我國燃煤清潔高效發(fā)電技術(shù)發(fā)展展望

中國能源建設(shè)集團規(guī)劃設(shè)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(fā)電技術(shù)迅猛發(fā)展。我國的超超臨界發(fā)電技術(shù)已經(jīng)達到世界先進水平，某些領(lǐng)域已達到世界領(lǐng)先水平；我國的超臨界CFB鍋爐技術(shù)已經(jīng)達到國際領(lǐng)先水平，并且研發(fā)形成了完整的CFB鍋爐設(shè)計和制造技術(shù)體系；我國的燃煤火電機組的超低排放已對大氣環(huán)境改善起到了促進作用。我國的燃煤火電機組綜合節(jié)水技術(shù)也已達到世界領(lǐng)先水平。同時我們也應(yīng)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(jīng)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(guān)閉國內(nèi)全部12座燃煤電廠，法國計劃到2021年關(guān)閉所有燃煤電廠，荷蘭承諾到2030年將溫室氣體排放量在現(xiàn)有水平上削減55%。要完成這一目標(biāo)，目前荷蘭國內(nèi)仍在工作的5座燃煤電廠必須全面關(guān)閉。西班牙計劃到2020年完全關(guān)閉燃煤電廠，丹麥和奧地利也在轉(zhuǎn)向擺脫煤炭依賴。德國計劃在2038年前關(guān)閉所有的燃煤電站。加拿大決定到2030年關(guān)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(biāo)要求已經(jīng)達到比國外最低標(biāo)準(zhǔn)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(huán)保要求越來越嚴(yán)格，國外發(fā)達國家對非常規(guī)污染物SO3、汞及其化合物已制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值，國內(nèi)正開展相關(guān)研究工作。

今后10年，我國的燃煤清潔高效發(fā)電技術(shù)發(fā)展之路該怎么走?會怎么走?

我國燃煤清潔高效發(fā)電技術(shù)開啟新紀(jì)元

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，全社會用電量快速增長，電力工業(yè)因此得到快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模、電源裝機總量和發(fā)電量均居世界首位。

截至2018年底，全國發(fā)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(biāo)煤/千瓦時，達到世界先進水平。

（一）超超臨界煤粉發(fā)電技術(shù)。為進一步降低能耗和減少污染物排放，改善環(huán)境，中國常規(guī)火電技術(shù)飛速向更高參數(shù)的超超臨界的技術(shù)方向發(fā)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(jié)水技術(shù)?！笆濉逼陂g，我國的能源布局向中西部煤炭基地發(fā)展，建設(shè)千萬千瓦等級現(xiàn)代化大型煤電外送基地。而中西部地區(qū)水資源普遍匱乏，山西、內(nèi)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(qū)水資源開發(fā)利用程度相當(dāng)高，開發(fā)利用潛力非常有限。北方地區(qū)水資源缺乏已經(jīng)成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，開發(fā)節(jié)水技術(shù)、做好節(jié)水措施、降低單位發(fā)電量的耗水量是大規(guī)模建設(shè)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(qū)，可采用空冷技術(shù)以大幅度降低火力發(fā)電機組的消耗水量，此外通過循環(huán)冷卻水、工業(yè)用水、生活污水的循環(huán)再利用也可大大降低燃煤機組的耗水量。根據(jù)節(jié)水技術(shù)本身的成熟程度、國產(chǎn)化程度以及適應(yīng)性，在空冷電廠應(yīng)用干除灰、干除渣技術(shù)、輔機空冷技術(shù)，使耗水指標(biāo)降低。在采取了以上節(jié)水技術(shù)或措施的基礎(chǔ)上，火電機組的水量流失主要體現(xiàn)在石灰石—石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中煙氣攜帶走的水蒸氣，這部分水蒸氣量占濕法脫硫系統(tǒng)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(qū)燃煤火電機組節(jié)水技術(shù)的新突破口。

（三）循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術(shù)。2014年4月，世界第一臺600兆瓦超臨界循環(huán)流化床鍋爐在我國四川白馬電廠投運，標(biāo)志著我國大容量、超臨界循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術(shù)已經(jīng)達到國際領(lǐng)先水平。

（四）先進燃煤發(fā)電污染控制技術(shù)。中國燃煤電站已經(jīng)針對SO2、NOX、煙塵執(zhí)行了世界上最嚴(yán)格的超低排放要求。新建電廠已經(jīng)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(shù)水平相比差距依然顯著

