［本站讯］近日，威海前沿交叉研究院联合华中科技大学、格罗宁根大学、复旦大学和厦门大学等多家科研机构，在环境领域期刊Resources, Conservation & Recycling 发表了题为“The Co-Benefits of Clean Air and Low-Carbon Policies on Heavy Metal Emission Reductions from Coal-Fired Power Plants in China”的研究论文。

该研究构建了涵盖煤耗量、机组类型、污控设施等信息在内的电厂级基础数据库，核算了2005-2020年中国燃煤电厂重金属排放（Hg、Pb、Cd、Cr、Ni、Sb、Mn、Co、Cu、Zn、As和Se）的详细清单。在此基础上，结合目前污染物控制政策和碳减排政策，构建了不同政策情境下中国未来燃煤电厂重金属的减排路径。研究结果表明：得益于燃煤电厂超低排放改造和“上大压小”等措施，中国燃煤电厂相关重金属排放从2005年到2020年下降明显，但减排效果在不同地区之间存在显著差异。情景分析显示：相比于降低年度发电小时数和增加洗煤比重，将燃煤电厂的预期寿命缩短为20年是减少中国燃煤电厂重金属排放最有效的措施。研究为重金属、碳排放和常规污染物的精准协同减排提供了路径依据，也为中国统筹《水俣公约》和“碳中和”等战略目标提供了指导。

图1. 2005-2020年的重金属排放总量（a）按照电厂容量划分，（b）按照重金属种类划分

图2. 电厂级的重金属排放

重金属排放在“十一五”计划期间（2005-2010）下降最为明显，随后下降速度逐步放缓（图1a）。从装机容量来看，大型燃煤电厂（装机容量大于1200MW）的重金属排放在2005-2020年几乎增长了两倍，从1659.5吨增加到5446.3吨，在2020年成为主要重金属排放来源。由于小型燃煤电厂（装机容量小于300M）大多为装备落后的工业自备电厂，重金属脱除效率和发电效率较低，加之近年来“上大压小”等政策的作用，其重金属排放量从2005年的6377.9吨下降到了2020年的577.5吨。另外，中型燃煤电厂（装机容量大于300MW小于1200MW）的重金属排放减少了近40%（从4832.4吨下降到2777.2吨）。从总重金属排放种类来看，12种重金属中，Mn, Zn 和Cu的排放量位居前三名，合计占据了总排放的近70%。除了Sb和Mn以外的其他10种重金属的排放量都呈现下降趋势，其中Sb的排放增长了84%，这是由于煤耗大省的煤炭来源从Sb含量低的区域（山西和内蒙古）转变为煤炭中Sb含量高的区域（陕西和贵州）。

中国省级区域之间重金属排放差异巨大。排放量位居前5的省份占全国总排放量的近40%，相比之下，排放量最小的五个省份的排放量仅占全国总排放量的2%。另外，排放量大的省份已经从人口众多经济发达的传统工业省份（如江苏、四川和广东）转移到煤矿丰富的省份（如内蒙古、山西和陕西）。值得注意的是，得益于燃煤电厂污控设备的升级改造以及关闭效率低下的小电厂等措施， 2005-2020年期间有22个省份的重金属排放有所下降，其中四川、江苏和浙江的减排量位居前三名；但是，由于新建燃煤电厂数量大增导致的煤耗巨增，内蒙古、宁夏和青海的重金属排放总量在研究期间几乎翻倍。

图3.（a）中国燃煤电厂建设时间及累计容量，（b）-（d）在20年、30年、40年预期寿命情境下，未来装机容量变化情况，（e）36种情境下未来累计重金属排放量，（f）-（h）36种情境下未来燃煤电厂重金属排放的减排路径

目前中国电厂普遍年轻，剩余寿命较长。总体来看，将预期寿命设置为20年，可以很大程度降低未来潜在重金属的排放量，其中预期寿命为20年的情景包揽了未来排放总量最小的10个情景中的7个。相反，未来潜在排放最大的10个情景中有9个为预期寿命为40年的情景，总排放量高达125.1-220.4吨不等。其中最严格政策情景（“5%−1.5℃–20 ”，即洗煤比重年均增长5%，发电小时数减少遵照1.5℃升温目标的要求，且燃煤电厂的预期寿命均为20年）下，其总排放（38.7吨）仅大于最佳技术组合在2021年和2022年在全国推广情景下的排放量，最宽松政策情景（“0-0-40，即洗煤比重及发电小时数保持现有水平，预期寿命设定为40年）的总排放量高居220.4吨。然而这两种情景都代表了未来极端政策组合的结果，不具有可操作性，是作为目前政策的边界。另外，如果最佳技术组合2030年在全国应用，其总排放和“2%−1.5℃–20 ” 政策情景（即洗煤比重年均增长2%，发电小时数的减少幅度满足1.5℃的要求，同时燃煤电厂的预期寿命均为20年）的总排放相当；如果在2052年推广全国，其总排放和“0-0-30” 政策情景（即洗煤比重及发电小时数保持现有水平，预期寿命设定为30年）的总排放相当。所以，在剩余预期寿命大于10年的机组进行进一步的技术升级可以在不减少发电量的前提下减缓未来重金属减排的压力。

图4.主要省份未来重金属排放的减排路径

“5%−1.5℃–20”情景的重金属排放量在2021年经历了一个急剧下降的过程，这是由于超过17GW的燃煤电厂是在2000年之前投入使用，因此在20年预期寿命的情景下，它们将在2021年全部退役，这将带来超过2000吨的重金属减排。然而，“5%−0–40”（即洗煤比重年均增长5%，年度发电小时数保持现有水平，预期寿命设定为40年），“0–1.5℃–40”（即洗煤比重保持现有水平，年度发电小时数的减少幅度满足全球1.5℃升温目标，预期寿命设定为40年） 和 “0–2℃–40”（即洗煤比重保持现有水平，年度发电小时数的减少幅度满足全球2℃升温目标，预期寿命设定为40年）情景下的年度排放总量相似并且在2030-2040年期间才会出现明显下降趋势。这表明增加洗煤比例、减少发电小时数或预期寿命能达到相似的减排效果。

该研究获得国家自然基金等科研项目资助。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344922001069?dgcid=author