毛健雄

（清華大學(xué)熱能工程系，北京海淀100084）

燃煤電站CO2減排技術(shù)的探討

毛健雄

（清華大學(xué)熱能工程系，北京海淀100084）

《巴黎協(xié)定》提出的全球CO2減排目標(biāo)，對燃煤電站控制碳排放量具有巨大的挑戰(zhàn)。我國要求電力企業(yè)減少碳排放量，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。為了推進(jìn)能源節(jié)約，降低燃煤發(fā)電的碳排放量，文章探討了燃煤發(fā)電企業(yè)降低CO2排放的途徑，主要方法包括：提高發(fā)電效率，降低燃煤消耗，發(fā)展煤與生物質(zhì)混燒發(fā)電方式，推廣碳捕集和埋存（CO2－capture and storage，CCS）技術(shù)。通過分析得出，當(dāng)前燃煤電站實(shí)現(xiàn)CO2減排的主要途徑是最大限度地提高發(fā)電效率，降低煤耗。

CO2減排；煤與生物質(zhì)混燒；碳捕集和埋存 （CCS）；二次再熱技術(shù)

0 引言

2015年巴黎氣候變化大會(huì)通過《巴黎協(xié)定》，要求各方加強(qiáng)對氣候變化威脅的全球應(yīng)對，把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2℃之內(nèi)，并為把升溫控制在1.5℃之內(nèi)而努力。按照這一目標(biāo)，到2050年全球能源供給結(jié)構(gòu)中，煤炭只能占4%。但是，現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)是，全球在一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)還必須依靠煤電，但煤電又必須減排CO2，以達(dá)到把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2℃之內(nèi)的要求。

就在2016年11月4日《巴黎協(xié)定》正式生效的當(dāng)天，國務(wù)院印發(fā)了“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知，該《方案》明確提出，到2020年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放比2015年下降18%，碳排放總量得到有效控制?！斗桨浮诽貏e強(qiáng)調(diào)了與電力有關(guān)的以下幾個(gè)方面：

（1）加強(qiáng)能源碳排放指標(biāo)控制。到2020年，能源消費(fèi)總量控制在50億t標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費(fèi)比2015年下降15%，非化石能源比重達(dá)15%。大型發(fā)電集團(tuán)供電CO2排放控制在550g/（kW·h）以內(nèi)。

（2）大力推進(jìn)能源節(jié)約。堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先的能源戰(zhàn)略，合理引導(dǎo)能源需求，提升能源利用效率。

（3）加快發(fā)展非化石能源。到2020年，力爭常規(guī)水電裝機(jī)達(dá)到3.4億kW，風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到2億kW，光伏裝機(jī)達(dá)到1億kW，核電裝機(jī)達(dá)到5 800萬kW，在建容量達(dá)到3 000萬kW以上。加強(qiáng)智慧能源體系建設(shè)，推行節(jié)能低碳電力調(diào)度，提升非化石能源電力消納能力。

（4）優(yōu)化利用化石能源。控制煤炭消費(fèi)總量，2020年控制在42億t左右。推動(dòng)霧霾嚴(yán)重地區(qū)和城市2017年后繼續(xù)實(shí)現(xiàn)煤炭消費(fèi)負(fù)增長。加強(qiáng)煤炭清潔高效利用，大幅削減散煤利用。加快推進(jìn)居民采暖用煤替代工作，積極推進(jìn)工業(yè)窯爐、采暖鍋爐“煤改氣”，大力推進(jìn)天然氣、電力替代交通燃油，積極發(fā)展天然氣發(fā)電和分布式能源。在煤基行業(yè)和油氣開采行業(yè)開展碳捕集、利用和封存的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)示范，控制煤化工等行業(yè)碳排放。積極開發(fā)利用天然氣、煤層氣、頁巖氣，加強(qiáng)放空天然氣和油田伴生氣回收利用，到2020年天然氣占能源消費(fèi)總量比重提高到10%左右。

