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0 引言
隨著地球上煤、石油等常規(guī)資源的日益匱乏以及環(huán)境的惡化，風(fēng)能作為目前zui有發(fā)展前景、技術(shù)zui為成熟并且無(wú)大氣污染物的一種可再生能源，在當(dāng)今能源短缺以及污染嚴(yán)重的時(shí)代扮演了重要角色[1-5]。據(jù)風(fēng)能協(xié)會(huì)（GWEC）公布的數(shù)據(jù)，的風(fēng)能儲(chǔ)量約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW。我同風(fēng)能資源儲(chǔ)備也相當(dāng)豐富，國(guó)家氣象局已探明的風(fēng)能儲(chǔ)備約為3226GW。其中，以陸地上離地10m高度計(jì)算，我國(guó)可利用的陸上風(fēng)能約為253GW，約占我國(guó)風(fēng)能總儲(chǔ)備量的7.84%;可以利用的海洋風(fēng)能資源約為750GW，約占我國(guó)風(fēng)能總儲(chǔ)備量的23.25%[6]。風(fēng)力發(fā)電清潔安全，沒(méi)有煤電、油電等所伴生的環(huán)境污染問(wèn)題。風(fēng)電的這些優(yōu)點(diǎn)使其成為目前的替代能源[7-13]。
目前，有關(guān)風(fēng)力發(fā)電環(huán)境價(jià)值的量化研究還較少。為了制定火力發(fā)電行業(yè)污染物減排的環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，參考中國(guó)排污總量收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)SO2、NOx、TSP（總懸浮顆粒物）等污染物[14-15]減排的環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行估算。將天然氣發(fā)電的環(huán)境效益貨幣化，對(duì)天然氣發(fā)電的環(huán)境價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，相對(duì)于常規(guī)燃煤發(fā)電而言，天然氣發(fā)電的環(huán)境價(jià)值為8.9639分/（kW·h）[16]，為電力市場(chǎng)的環(huán)境價(jià)值交易提供了參考依據(jù)。本文借鑒相關(guān)理論研究，相對(duì)于常規(guī)煤電，對(duì)風(fēng)電環(huán)境價(jià)值進(jìn)行量化分析和評(píng)價(jià)[17-20]，為進(jìn)一步優(yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)提供參考。
1 風(fēng)電減排的環(huán)境價(jià)值構(gòu)成
風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境的影響有正負(fù)2個(gè)方面：相對(duì)燃煤，風(fēng)電對(duì)環(huán)境的正面影響是不會(huì)向大氣排放NOx、SO2以及粉塵等污染物和CO2，減少因開(kāi)發(fā)化石能源，如煤、石油、天然氣所造成的環(huán)境問(wèn)題等;風(fēng)電對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響有噪音污染、對(duì)鳥(niǎo)類生活的影響等。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，限于當(dāng)前技術(shù)的局限，還未能對(duì)其量化分析，本文僅就風(fēng)力發(fā)電在減少大氣污染物排放方面進(jìn)行量化評(píng)估[21-26]。
環(huán)境價(jià)值是對(duì)環(huán)境效益的貨幣化，風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境價(jià)值是相對(duì)于燃煤發(fā)電而言的，具體是指風(fēng)力發(fā)電相對(duì)于燃煤發(fā)電在減少污染物排放方面所蘊(yùn)含的價(jià)值量[21]。風(fēng)電減排環(huán)境價(jià)值的測(cè)量公式為
式中：B為風(fēng)電減排的環(huán)境價(jià)值，元;Vi為第i項(xiàng)污染物的環(huán)境價(jià)值，元/kg;n為污染物總種類數(shù);ΔQi為第i項(xiàng)污染物的減排量，kg。
在應(yīng)用式（1）計(jì)算風(fēng)電減排的環(huán)境價(jià)值時(shí)，首先需要計(jì)算出排放物減排量，在計(jì)算污染物減排量時(shí)，先計(jì)算出各主要排放物的排放率，然后根據(jù)風(fēng)電節(jié)省的燃煤量計(jì)算出各主要污染物的減排量;其次制定各主要污染物的環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn);zui后以某個(gè)火電廠作為參照，計(jì)算相關(guān)的指標(biāo)變量，利用式（1）就可以評(píng)估出風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境價(jià)值。