盡管我國在燃煤清潔高效發(fā)電技術(shù)發(fā)展取得了巨大進步。但我們也應(yīng)看到，在我們?nèi)〉眠M步的時候，發(fā)達國家也在不斷取得進步，并且已經(jīng)轉(zhuǎn)向針對燃煤火電機組減少碳排放方面的技術(shù)發(fā)展和針對燃煤電廠排放的有害物質(zhì)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(fā)電機組——德國RDK8電廠，2014年投運。我國設(shè)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(shè)計背壓較低，在系統(tǒng)優(yōu)化和汽輪機制造方面也有一定優(yōu)勢。二是RDK8機組實現(xiàn)區(qū)域供熱，并且目前德國所有的大型（超）超臨界機組均已實現(xiàn)了區(qū)域供熱。目前國內(nèi)1000兆瓦超超臨界機組均未實現(xiàn)區(qū)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(shù)+生物質(zhì)耦合燃燒+區(qū)域供熱+預(yù)留CO2捕集的CO2深度減排技術(shù)路線。機組凈效率>46%。MPP3電廠耦合燃燒30%左右的生物質(zhì)，采取區(qū)域供熱。我國設(shè)計的1000兆瓦超超臨界機組與之主要差距：除超超臨界參數(shù)+區(qū)域供熱外，實現(xiàn)30%生物質(zhì)直燃耦合燃燒，目前國內(nèi)1000兆瓦超超臨界機組均未有生物質(zhì)直接耦合燃燒。

目前世界上最大的生物質(zhì)直接耦合燃燒生物質(zhì)的機組——英國Drax電廠100%直接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)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(wù)、能源與工業(yè)戰(zhàn)略署與英國環(huán)境、食品與農(nóng)村事務(wù)部聯(lián)合通過5個階段的碳預(yù)算，前3個碳預(yù)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(yù)算在2011年立法，目標(biāo)是到2025年減少碳排放50%。第5個碳預(yù)算工作與2016年6月啟動，預(yù)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(zhì)耦合燃燒技術(shù)發(fā)展表明：英國是目前世界上燃煤火電機組生物質(zhì)混燒技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先的國家，實現(xiàn)了四代技術(shù)的跨越，大型燃煤鍋爐可實現(xiàn)自由比例的生物質(zhì)燃料（0~100%）給鍋爐提供熱量。部分電廠實現(xiàn)了“煤改生物質(zhì)”燃燒，不再燒煤。

韓國、美國已經(jīng)在借鑒英國耦合生物質(zhì)燃燒改造項目的經(jīng)驗，開展了多臺500兆瓦~660兆瓦燃煤電廠耦合生物質(zhì)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(xiàn)生物質(zhì)顆粒直接耦合燃燒，與國際水平相差巨大。

未來能源發(fā)展將更加多元化

我們對中國未來能源的發(fā)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(fā)展多元化。為此我們提出我國電能發(fā)展平衡和能源發(fā)展平衡2個概念。

在目前條件下新的能源技術(shù)沒有全面發(fā)展的條件下，我們國家有一段時間將是以電能發(fā)展平衡為主，就是火電機組在減少，核電，太陽能，生物質(zhì)能還在不斷增加。將來電能發(fā)展平衡被打破，變成能源發(fā)展平衡階段，氫能會在未來的能源發(fā)展中占據(jù)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(chuàng)新——2030重大項目”，將700攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)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(shù)等方面距世界先進水平還有差距，其中高溫材料的研發(fā)是制約700攝氏度超超臨界機組發(fā)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(shù)、高溫涂層技術(shù)、蒸汽冷卻技術(shù)等方面繼續(xù)開展研究。

2017年12月18日，國家發(fā)展改革委發(fā)出《全國碳排放交易市場建設(shè)方案》的通知，相信隨著我國碳減排制度體系建設(shè)和碳排放交易市場建設(shè)的日益完善，以及支持和鼓勵燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電政策的不斷落實，燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電正在迎來良好的發(fā)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(nèi)必將走大型燃煤鍋爐直接耦合生物質(zhì)燃燒之路來降低CO2排放。

目前，國內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電的主流技術(shù)主要是小型鍋爐直燃發(fā)電，2017年底，已有近300座生物質(zhì)直燃電廠發(fā)電。這些生物質(zhì)電廠燃盡率低、結(jié)渣嚴(yán)重，經(jīng)濟性差，是對生物質(zhì)資源的巨大浪費。

我國北方嚴(yán)重缺水地區(qū)燃煤火電機組深度節(jié)水技術(shù)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(tǒng)節(jié)水技術(shù)+煙氣取水的技術(shù)路線成為今后一段時間內(nèi)中國特有的嚴(yán)重缺水地區(qū)燃煤火電機組深度節(jié)水技術(shù)路線。

國外發(fā)達國家對非常規(guī)污染物SO3、汞及其化合物已制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值。隨著我國環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的進一步發(fā)展，我們預(yù)測我國燃煤火電機組污染物控制將由面控制向點控制發(fā)展。部分燃煤火電機組煙氣脫除SO3技術(shù)實現(xiàn)工程應(yīng)用及規(guī)?；l(fā)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(yù)熱器堵塞問題，實現(xiàn)節(jié)能和減排的雙贏。