基于CO2減排的大背景，本文從技術(shù)層面探討煤電減排CO2的途徑。

1 我國火電的CO2碳排放強(qiáng)度

2015年，我國火電平均供電煤耗為315g/（kW·h），其中，氣電的供電煤耗為246.5g/（kW·h），煤電的供電煤耗為318g/（kW·h），如果將其轉(zhuǎn)化到單位碳排放強(qiáng)度，則氣電的CO2排放強(qiáng)度為390.4g/（kW·h），煤電CO2排放強(qiáng)度平均為890g/（kW·h），進(jìn)而得到全國供電CO2排放強(qiáng)度為600.5g/（kW·h）。新建1 000MW超超臨界機(jī)組以供電煤耗要求不超過282g/（kW·h）換算，其CO2排放強(qiáng)度為763g/（kW·h）。

如果以2015年我國各種電源總發(fā)電量為基數(shù)，則我國供電CO2排放強(qiáng)度為600.5g/（kW·h），2020年供電CO2排放強(qiáng)度估計(jì)達(dá)到574g/（kW·h）。以中國華能集團(tuán)公司、中國大唐集團(tuán)公司、中國華電集團(tuán)公司、中國國電集團(tuán)公司和國家電力投資集團(tuán)公司五大發(fā)電公司為例，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算CO2排放強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。五大電力公司的平均供電煤耗為307.7g/（kW·h），其中火電機(jī)組發(fā)電量大的公司，其年平均CO2排放強(qiáng)度就高。如：中國華能集團(tuán)公司2015年火電發(fā)電量的占比為78.32%，其CO2排放強(qiáng)度為670g/（kW·h）；而國家電力投資集團(tuán)公司火電發(fā)電量占比為66%，其CO2排放強(qiáng)度為566.3g/（kW·h）。為實(shí)現(xiàn)CO2排放強(qiáng)度為550g/（kW·h）的要求，各大電力公司必須采取措施優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，或降低煤電發(fā)電量，或進(jìn)行節(jié)能改造大力降低煤電的碳排放。

2 降低CO2排放強(qiáng)度的措施

2.1 提高效率是煤電減排CO2最可行的途徑

根據(jù)熱力學(xué)原理，提高熱力循環(huán)效率的主要途徑是：

（1）提高蒸汽溫度。為了得到更高的熱效率，就必需盡可能地降低熱力循環(huán)冷端（低溫端）的溫度，盡可能提高高溫端的溫度。但是，冷端溫度受到自然條件的限制，大幅度降低冷端溫度的可能性很小，因此，盡可能提高熱端溫度就成為提高熱效率的主要手段。

（2）提高再熱次數(shù)，從一次再熱發(fā)展到二次再熱。

（3）盡可能降低熱力學(xué)過程損失，潛力巨大。

我國煤電機(jī)組容量構(gòu)成現(xiàn)狀如表2所示，典型燃煤發(fā)電機(jī)組供電煤耗如表3所示，其中CFB為循環(huán)流化床（circulating fluidized bed）。

由表2和3可知：

表1 五大發(fā)電集團(tuán)CO2排放強(qiáng)度估算結(jié)果Table 1Estimation results of the CO2emissions intensity for the five power generation groups

（1）目前，我國300MW及以下的煤電機(jī)組還占全部煤電機(jī)組總裝機(jī)容量的47.7%，其中300MW等級的亞臨界機(jī)組還有744臺，裝機(jī)容量共計(jì)2億3 456萬kW，占煤電總裝機(jī)容量的25.5%。

（2）2015年全國平均供電煤耗是315g/（kW·h），但300MW亞臨界機(jī)組的平均供電煤耗是330g/（kW·h）（水冷機(jī)組）總體上低于全國火電機(jī)組平均能效水平，比2015年全國平均供電煤耗高出15g（標(biāo)準(zhǔn)煤）。因此，對占煤電裝機(jī)總?cè)萘?1%的300MW以下及300～600MW的亞臨界機(jī)組節(jié)能升級改造，將是“十三五”煤電節(jié)能改造戰(zhàn)略任務(wù)的重點(diǎn)。

表2 我國煤電機(jī)組容量構(gòu)成Table 2 Constitution of the coal unit capacity in China

表3 典型常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組供電煤耗參考值Table 3 Reference data of coal consumption for power supply of typical conventional coal-fired power units g/（kW·h）

