标准的进步，实现了煤电从“达标排放”到“近零排放”[45]的进步。标准的进步引领了技术创新和工程实践，而工程是技术的集成体，技术必须是可实践的、有效的、创造价值的，需要通过集成、组织和实践的构建过程，打造持续创新创造价值的系统性工程。一个时期以来，我们通过“近零排放”技术、700 ℃超超临界燃煤发电技术创新（锦界电厂高位布置）、CCUS等技术进步和工程创新，为实现煤炭清洁高效利用奠定了坚实基础。
“人民至上”的本质属性引领了“近零排放”的实践。在我国传统文化和哲学思想中，“治国有常，利民为本”是第一要务，不断追求实现人的幸福是最高的善。当前世界处于百年未有之大变局，各国之间日益成为相互依存、休戚与共的“人类命运共同体”，联合国可持续发展目标之一就是“确保人人获得负担得起的、可靠和可持续的现代能源”。保障能源安全事关人民的生存权、发展权、幸福权，亚洲各国绝大多数仍是发展中国家，其中，东南亚国家拥有超过6.25亿的人口，但仍有1/5左右的人口未用上电。煤电作为世界上的电力装机容量主体和电量主体，面对“人民对美好生活的向往”“人与自然和谐共生”的需要，面对亚洲乃至“一带一路”等发展中国家丰富的煤炭资源储量，创新发展“近零排放”的清洁煤电，进而提供“百姓用得起、利用清洁化、供给有保障”的清洁能源、现代能源，对于落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略，对于解决中国、亚洲乃至世界能源贫困问题，实现空气质量控制目标以及生态环境保护、经济社会可持续发展、人民生活水平的提高，具有重要的现实意义，都是我们的追求和价值观[46]。
“道法自然”的思想境界推动了“近零排放”的升华。自然界是人类的公共福利，人与自然要和谐共处[47]。恩格斯曾经说：“不要过分陶醉于我们对于自然界的胜利，对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。”人对大自然和未来的人的存在负有本体责任，每个人必须对生态文明负有责任。人类的发展活动必须尊重自然、顺应自然、保护自然，否则将会自食后果。只有让发展方式绿色转型，才能适应自然的规律。作为能源企业、能源工作者，我们要坚持以习近平生态文明思想为指导，深刻认识到大气污染物治理的长期性、复杂性和艰巨性，克服“近零排放”从标准提出到工程实践面临的压力和挑战，主动创新、主动环保，自立自强，遵循“天人合一”“道法自然”的理念[48-49]，深入践行“提高污染排放标准”“还自然以宁静、和谐、美丽”的要求，推动煤电从“达标排放”到“近零排放”，实现由“功利境界”到“道德境界”的跨越和升华，并在“近零排放”的基础上向“1123”生态环保排放标准乃至更好更优的排放目标努力，通过“苟日新，日日新，又日新”的迭代升级创新实践行动，实现自强不息、止于至善，实现由“道德境界”迈向“哲学境界”[50-51]。
6. 总结和展望
（1）系统梳理了《大气污染防治行动计划》出台以来的相关环保政策和燃煤大气污染物排放标准的历史沿革，回顾了从首次提出“近零排放”标准，到不断实践，推动标准应用，进一步深化形成“1123”生态环保排放标准的发展过程。
（2）分析了燃煤大气污染物烟尘、SO2、NOx和汞等重金属排放控制技术现状及发展过程，为不断发展的“近零排放”标准和大气中PM2.5达到10 μg/m3的目标提供技术支撑。
（3）结合清洁煤电“近零排放”原则性技术路线，分析了舟山、三河等燃煤机组达到大气污染物“近零排放”标准和寿光、锦界三期等燃煤机组满足“1123”排放标准的典型案例。
（4）从工程造价、检修维护成本、销售电价、年发电利用小时、资本金收益率等方面研究了“近零排放”煤电的经济性，分析了“近零排放”的环境和社会效益。
（5）在“四个革命、一个合作”能源安全新战略和“双碳”目标下，面对大气污染物治理仍存在不平衡不充分的问题，还需要先立后破、自立自强，强化化石资源的燃料与原料属性的耦合，推动大气污染物排放标准更好更优，化石能源高效清洁低碳利用技术不断创新迭代，提高环保设备对劣质燃料、深度调峰、快速变工况的适应性，促进大气污染物和CO2协同减排技术进步和工程应用。
（6）对于“一带一路”沿线国家，尤其是东南亚国家，清洁煤电是经济的、易获得能源，这也是发展中国家的发展权，是解决能源贫困、实现可持续发展的有力支撑。通过发展和推广“近零排放”清洁煤电技术，为“一带一路”沿线国家提供更加符合国情、科学合理、清洁高效的能源保障方案。
（7）清洁煤电“近零排放”是标准、是实践，亦是价值观，是在推动人类进步发展、解决能源贫困、建设生态文明过程中的重要推动力，需要通过“苟日新，日日新，又日新”的迭代升级创新实践行动，实现止于至善，实现由“道德境界”向“哲学境界”迈进。
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图 1 燃煤电厂大气污染物“近零排放”原则性技术路线
Figure 1. Principle technical route of NZE of air pollutants in coal-fired power plants
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图 4 舟山电厂4号机组CEMS实时监测数据
Figure 4. CEMS real-time monitoring data of Unit 4 of Zhoushan Power Plant