2 燃煤電廠主要排放物排放率的測(cè)算
燃煤電廠主要污染物排放率是指燃燒單位質(zhì)量的燃料所排放的污染物的量。參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)局公布的《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，選取SO2、CO2、NOx等主要排放物進(jìn)行分析。
2.1 SO2排放率的測(cè)算
煤中的硫分是影響燃煤SO2排放量的主要因素，其次是燃燒過(guò)程中煙氣硫的轉(zhuǎn)化率。燃煤電廠SO2排放率的計(jì)算公式[21-22]為
式中：為SO2的排放率，kg/t;Sy為燃煤應(yīng)用基硫分，%;為燃煤硫向煙氣硫的轉(zhuǎn)化率，%;為SO2與S的摩爾質(zhì)量比，約為2;η為脫硫效率，%。
取耗煤量1000kg，按照環(huán)保的要求，發(fā)電用煤的硫分不應(yīng)超過(guò)1%，而我國(guó)煤炭平均硫分的實(shí)際情況為1.74%，所以為接近實(shí)際，本文燃煤應(yīng)用基硫分Sy取1.74%，火電廠平均煙氣硫轉(zhuǎn)化率為90%[27]。
無(wú)脫硫裝置常規(guī)火電廠的SO2排放量為=1000×1.74%×90%×2×（1-0）=31.32kg
如果電廠增加了煙氣脫硫裝置，在煙氣循環(huán)率為50%時(shí)，脫硫效率可達(dá)96%，則SO2的排放量為
=1000×1.74%×90%×2×（1-96%）=1.2528kg
2.2 CO2排放率的測(cè)算
CO2是燃煤電廠所排放的一種溫室氣體，其排放率的計(jì)算公式[21]為
式中：為CO2排放率，%;Q為煤炭單位熱值，MJ/kg;E為單位熱值下潛在碳排放量，t/TJ;為燃料中碳氧化率;為CO2與C的摩爾質(zhì)量比，約為3.667。
中國(guó)煤炭實(shí)測(cè)平均數(shù)值[28]分別為：?jiǎn)挝粺嶂礠為21.2MJ/kg;碳的潛在排放量E為24.74t/TJ;碳的氧化率 為0.9。據(jù)此可以計(jì)算出每噸煤的CO2排放量為
=1×21.2×24.74×0.9×3.667=1730.97kg
2.3 NOx排放率的測(cè)算
NOx是常規(guī)煤電的第二大污染物，主要包括NO、N2O、N2O3、NO2、N2O4、N2O5等。在火電廠排放的NOx中，NO約占90%，加之NOx包含多種氣體，計(jì)算其排放率相當(dāng)復(fù)雜，故本文僅用NO的排放率來(lái)間接測(cè)算NOx的排放率。對(duì)于NO的排放率，通過(guò)多變量回歸的方法得出燃燒1t煤NO排放量公式[21,29]為
式中：CR為NO排放量，kg;N為燃煤中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù);V為燃料中揮發(fā)分;λ為氧與燃料化學(xué)當(dāng)量比;Tmax為爐膛火焰zui高溫度;為空氣中初始氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)相關(guān)研究資料顯示，CR值為8[21]，所以取NOx排放量為8kg。
針對(duì)其他污染物的排放率，取煤質(zhì)單位熱值為21.2MJ/kg，飛灰為15%，硫分為1%，靜電除塵效率為99%，可計(jì)算出其他主要污染物的排放量。
綜上分析，火電廠燃燒1t煤所排放的各主要污染物的量見(jiàn)表1。
3 燃煤電廠主要污染物環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)的制定
在評(píng)估污染物環(huán)境價(jià)值時(shí)，由于很難直接獲取評(píng)估環(huán)境損失所需的數(shù)據(jù)，所以常以防護(hù)費(fèi)用等來(lái)間接評(píng)估污染物的環(huán)境價(jià)值[30-31]。
3.1 SO2的環(huán)境價(jià)值
電力行業(yè)排放SO2的環(huán)境價(jià)值可以用煤電煙氣脫硫的費(fèi)用來(lái)進(jìn)行間接估算。石灰石/石膏濕法脫硫是目前世界上應(yīng)用的脫硫工藝，80%的脫硫裝置采用的是這種方法，同時(shí)也是我國(guó)電力行業(yè)SO2減排技術(shù)的主要方向，所以本文采用石灰石/石膏濕法脫硫的費(fèi)用來(lái)間接評(píng)估。當(dāng)前的研究表明，將6元/kg作為我國(guó)火電行業(yè)SO2的環(huán)境價(jià)值是可以接受的。
3.2 CO2的環(huán)境價(jià)值
根據(jù)世界觀察研究所的估計(jì)，發(fā)展中國(guó)家每削減1t CO2排放量的成本為5～10美元，發(fā)達(dá)國(guó)家則高達(dá)50美元。從溫室效應(yīng)損失看，碳排放的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為20美元/t，上將此值作為碳排放的環(huán)境價(jià)值加以利用，則CO2的環(huán)境價(jià)值為0.1318元/kg（按1美元=6.59元折算）。