2.2 汽輪發(fā)電機(jī)組分軸高低位布置二次再熱超超臨界技術(shù)

汽輪發(fā)電機(jī)組分軸高低位布置技術(shù)將汽輪機(jī)的高壓缸和第一級中壓缸布置在高位，靠近鍋爐過熱器和一級過熱器出口聯(lián)箱處，從而大大地縮短了高溫主蒸汽和再熱蒸汽管道的長度。其優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）采用高低位分軸布置，可最大限度地減少管道總量，二次再熱機(jī)組的優(yōu)勢得以發(fā)揮。

（2）采用了雙軸技術(shù)，單機(jī)機(jī)組容量的瓶頸被打開，按現(xiàn)有的鍋爐和汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，單機(jī)容量可達(dá)1 300～1 500MW，而且更具有優(yōu)化機(jī)組二次再熱熱力學(xué)性能的潛力［1－2］。

2.3 對亞臨界機(jī)組進(jìn)行“高溫亞臨界”改造

目前，我國仍有超過3億kW 裝機(jī)容量的300MW及以上的亞臨界機(jī)組，典型的參數(shù)水平是16.7MPa/538℃/538℃。由于參數(shù)較低，汽輪機(jī)通流效率設(shè)計(jì)限于當(dāng)時(shí)的水平普遍不高，對于300MW等級亞臨界機(jī)組，額定工況下汽機(jī)熱耗設(shè)計(jì)值一般均超過8 000kJ/（kW·h）；加上運(yùn)行老化，經(jīng)調(diào)研大部分純凝式亞臨界汽輪機(jī)熱耗高于8 200kJ/（kW·h）甚至8 500kJ/（kW·h）。機(jī)組運(yùn)行供電煤耗也普遍高于330g/（kW·h），甚至達(dá)到350～360g/（kW·h）。通過改造實(shí)現(xiàn)低于310g/（kW·h）的供電煤耗要求，挑戰(zhàn)十分巨大。因此，要使亞臨界機(jī)組的供電煤耗大幅度下降，就要在蒸汽溫度上做文章。

應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，申能上海外高橋第三發(fā)電廠馮偉忠研發(fā)了一種“高溫亞臨界機(jī)組”的專利技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵是保持機(jī)組壓力在亞臨界水平（約17MPa），將機(jī)組主蒸汽和再熱蒸汽溫度均提高到超超臨界的600℃水平。該技術(shù)路線可大幅提高機(jī)組效率，對于現(xiàn)役亞臨界機(jī)組改造，可使汽輪機(jī)的熱耗水平優(yōu)于目前所有的超臨界機(jī)組，機(jī)組煤耗可以達(dá)到遠(yuǎn)優(yōu)于國家要求的310g/（kW·h）水平，且性價(jià)比最高，具有極為重要的推廣意義；對于新建CFB亞臨界機(jī)組也有重要應(yīng)用價(jià)值。

對于“高溫亞臨界”的改造工作，針對國內(nèi)亞臨界汽輪機(jī)特別是300MW等級亞臨界汽輪機(jī)普遍采用高中壓合缸設(shè)計(jì)，汽機(jī)需要整體更換高中壓缸，若低壓缸效率偏低，可考慮通流改造。鍋爐方面，由于給水系統(tǒng)壓力不變，所以從給水泵出口到原部分過熱器均可保留，僅部分過熱器需要調(diào)整并增加受熱面積以使主蒸汽溫度達(dá)到600℃，再熱器需要進(jìn)行更換以達(dá)到相關(guān)溫度要求，目前申能科技已有可行的相關(guān)鍋爐主蒸汽和熱再蒸汽受熱面的改造方案。例如，按照額定負(fù)荷下，煤粉鍋爐效率93%，廠用電率5%的較典型亞臨界機(jī)組的水平，若汽輪機(jī)熱耗達(dá)到7 409kJ/（kW·h），考慮99%的管道效率，則機(jī)組額定工況的供電煤耗可達(dá)289g/（kW·h）。若考慮到改造的各方面限制因素，汽機(jī)熱耗按照7 500kJ/（kW·h），則供電煤耗仍然可達(dá)到292.5g/（kW·h）。