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图 5 三河电厂4号机组CEMS实时监测数据
Figure 5. CEMS real-time monitoring data of Unit 4 of Sanhe Power Plant
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图 6 锦界5号机组CEMS实时监测数据
Figure 6. CEMS real-time monitoring data of Unit 5 of Jinjie Power Plant
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图 7 锦界6号机组CEMS实时监测数据
Figure 7. CEMS real-time monitoring data of Unit 6 of Jinjie Power Plant
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图 8 寿光1号机组CEMS实时监测数据
Figure 8. CEMS real-time monitoring data of Unit 1 of Shouguang Power Plant
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图 9 寿光2号机组CEMS实时监测数据
Figure 9. CEMS real-time monitoring data of Unit 2 of Shouguang Power Plant
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图 10 九江1号机组CEMS实时监测数据
Figure 10. CEMS real-time monitoring data of Unit 1 of Jiujiang Power Plant
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图 11 九江2号机组CEMS实时监测数据
Figure 11. CEMS real-time monitoring data of Unit 2 of Jiujiang Power Plant
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图 12 永州1号机组CEMS实时监测数据
Figure 12. CEMS real-time monitoring data of Unit 1 of Yongzhou Power Plant
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图 13 永州2号机组CEMS实时监测数据
Figure 13. CEMS real-time monitoring data of Unit 2 of Yongzhou Power Plant
表 1 《大气污染防治行动计划》出台后有关生态环境保护政策
Table 1 Relevant environmental protection policies after the release of Action Plan for Air Pollution Prevention and Control
颁布年份 颁布部门 政策 重要内容或意义 2013 国务院 《大气污染防治行动计划》 明确到2017年全国地级及以上城市可吸入颗粒物浓度，以及京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度控制目标 原环境保护部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、财政部、住房和城乡建设部、国家能源局 《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》 明确2017年京津冀及周边地区细颗粒物浓度控制目标 2014 全国人民代表大会常务委员会 《中华人民共和国环境保护法》 完善环境保护基本制度，推进生态文明建设 2015 中共中央、国务院 《关于加快推进生态文明建设的意见》 强调将各类开发活动限制在资源环境承载能力之内 全国人民代表大会常务委员会 《中华人民共和国大气污染防治法》 防治大气污染，促进经济社会可持续发展 2016 财政部、原环境保护部 《大气污染防治资金管理办法》 确定专项资金支持大气污染治理领域和任务 国务院办公厅 《控制污染物排放许可制实施方案》 建立控制污染物排放许可制，实现“一证式”管理 国务院 《“十三五”节能减排综合工作方案》 大气污染治理目标相比“十二五”大幅提高 2017 原环境保护部 《火电厂污染防治技术政策》 指出燃煤电厂大气污染防治以全面实施超低排放为目标 原环境保护部 《城市环境空气质量变化程度排名方案》 推动地方政府开展大气污染防治工作 2018 全国人民代表大会常务委员会 《中华人民共和国环境保护税法》 排污企业的治污投入可有效降低企业污染排放和环保税支出 国务院 《打赢蓝天保卫战三年行动计划》 