3.3 其他污染物的環(huán)境價(jià)值
針對(duì)其他污染物的環(huán)境價(jià)值，根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，借鑒美國(guó)價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，參照總量排污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行估計(jì)[16-23]，見(jiàn)表2。
綜上分析，對(duì)火電廠污染物排放的環(huán)境價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表3。
各主要污染指標(biāo)環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)確定后，再根據(jù)污染物的排放量，就可以計(jì)算出風(fēng)電的環(huán)境價(jià)值。
4 實(shí)例計(jì)算
一個(gè)裝機(jī)容量為500MW的火電廠，如果年利用小時(shí)數(shù)為6000h，則該火電廠年發(fā)電量為30億kW·h。取電廠效率為38%，煤炭熱值Q為21.2MJ/kg，廠用電率為6%，則該火電廠年耗煤量約為142.6萬(wàn)t，煤耗率約為0.475kg/（kW·h）。再由上述分析所得到的相關(guān)結(jié)果，可以得出該火電廠每年排放SO2為1786.49t，NOx為11408t，CO2為246.84萬(wàn)t，CO為370.76t，TSP為570.4t，灰塵為156860t，廢渣為42780t。相同裝機(jī)容量的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，如果年有效運(yùn)行時(shí)間為2200h，機(jī)組運(yùn)行效率取90%，則該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的年發(fā)電量為9.9億kW·h。根據(jù)火電廠單位發(fā)電量煤耗推算，該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)每年可以節(jié)省燃煤47.025萬(wàn)t;根據(jù)火電廠各主要排放物指標(biāo)推算，500MW裝機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)每年SO2減排量為589.13t，NOx減排量為3762t，CO2減排量為81.3989萬(wàn)t，CO減排量為122.265t，TSP減排量為188.1t，灰塵減排量為51727.5t，廢渣減排量為14107.5t。
結(jié)合污染物的環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)式（1），計(jì)算風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)相對(duì)于火電廠的環(huán)境價(jià)值，見(jiàn)表4。
可以看出，相對(duì)于火電廠，風(fēng)電的環(huán)境價(jià)值為0.1491元/（kW·h）。在此分析結(jié)果中，不包括減排廢水的環(huán)境價(jià)值，以及耗水減少所產(chǎn)生的生態(tài)價(jià)值。而天然氣發(fā)電的環(huán)境價(jià)值為0.0896元/（kW·h）[16]，與天然氣發(fā)電的環(huán)境價(jià)值相比較，風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境價(jià)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然氣發(fā)電的環(huán)境價(jià)值。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境價(jià)值構(gòu)成如圖1所示。
圖1 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電環(huán)境價(jià)值構(gòu)成
5 結(jié)語(yǔ)
當(dāng)前，世界各國(guó)都在積極應(yīng)對(duì)氣候變化，尋求能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展道路，我國(guó)也在積極探索適用于本國(guó)的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和節(jié)能減排路徑，控制溫室氣體排放任重而道遠(yuǎn)。2010年我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到44733.29MW，其累計(jì)減排效益達(dá)146.7341億元，其中CO2的累計(jì)減排效益為105.2084億元，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)減少溫室氣體排放有著重要的意義。
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