我國燃煤清潔高效發電技術發展展望

中國能源建設集團規劃設計有限公司副總工程師 龍輝

　　近十幾年來，我國的燃煤清潔高效發電技術迅猛發展。我國的超超臨界發電技術已經達到世界先進水平，某些領域已達到世界領先水平；我國的超臨界CFB鍋爐技術已經達到國際領先水平，并且研發形成了完整的CFB鍋爐設計和制造技術體系；我國的燃煤火電機組的超低排放已對大氣環境改善起到了促進作用。我國的燃煤火電機組綜合節水技術也已達到世界領先水平。同時我們也應看到，最近15年里，歐美和北美煤炭消費總量占比從全球的一半降至四分之一，原因是天然氣和可再生能源占比不斷增加。

　　2008年，美國的燃煤火電機組裝機容量為3.13億千瓦，經過不斷淘汰老舊燃煤火電機組，2018年美國燃煤火電機組容量為2.59億千瓦，而我國的燃煤火電機組容量已升至10億千瓦以上。

　　英國承諾在2025年前逐步關閉國內全部12座燃煤電廠，法國計劃到2021年關閉所有燃煤電廠，荷蘭承諾到2030年將溫室氣體排放量在現有水平上削減55%。要完成這一目標，目前荷蘭國內仍在工作的5座燃煤電廠必須全面關閉。西班牙計劃到2020年完全關閉燃煤電廠，丹麥和奧地利也在轉向擺脫煤炭依賴。德國計劃在2038年前關閉所有的燃煤電站。加拿大決定到2030年關閉其燃煤電廠。

　　我國與美國、歐洲總的碳排放總量差距正在不斷加大。我國實施的超低排放指標要求已經達到比國外最低標準還要低的水平，進一步提高的空間將受各方面的制約。隨著環保要求越來越嚴格，國外發達國家對非常規污染物SO3、汞及其化合物已制定相應的標準限值，國內正開展相關研究工作。

　　今后10年，我國的燃煤清潔高效發電技術發展之路該怎么走?會怎么走?

　　我國燃煤清潔高效發電技術開啟新紀元

　　隨著中國經濟的快速發展，全社會用電量快速增長，電力工業因此得到快速發展，電網規模、電源裝機總量和發電量均居世界首位。

　　截至2018年底，全國發電裝機容量達到19億千瓦，其中燃煤火電機組容量超過10億千瓦。2018年平均供電煤耗已降至308克標煤/千瓦時，達到世界先進水平。

　?。ㄒ唬┏R界煤粉發電技術。為進一步降低能耗和減少污染物排放，改善環境，中國常規火電技術飛速向更高參數的超超臨界的技術方向發展。截至2018年末，中國已投入運行的600℃、1000兆瓦超超臨界機組達105臺。

　　(二)燃煤電廠深度節水技術?！笆濉逼陂g，我國的能源布局向中西部煤炭基地發展，建設千萬千瓦等級現代化大型煤電外送基地。而中西部地區水資源普遍匱乏，山西、內蒙古和陜西的水資源總量分別僅占全國水資源總量的0.4%、1.6%和1.7%，新疆的水資源總量也僅占全國的3.1%。此外，北方大部分地區水資源開發利用程度相當高，開發利用潛力非常有限。北方地區水資源缺乏已經成為制約經濟社會可持續發展的重要因素。因此，開發節水技術、做好節水措施、降低單位發電量的耗水量是大規模建設坑口電站和保障火電廠高效運行的必要條件。

　　針對北方缺水地區，可采用空冷技術以大幅度降低火力發電機組的消耗水量，此外通過循環冷卻水、工業用水、生活污水的循環再利用也可大大降低燃煤機組的耗水量。根據節水技術本身的成熟程度、國產化程度以及適應性，在空冷電廠應用干除灰、干除渣技術、輔機空冷技術，使耗水指標降低。在采取了以上節水技術或措施的基礎上，火電機組的水量流失主要體現在石灰石—石膏濕法煙氣脫硫系統中煙氣攜帶走的水蒸氣，這部分水蒸氣量占濕法脫硫系統用水的80%以上。因此，煙氣中的水蒸氣回收成為北方缺水地區燃煤火電機組節水技術的新突破口。

　?。ㄈ┭h流化床鍋爐發電技術。2014年4月，世界第一臺600兆瓦超臨界循環流化床鍋爐在我國四川白馬電廠投運，標志著我國大容量、超臨界循環流化床鍋爐發電技術已經達到國際領先水平。

　?。ㄋ模┫冗M燃煤發電污染控制技術。中國燃煤電站已經針對SO2、NOX、煙塵執行了世界上最嚴格的超低排放要求。新建電廠已經基本全部實施煙氣超低排放，并對其它在運機組實施改造，到2020年底具備條件的30萬千瓦以上機組將全部實施超低排放。

　　與國外技術水平相比差距依然顯著

　　盡管我國在燃煤清潔高效發電技術發展取得了巨大進步。但我們也應看到，在我們取得進步的時候，發達國家也在不斷取得進步，并且已經轉向針對燃煤火電機組減少碳排放方面的技術發展和針對燃煤電廠排放的有害物質可能對生命健康直接有影響要素的控制。