除了亞臨界煤粉爐外，300MW等級亞臨界CFB鍋爐與高溫亞臨界汽輪機(jī)是最佳組合。目前，申能科技與清華大學(xué)合作，參與了山東兗礦集團(tuán)“華聚能源2×350MW亞臨界600℃高效超低排放CFB機(jī)組技術(shù)研發(fā)與示范項(xiàng)目”研發(fā)工作，該項(xiàng)目汽輪機(jī)熱耗7 453kJ/（kW·h）（上海電氣提出指標(biāo)），鍋爐效率92%，廠用電率6%，管道效率99%，得到機(jī)組額定工況下供電煤耗297.5g/（kW·h），為今后新建CFB機(jī)組的高效化提供了非常重要的指導(dǎo)方向。

2.4 現(xiàn)役燃煤超超臨界機(jī)組節(jié)能改造

申能上海外高橋第三發(fā)電廠堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新和節(jié)能減排改造，使供電效率從設(shè)計(jì)值42.1%提高到46.5%（額定負(fù)荷）；供電煤耗從設(shè)計(jì)值291.5g/（kW·h）降低到276g/（kW·h）。又如，華潤電力集團(tuán)的徐州銅山電廠2臺1 000MW超超臨界機(jī)組，在采用上海外高橋第三發(fā)電廠的創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)進(jìn)行改造后，經(jīng)過美國通用電氣公司（GE，原阿爾斯通公司）采用最先進(jìn)的技術(shù)嚴(yán)格測試，效率得到大幅度提高，供電煤耗降低10g/（kW·h）以上。測試結(jié)果如表4所示。

在當(dāng)前條件下，減排CO2最現(xiàn)實(shí)、有效和可行的主要方法之一，就是盡可能提高效率。如果全球煤電的平均凈效率增加4%～7%，就相當(dāng)于降低了15%～20%全球煤炭排放的CO2，或者說，全球減排了10億～20億t的CO2；對于新建的燃煤機(jī)組，提高蒸汽溫度和采用二次再熱是可行的方向，但對在役運(yùn)行機(jī)組，采用創(chuàng)新的高效率低排放技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造則是提高效率的不二途徑。應(yīng)該看到，許多電廠的節(jié)能改造經(jīng)驗(yàn)證明了，對現(xiàn)有在役煤電廠，包括超超臨界的大容量煤電廠，仍有很大的節(jié)能升級改造的空間。

3 開發(fā)新一代燃煤發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)更低的碳排放

3.1 煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)

如果將燃煤電廠的 CO2排放標(biāo)準(zhǔn)定為500g/（kW·h），則現(xiàn)有的蒸汽循環(huán)超超臨界發(fā)電技術(shù)在不采用碳捕集和埋存（CO2－capture and storage，CCS）的情況下，將不可能達(dá)到這一碳排放限額。如果采用正在開發(fā)的燃燒溫度為1 700℃的燃?xì)廨啓C(jī)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（integrated gasification combined cycle，IGCC），則其能夠達(dá)到的碳排放值將是575g/（kW·h），雖然顯著低于美國正在開發(fā)的760℃先進(jìn)超超臨界機(jī)組的715g/（kW·h）的碳排放值，但仍達(dá)不到550g/（kW·h）的要求。

由于燃料電池具有很高的發(fā)電效率，而高溫熔融碳酸鹽燃料電池（molten carbonate fuel cell，MCFC）和固體氧化物燃料電池（（solid oxide fuel cell，SOFC）的運(yùn)行和排氣溫度為600～650℃（MCFC）和900～1 000℃（SOFC），而且可用CO、H2為和CnHm為燃料，因而為發(fā)展高效低碳整體式煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)最具潛力的發(fā)展方向。這種聯(lián)合循環(huán)的供電效率可達(dá)55%以上，而燃料電池＋催化煤氣化＋加壓固體氧化燃料電池其CO2排放強(qiáng)度可低至430g/（kW·h），美國、日本和韓國等都在研發(fā)這種發(fā)電技術(shù)。煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)示意如圖1所示［3］。

