倪維斗：中國煤炭清潔高效利用之路

　　能源和環(huán)境是當今人類面臨的兩大問題，倪維斗，這位清華大學教授、中國工程院院士在公開發(fā)表的演講--《中國煤炭清潔高效利用之路》中提出:未來，單一技術和技術組合難以解決能源困局，系統(tǒng)整合和戰(zhàn)略規(guī)劃才是關鍵。

倪維斗教授在2017國際工程科技發(fā)展戰(zhàn)略高端論壇上發(fā)表演講

　　煤炭的貢獻不可忽視

　　以煤為主是符合我國資源稟賦的不可變化的事實，其他替代能源只能是輔助能源，而不能成為主力。

　　中國的發(fā)展，尤其是改革開放以來巨大的進步，煤起了巨大的作用。而今，由于環(huán)境的影響，尤其是PM2.5霧霾的污染，人們把罪魁禍首指向煤的利用，當年的功臣被妖魔化，變成老鼠過街人人喊打，變成飛鳥盡，良弓藏，狡兔死，走狗烹。把屁股板全打在煤身上，實際上這是很冤枉的，不能真正解決問題。

　　我國這么多的人口，都希望過現(xiàn)代化的生活，社會要不斷發(fā)展，技術在不斷進步，能源需求越來越大，2016年我國能源消耗總量已達43.6億噸標準煤，在我國缺油、少氣的資源條件下，靠什么能源來滿足?

　　除煤炭外，其他能源潛力不大

　　天然氣

　　現(xiàn)在很多人把希望寄托在天然氣身上，中俄燃氣(中國和俄羅斯的天然氣合作供應協(xié)議)380億立方米，相當于2700萬噸標準煤；我國的天然氣儲量為3600億立方米，相當于2.6億噸標準煤，已是極限。目前天然氣的用量是煤的1/20，遠期來看，天然氣的用量仍將只是煤的1/15。

　　核電

　　2016年的裝機量是3364萬千瓦，年發(fā)電量為2133億千瓦時，占全部發(fā)電總量的3.5%。規(guī)劃2020年裝機5800萬千瓦，到2030年裝機1.2億千瓦，發(fā)電8000億千瓦時，折合來看是1億標準煤。鈾資源的貧乏，100萬千瓦機組建堆時首次要339噸鈾，每年還要補充15噸鈾235和鈾238，鈾進口依存度已超過90%。核電不能成為我國能源發(fā)展主要方式，只能是補充方式。

　　水電

　　來看水電，7億千瓦的理論蘊藏量裝機，技術可開發(fā)不到5.5億千瓦，而經濟可開發(fā)4億千瓦。2016年發(fā)電量1.19萬億千瓦時，相當于約2.15億噸標準煤。水電裝機容量已達3.32億千瓦，開發(fā)度已達到了75%，剩下的1億千瓦中包含有雅魯藏布江的蘊藏量，實際開發(fā)方面存在國際問題。水能只占全世界按人口平均的25%，風電、太陽能只占能源消費總量的幾個百點。

　　天然氣、核電、水電、風電、太陽能等發(fā)電量加起來≈7.0億噸標準煤，這相比2016年我國40多億煤的能源消耗，是個小數(shù)。山西內蒙一帶的幾千億噸煤才是我國能源的根本保障。

　　能源和環(huán)境形勢嚴峻

　　中國能源系統(tǒng)根本特點:以煤為主，人口多。2010–2050年預測累計煤炭消費≈1000*108 tce，煤仍是主力能源。2014年我國人均能源消費量約為3.1 tce/a，遠低于美、德、法、日等國，預計2030年我國人均能源消費量4 tce/a(預計人口14億)。(tce/a:每年標準當量煤)

　　我國在2030年后大幅度減排CO2主要還是靠煤的清潔低碳利用!

　　我國一次能源消費占全球能源消費的22.9%。2015年，全球能耗是1990年的1.6倍，而中國已經是1990年的4.4倍。2015年一次能源對外依存度15.8%，其中原油61.7%，天然氣30.1%，煤炭4.9%。

　　中國能源生產和消費結構:以煤為主!

　　我國能源系統(tǒng)亟待解決兩大問題

　　1、傳統(tǒng)發(fā)展方式難以為繼

　　以高耗能、尤其耗煤為主換取發(fā)展，造成嚴重的生態(tài)環(huán)境影響；由于技術路徑鎖定效應(行為習慣、思想意識、體制機制、基礎設施、既有產能)，這種方式仍有較大的慣性。

　　2、新的發(fā)展方式尚未形成

　　油氣的發(fā)展面臨國內資源不足和國際價格波動等問題，受到一定限制；核和可再生能源發(fā)展困難重重，供應過剩(棄風棄光等)、電網(wǎng)接納、經濟性等；節(jié)能面臨缺乏投資、環(huán)保意識不強、基礎設施和產能鎖定等一系列挑戰(zhàn)。

　　能源系統(tǒng)將較長時間處于新舊發(fā)展方式并行的發(fā)展狀態(tài)，推進能源系統(tǒng)的革命對整個社會的創(chuàng)新(體制、意識、技術、基礎設施等)提出了巨大挑戰(zhàn)。

　　單一技術和技術組合難以解決能源困局，如何通過權衡取舍，精心組合和安排這些手段，以求系統(tǒng)性、最佳地解決問題--系統(tǒng)整合和戰(zhàn)略規(guī)劃。在煤的利用上做文章，走煤的清潔、高效、低碳利用之路。

　　煤炭清潔高效轉化如何實現(xiàn)?