明确大气污染防治工作的总体思路、基本目标、主要任务和保障措施及计划进程 2019 生态环境部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、财政部、交通运输部 《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》 火电厂超低排放经验跨行业推广，推动了钢铁行业环保需求的提升 2020 中共中央办公厅、国务院办公厅 《关于构建现代环境治理体系的指导意见》 提出加快提高环保产业技术装备水平，鼓励企业参与绿色“一带一路”建设，为烟气治理企业进行海外项目拓展提供发展空间 2021 生态环境部 《2021—2022年秋冬季大气污染综合治理攻坚方案》 为“十四五”深入打好蓝天保卫战开好局、起好步 中共中央、国务院 《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》 提出到2025年生态环境持续改善，主要污染物排放总量持续下降 2022 国务院 《“十四五”节能减排综合工作方案》 综合考虑地区差异、环境质量状况等，因地制宜确定各地减排任务 
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表 2 “蓝天保卫战”与“大气十条”主要指标对比
Table 2 Comparison of main indicators between Blue Sky Protection Campaign and Action Plan for Air Pollution Prevention and Control
指标 “大气十条”（2017年） 蓝天保卫战（2018年） PM2.5 比2012年下降10%以上 比2015年下降18%以上
（未达标城市）SO2 无明确指标规定 比2015年下降15%以上 NOx 无明确指标规定 比2015年下降15%以上 地级及以上城市空气
质量优良天数优良天数逐年提高 达到80% 地级及以上城市空气
质量重污染天数无明确指标规定 比2015年下降25%
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表 3 中国与部分国家/地区燃煤电厂和天然气燃气轮机组大气污染物排放浓度限值比较
Table 3 Comparison of emission limits of air pollutants from coal-fired power plants and natural gas turbine units in China and some other countries
mg/m3 国家/地区 烟尘 SO2 NOx（以NO2计） 燃煤锅炉 天然气燃气轮机组 燃煤锅炉 天然气燃气轮机组 燃煤锅炉 天然气燃气轮机组 中国 30 5 100~400 35 100~200 50 美国 12 130~182 91~143 30 欧盟 10~30 150~400 150~300 50 日本 40 70 172 200 印尼 350 800 1 000 印度 30~100 100~600 100~300 注：燃煤锅炉基准氧含量执行6%；天然气燃气轮机组基准氧含量执行15%。
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表 4 1990—2021年部分国家大气中PM2.5浓度
Table 4 Concentrations of PM2.5 in the atmosphere of some countries in the world from 1990 to 2021
μg/m3 国家 1990年 2000年 2010年 2020年 2021年 中国 39 44 54 34.7 32.6 美国 16 15 12 9.6 10.3 日本 19 18 17 9.8 9.1 德国 30 18 16 10.1 10.6 印度 30 34 43 51.9 58.1
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表 5 燃煤机组“近零排放”指标统计
Table 5 Index statistics of NZE for coal-fired units
电厂 机组 容量/MW 污染物排放指标/（mg/m3） 第三方检测情况 投产时间（年-月） 烟尘 SO2 NOx 检测单位 检测时间（年-月） 锦界 5号 660 0.5 7 19 西安热工研究院 2021-11 2020-12 6号 660 0.4 6.3 19.7 2021-11 2020-12 寿光 1号 1 000 <1 2 18 山东省环境监测中心站 2016-10 2016-07 2号 1 000 <1 <2 16 2017-01 2016-11 九江 1号 1 000 1.8 9.17 22.44 杭州天量检测科技有限公司 2017-07 2017-07 2号 1 000 1.5 8.68 27.77 2018-06 2018-06 永州 1号 1 000 1.2 11 17 湖南湘健环保科技有限公司 2021-11 2021-10 2号 1 000 1.4 13 39 2022-01 2021-11
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