表4 華潤銅山電廠1 000MW機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Performance test results of 1 000MW unit in China resources Tongshan power plant

由于燃料電池的電解質(zhì)和反應(yīng)化學(xué)物質(zhì)之間需要很大的接觸空間，因而每個(gè)燃料電池原件的尺寸和考慮是受限制的，所以燃料電池是由元件-組件-模塊構(gòu)成的。韓國浦項(xiàng)制鐵能源有限公司正在建設(shè)的360MW容量的燃料電池發(fā)電站廠址位于韓國京畿道平澤市，占地面積14萬m2，投資19億美元（5 278美元/kW或34 305元/kW），是世界上同類型燃料電池電廠中規(guī)模最大的。該燃料電池電廠將為平澤旅游園區(qū)和浦升工業(yè)園區(qū)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模供電供熱，其碳排放量比同容量熱電站減少40%。

圖1 煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)Fig.1 Integrated gasification fuel cell combined cycle

3.2 閉式超臨界CO2Brayton電力循環(huán)

圖2所示為CO2的三相圖，由圖2可知，CO2的臨界點(diǎn)為：臨界溫度310℃，臨界壓力8.38MPa。超過臨界點(diǎn)的CO2稱為超臨界CO2（sCO2），其特點(diǎn)是：

圖2 CO2的臨界點(diǎn)及其特點(diǎn)Fig.2 Critical point and characteristics of CO2

（1）超臨界CO2是液態(tài)和氣態(tài)并存的流體，密度接近于液體，粘度接近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)約為液體的10倍。

（2）超臨界CO2的臨界條件容易達(dá)到，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無毒無味無色，安全，價(jià)格便宜，易獲得。

（3）超臨界CO2具有高的流動(dòng)密度和傳熱性，因此可以大大減小壓氣機(jī)、換熱器和透平的尺寸，同時(shí)不需很高的循環(huán)溫度就能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換效率，適用于火電、太陽能熱發(fā)電和核電的循環(huán)系統(tǒng)［4］。

圖3所示為閉式超臨界CO2Brayton循環(huán)示意圖。如果把超臨界CO2Brayton循環(huán)和朗肯循環(huán)做一個(gè)比較，超臨界CO2Brayton循環(huán)具有以下特點(diǎn)：

（1）在相同溫度下布萊頓超臨界CO2循環(huán)的供電效率可比朗肯循環(huán)高出約5%。

（2）布萊頓超臨界CO2循環(huán)的主設(shè)備如壓縮機(jī)和透平等的尺寸要緊湊得多，因此極易放大。例如，300MW的朗肯蒸汽循環(huán)的汽輪機(jī)長度為20m，而300MW的布萊頓超臨界CO2循環(huán)的汽輪機(jī)長度僅為1m。因此，布萊頓超臨界CO2循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)要比朗肯蒸汽循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)低得多，而且以超臨界CO2為工質(zhì)的成本為0.025美元/kW，遠(yuǎn)低于目前600℃超超臨界機(jī)組的發(fā)電成本。相比朗肯循環(huán)水蒸氣所需的大量鍋爐管道設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模塊化建造，縮短電廠建造周期，可以大大減少投入。

（3）容易實(shí)現(xiàn)近100%的CO2捕獲。

圖3 閉式超臨界CO2Brayton電力循環(huán)示意圖Fig.3 Schematic diagram of closed supercritical CO2Brayton power cycle