　　目前世界上最先進的一次再熱超超臨界燃煤發電機組——德國RDK8電廠，2014年投運。我國設計的1000兆瓦超超臨界機組與之主要差距：一是我國最新投運的河北某1000兆瓦超超臨界機組供電效率為46.78%，與之差距在0.6%左右，我們分析該機組設計背壓較低，在系統優化和汽輪機制造方面也有一定優勢。二是RDK8機組實現區域供熱，并且目前德國所有的大型（超）超臨界機組均已實現了區域供熱。目前國內1000兆瓦超超臨界機組均未實現區域供熱。

　　荷蘭鹿特丹的MPP3電廠是目前世界上最新建成的高效和CO2深度減排示范電廠。1100兆瓦超超臨界機組采取超超臨界參數+生物質耦合燃燒+區域供熱+預留CO2捕集的CO2深度減排技術路線。機組凈效率>46%。MPP3電廠耦合燃燒30%左右的生物質，采取區域供熱。我國設計的1000兆瓦超超臨界機組與之主要差距：除超超臨界參數+區域供熱外，實現30%生物質直燃耦合燃燒，目前國內1000兆瓦超超臨界機組均未有生物質直接耦合燃燒。

　　目前世界上最大的生物質直接耦合燃燒生物質的機組——英國Drax電廠100%直接耦合生物質發電技術改造項目。英國政府承諾到2020年全國能源的15%來源于可再生能源。英國商務、能源與工業戰略署與英國環境、食品與農村事務部聯合通過5個階段的碳預算，前3個碳預算在2009年已建立法律，即在2020年之前與1990年相比減少碳排放37%。第四個碳預算在2011年立法，目標是到2025年減少碳排放50%。第5個碳預算工作與2016年6月啟動，預計到2030年減少57%。

　　在此背景下，英國開展了一系列的減碳行動。英國近年來在大型燃煤火電機組開展的生物質耦合燃燒技術發展表明：英國是目前世界上燃煤火電機組生物質混燒技術發展領先的國家，實現了四代技術的跨越，大型燃煤鍋爐可實現自由比例的生物質燃料（0~100%）給鍋爐提供熱量。部分電廠實現了“煤改生物質”燃燒，不再燒煤。

　　韓國、美國已經在借鑒英國耦合生物質燃燒改造項目的經驗，開展了多臺500兆瓦~660兆瓦燃煤電廠耦合生物質燃燒改造項目。我國在這方面目前還沒有一臺鍋爐真正意義實現生物質顆粒直接耦合燃燒，與國際水平相差巨大。

　　未來能源發展將更加多元化

　　我們對中國未來能源的發展的判斷是：中國不可能像西方一些國家那樣去煤化，中國也不可能像德國那樣去核化，而只能是能源發展多元化。為此我們提出我國電能發展平衡和能源發展平衡2個概念。

　　在目前條件下新的能源技術沒有全面發展的條件下，我們國家有一段時間將是以電能發展平衡為主，就是火電機組在減少，核電，太陽能，生物質能還在不斷增加。將來電能發展平衡被打破，變成能源發展平衡階段，氫能會在未來的能源發展中占據更為重要的地位。

　　2018年“煤炭清潔高效利用”已被正式列入我國“科技創新——2030重大項目”，將700攝氏度超超臨界發電技術研發列入“煤炭清潔高效利用”項目中，但我國在高溫材料、焊接技術等方面距世界先進水平還有差距，其中高溫材料的研發是制約700攝氏度超超臨界機組發展的主要問題，未來仍然需要在鎳基合金等耐高溫材料的性能測試及焊接技術、高溫涂層技術、蒸汽冷卻技術等方面繼續開展研究。

　　2017年12月18日，國家發展改革委發出《全國碳排放交易市場建設方案》的通知，相信隨著我國碳減排制度體系建設和碳排放交易市場建設的日益完善，以及支持和鼓勵燃煤耦合生物質發電政策的不斷落實，燃煤耦合生物質發電正在迎來良好的發展機遇。

　　因此未來在保證一定比例的燃煤火電機組的前提下，國內必將走大型燃煤鍋爐直接耦合生物質燃燒之路來降低CO2排放。

　　目前，國內生物質發電的主流技術主要是小型鍋爐直燃發電，2017年底，已有近300座生物質直燃電廠發電。這些生物質電廠燃盡率低、結渣嚴重，經濟性差，是對生物質資源的巨大浪費。

　　我國北方嚴重缺水地區燃煤火電機組深度節水技術路線將更加成熟。以高效超超臨界空冷機組+輔機空冷+其它輔助系統節水技術+煙氣取水的技術路線成為今后一段時間內中國特有的嚴重缺水地區燃煤火電機組深度節水技術路線。

　　國外發達國家對非常規污染物SO3、汞及其化合物已制定相應的標準限值。隨著我國環保排放標準的進一步發展，我們預測我國燃煤火電機組污染物控制將由面控制向點控制發展。部分燃煤火電機組煙氣脫除SO3技術實現工程應用及規?；l展，解決困擾部分燃燒中、高硫煤火電機組的有色煙羽問題及空氣預熱器堵塞問題，實現節能和減排的雙贏。