　　1.先進的燃煤發(fā)電技術

　　一是采用先進的燃煤發(fā)電技術，進一步提高能效，減少排放。如:上海外高橋第三發(fā)電廠。

　　該廠當前的實際運行性能，在全年平均負荷率為75%~81%的條件下，其實際全年平均供電煤耗(包括脫硫和脫硝)276gce/kWh，折算到額定負荷下的供電煤耗為264gce/kWh，全年平均實際供電效率(包括脫硫和脫硝)為44.5%，折算至額定負荷工況，則供電效率應為46.5%。而2015年全國發(fā)電平均煤耗318gce/kWh。排放濃度:粉塵排放7.55mg/m3；二氧化硫17.7mg/m3；氮氧化物15.19mg/m3，已經達到了氣體燃料的排放指標。

　　對比原世界運行效率最高的丹麥Nordjylland電廠3號411MW兩次再熱、低溫海水冷卻機組，2009年供電煤耗(不含供熱)286.08gce/kWh(凈效率42.93%)，平均發(fā)電負荷率89%。折合75%負荷率下的供電煤耗288.48gce/kWh。應該說，我國的燃煤發(fā)電技術是走在世界前列的。

　　但減排的根本問題是CO2的捕捉與處理，這是上海外高橋第三發(fā)電廠模式所不能處理的問題。

　　2.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán) IGCC

　　IGCC即整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combined Cycle)，是將煤氣化技術和聯(lián)合循環(huán)相結合的動力系統(tǒng)。華能公司在天津建成了一套200MW級的IGCC電站。

華能天津IGCC電站示范項目(已投運)鳥瞰圖

　　IGCC技術把潔凈的煤氣化技術與高效的燃氣──蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結合起來，既有高發(fā)電效率，又有極好的環(huán)保性能，是一種有發(fā)展前景的潔凈煤發(fā)電技術。IGCC系統(tǒng)的供電效率為41%，捕捉CO2較容易，但由于單位裝機投資較大，所以，以氣化為基礎的IGCC只用于發(fā)電在經濟上有較大問題，暫不適合推廣。

IGCC發(fā)電技術流程示意圖

　　3.煤基多聯(lián)產能源系統(tǒng)技術

　　煤基多聯(lián)產是指利用從單一的設備(氣化爐)中產生的"合成氣"(主要成分為CO+H2)，來進行跨行業(yè)、跨部門的生產，以得到多種具有高附加值的化工產品、液體燃料(甲醇、F-T合成燃料、二甲醇、城市煤氣、氫氣)、以及用于工藝過程的熱和進行發(fā)電等。

　　多聯(lián)產可以實現(xiàn)煤炭的多維度梯級利用，其應用過程相互耦合，實現(xiàn)能量流、物質流等總體優(yōu)化。做到了氫碳比合理優(yōu)化利用，盡量減少"無謂"的化學放熱過程，并實現(xiàn)熱量的梯級利用、壓力潛力和物質的充分利用。

　　另外，電力與化工在運行中可起相互調峰的作用。通過過程集成，聯(lián)產系統(tǒng)可以在能量利用上獲得收益。與單產系統(tǒng)相比，并聯(lián)系統(tǒng)中獲得的節(jié)煤收益甚微；而串聯(lián)系統(tǒng)的節(jié)煤效果顯著，特別是串聯(lián)無變換系統(tǒng)，節(jié)煤率能夠達到8%。

　　此外，伴隨單元技術進步，如高溫合成氣凈化、離子膜分離制氧、1700攝氏度燃氣輪機及水煤漿預熱等技術，多聯(lián)產能效可以進一步地提升。

　　多聯(lián)產是綜合解決我國能源問題的重要方案。

　　1、有助于緩解能源總量要求

　　聯(lián)合生產多種產品，效率提高可以減少總量需求；采用高硫煤拓展了煤炭資源的利用。

　　2、有助于緩解液體燃料短缺

　　可以大規(guī)模地生產甲醇、二甲醚、F-T合成油和氫等替代燃料，緩解石油進口壓力。

　　3、徹底解決燃煤污染問題

　　完全消除常規(guī)燃煤污染物排放，重金屬等痕量污染物脫除更經濟。用甲醇來采暖、小鍋爐、窯爐，可大幅度減少散煤燃燒。

　　4、有助于解決快速城市化引起的小城鎮(zhèn)和農村潔凈能源問題

　　為具有天然氣管道的城鎮(zhèn)提供城市煤氣，煤制DME可以作為LPG的補充或替代物，很可能是小城鎮(zhèn)尤其是住宅高度分散的農村地區(qū)的重要解決方案。

　　5、滿足未來減排CO2的需要

　　煤氣化系統(tǒng)可以以較小的成本捕捉CO2。在煤的清潔高效利用方面電化共軌有很大潛力，是煤炭發(fā)展的重要方向。

　　總之，依托最先進的節(jié)能和環(huán)保技術，煤炭完全可以更清潔，與環(huán)境更友好，更符合科學可持續(xù)發(fā)展的理念，我們應重新審視對煤電的認識，放心地在城市建設真正的綠色煤電。