4 燃煤電廠與可再生能源耦合發(fā)電

由于生物質(zhì)燃料是一種CO2中性排放的可再生能源，因此生物質(zhì)發(fā)電的碳排放是按照“零排放”計(jì)算的。國家能源局最近提出，煤電企業(yè)利用現(xiàn)有優(yōu)勢，加快燃料側(cè)靈活性轉(zhuǎn)變，煤與可再生能源耦合發(fā)電是一種成熟的發(fā)電技術(shù)，國際上已普遍應(yīng)用，技術(shù)的可行性已得到了驗(yàn)證。“十三五”期間，國家將力推煤電＋生物質(zhì)（農(nóng)林殘余物）、煤電＋泥煤、煤電＋垃圾、煤電＋光熱等耦合發(fā)電，積極開展試驗(yàn)示范，探索利用高效清潔燃煤電廠的管理和技術(shù)優(yōu)勢，摻燒消納秸稈和農(nóng)林廢棄物、污泥垃圾等燃料的有效途徑。同時(shí)，國家將參照可再生能源政策，出臺一系列煤電耦合發(fā)電的支持政策，鼓勵(lì)煤電企業(yè)因地制宜地開展不同類型的耦合發(fā)電改造。國家能源局認(rèn)為，這是優(yōu)化資源配置，促進(jìn)生態(tài)文明，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色發(fā)展，利國利企利民，功在當(dāng)代，利在千秋的大事。

4.1 為什么采用生物質(zhì)和煤混燒發(fā)電

煤與生物質(zhì)混燒，是煤電廠與可再生能源耦合發(fā)電的主要形式，特別在今天氣候變化和要求CO2減排的大形勢下，生物質(zhì)與煤混燒發(fā)電可靈活利用可再生能源，可降低CO2和其他污染物的排放。生物質(zhì)混燒發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）充分利用現(xiàn)有燃煤電廠原有的設(shè)施和系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電。

（2）充分利用原有燃煤電廠已經(jīng)存在的供電和供熱市場。

（3）降低生物質(zhì)燃料供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，生物質(zhì)發(fā)電的投資和運(yùn)行費(fèi)用最低。

（4）生物質(zhì)混燒發(fā)電可充分利用燃煤電廠高蒸汽參數(shù)達(dá)到高效率的優(yōu)點(diǎn)，使生物質(zhì)發(fā)電的效率可達(dá)到今天燃煤電廠能夠達(dá)到的最高水平。因此，混燒生物質(zhì)的電廠實(shí)際不受鍋爐容量和蒸汽參數(shù)限制的。

（5）生物質(zhì)混燒電廠的飛灰可完全用于制造水泥。

（6）混燒時(shí)生物質(zhì)在大型煤粉爐（包括超超臨界煤粉爐）中摻燒的比例可達(dá)10%～20%。對循環(huán)流化床鍋爐，生物質(zhì)混燒的比例可為0%～100%，更加靈活。

4.2 煤和生物質(zhì)混燒的經(jīng)驗(yàn)

全世界現(xiàn)在共有150多套大容量燃煤鍋爐與生物質(zhì)混燒發(fā)電的實(shí)例，其中100套在歐盟國家，40多套在美國，其余在澳大利亞。參與生物質(zhì)和煤混燒的電廠單機(jī)容量通常在50～800MW?；鞜纳镔|(zhì)燃料主要是木本和草本生物質(zhì)，燃燒鍋爐的爐型包括煤粉爐、爐排爐和流化床鍋爐等。生物質(zhì)混燒的比例一般可為0%～20%。

對原有燃煤鍋爐改造的混燒結(jié)果表明：鍋爐效率會(huì)有小量降低；鍋爐出力不會(huì)有損失；CO2、SO2、NOx和汞的排放會(huì)顯著降低?？筛脑欤ɑ蛟O(shè)計(jì)）成與生物質(zhì)混燒發(fā)電的燃煤鍋爐包括煤粉爐、循環(huán)流化床鍋爐、鼓泡床鍋爐和生物質(zhì)氣化爐產(chǎn)生的生物質(zhì)煤氣參與煤粉爐混燒［5］。

4.3 實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)與煤混燒發(fā)電的關(guān)鍵是政策

生物質(zhì)是一種能量密度低的燃料，其收集、運(yùn)輸和燃料處理均較困難，燃料成本相對較高。因此，盡管生物質(zhì)混燒發(fā)電有許多優(yōu)點(diǎn)，仍需要有政府相關(guān)政策的鼓勵(lì)才有可能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)歐盟的經(jīng)驗(yàn)，這些政策包括：

（1）混燒獎(jiǎng)勵(lì)政策，即對混燒生物質(zhì)的發(fā)電量實(shí)行優(yōu)先上網(wǎng)收購、上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼和其他減免稅政策。具體包括以下各項(xiàng)：

1）“綠色”發(fā)電指標(biāo)，即規(guī)定所有發(fā)電公司必須完成一定指標(biāo)的CO2零排放發(fā)電量。

2）混燒獎(jiǎng)勵(lì)政策，即混燒份額的發(fā)電量實(shí)行高價(jià)的上網(wǎng)電價(jià)，優(yōu)先收購和減免稅政策。

3）完不成“綠色”發(fā)電“指標(biāo)的懲罰政策。

4）碳排放貿(mào)易市場和碳排放交易政策。

為使生物質(zhì)混燒發(fā)電的政策能夠貫徹執(zhí)行，必須要有一套客觀、科學(xué)和不受人為干擾的生物質(zhì)參燒量的監(jiān)測和核查系統(tǒng)。

（2）歐盟關(guān)于混燒發(fā)電的激勵(lì)政策舉例。

1）每個(gè)發(fā)電公司均有CO2減排指標(biāo)（綠色發(fā)電指標(biāo)），其采用可再生能源取代化石燃料的發(fā)電量超過其綠色發(fā)電指標(biāo)的部分可以在碳排放市場上進(jìn)行交易，例如在歐盟碳交易市場上的CO2交易價(jià)格是5～40歐元/t。

2）政府對采用可再生能源發(fā)電所取代的化石燃料量（按照熱值計(jì)算）給與減稅政策：取代煤電減稅6.3歐元/（MW·h）；取代油電減稅5.3歐元/（MW·h）；取代天然氣電減稅1.9歐元/（MW·h）。

3）政府對采用廢棄生物質(zhì)發(fā)電給與上網(wǎng)電價(jià)優(yōu)惠：采用伐木和森林廢棄物發(fā)電，上網(wǎng)電價(jià)增加6.9歐元/（MW·h）；采用回收生物質(zhì)材料發(fā)電，上網(wǎng)電價(jià)增加2.5歐元/（MW·h）。

4）政府對創(chuàng)新的可再生能源發(fā)電項(xiàng)目的投資給與補(bǔ)貼。

5）其他與綠色電力生產(chǎn)和應(yīng)用有關(guān)的政策還有：如果用戶使用的是綠色電力，則要付更高的電費(fèi)給發(fā)電公司；政府要給種植用于生物質(zhì)發(fā)電的能源植物的農(nóng)民給與補(bǔ)貼；政府要給收割炭薪林和伐木廢棄物予以補(bǔ)貼［6］。

4.4 大容量煤粉爐實(shí)現(xiàn)混燒生物質(zhì)的技術(shù)途徑

根據(jù)歐盟的經(jīng)驗(yàn)，在大容量燃煤火電廠中實(shí)現(xiàn)和生物質(zhì)混燒的技術(shù)途徑至少有以下幾項(xiàng)：

（1）直接混合燃燒，即在燃燒側(cè)實(shí)現(xiàn)混燒，也就是將生物質(zhì)燃料處理成可以和煤粉混燒的狀態(tài)直接送入爐膛實(shí)現(xiàn)混燒。

（2）間接混合燃燒，即生物質(zhì)先在氣化爐中進(jìn)行氣化，氣化產(chǎn)生的生物質(zhì)煤氣噴入煤粉爐中實(shí)現(xiàn)與煤混燒。

（3）并聯(lián)燃燒，在蒸汽側(cè)實(shí)現(xiàn)“混燒”，即生物質(zhì)在獨(dú)立的鍋爐中燃燒，但鍋爐的蒸汽參數(shù)和燃煤主鍋爐一樣，將生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽并入煤粉爐的蒸汽管網(wǎng)，共用汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

4.5 大容量煤粉爐混燒生物質(zhì)的案例

4.5.1 2×430MW超臨界機(jī)組燃燒多種燃料/生物質(zhì)

丹麥哥本哈根2×430MW超臨界燃煤電廠，采用多種生物質(zhì)混燒方式，燃燒多種燃料/生物質(zhì)，包括專門燃燒秸稈的生物質(zhì)往復(fù)爐排鍋爐，每年燃燒170kt秸稈，產(chǎn)生超臨界參數(shù)的蒸汽，在蒸汽側(cè)和超臨界煤粉爐產(chǎn)生的蒸汽混合發(fā)電。同時(shí)，在超臨界煤粉爐中，混燒廢木材顆粒，每年消耗廢木材160kt，500kt煤。圖4為該電廠多種燃料混燒示意圖。

圖4 丹麥2×430MW超臨界燃燒多種燃料/生物質(zhì)電廠示意圖Fig.4 Schematic diagram of 2×430MW supercritical combustion multi-fuel/biomass power plant in Denmark

4.5.2 4×500MW煤粉爐與生物質(zhì)混燒

英國Ferrybridege C燃煤電廠有4×500MW Babcock ＆Wilcox的單爐膛前墻燃燒自然循環(huán)煤粉爐，前墻配48臺低NOx煤粉燃燒器，其中2× 500MW鍋爐于2004年改成同磨生物質(zhì)混燒，由于采用煤和生物質(zhì)同磨同燃燒器，限制了生物質(zhì)的混燒比，生物質(zhì)混燒比不能超過3%，否則就影響磨煤機(jī)的性能（出力、細(xì)度和正常運(yùn)行）。另外2×500MW鍋爐于2006年改成單獨(dú)的生物質(zhì)燃料處理和磨制系統(tǒng)，同時(shí)在鍋爐后墻安裝了6臺專門研制的燃燒生物質(zhì)的旋流預(yù)燃室燃燒器，效果良好，其混燒生物質(zhì)比例可達(dá)20%。

4.5.3 4×500MW切向燃燒煤粉爐煤/生物質(zhì)混燒電廠

英國蘇格蘭和南部電力公司的Fiddlers Ferry電廠的4臺500MW切向燃燒煤粉鍋爐于1970年投入運(yùn)行，于2002年開始混燒改造，2006年全部改造完畢投入正式運(yùn)行混燒方式：生物質(zhì)與煤混磨（捶擊式磨煤機(jī)）。該電廠生物質(zhì)混燒改造后，其生物質(zhì)混燃比例為鍋爐總輸入熱量的20%，每年減少CO2排放100萬t。

該電廠混燒的生物質(zhì)燃料包括壓制的廢木屑顆粒燃料、橄欖核、煉制橄欖油的廢品等，每臺鍋爐每天燃用1 440t生物質(zhì)燃料。在混燃20%的生物質(zhì)燃料時(shí)，鍋爐可用率達(dá)95%，鍋爐效率只降低0.4%。生物質(zhì)燃料可為每臺機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定地提供100MW的電力輸出，運(yùn)行以來沒有出現(xiàn)結(jié)渣和積灰的問題。其生物質(zhì)燃料處理系統(tǒng)適用于水分低于15%的各種生物質(zhì)燃料。

該電廠生物質(zhì)混燒改造工程總投資5 000萬英鎊，在英國政府有關(guān)混燒生物質(zhì)的激勵(lì)政策下該投資在不到1年的時(shí)間即全部回收。

4.5.4 6×660MW生物質(zhì)混燒燃煤電廠

Drax電廠是英國最大的火電廠，總?cè)萘繛? 000MW，位于英國Selby，電廠裝機(jī)容量為6×660MW前后墻對沖燃燒鍋爐，前3臺機(jī)組1974年投運(yùn)，后3臺1986年投運(yùn)?，F(xiàn)在全部6臺鍋爐中已有3臺完成改造，其采用的技術(shù)是單獨(dú)生物質(zhì)磨制和燃燒系統(tǒng)。當(dāng)其全部鍋爐完成改造后，該電廠將是世界上容量最大的采用單獨(dú)生物質(zhì)處理、磨制和燃燒的生物質(zhì)混燒煤粉爐電廠。其生物質(zhì)的混燒份額為10%MCR6×600MW熱輸入，生物質(zhì)混燒每年減排CO2為200萬t，相當(dāng)于500座最大的風(fēng)電機(jī)達(dá)到的CO2減排量。該電廠生物質(zhì)混燒每年用于混燒的生物質(zhì)為150萬t。

該電廠生物質(zhì)混燒改造工程于2008年下半年啟動(dòng)，現(xiàn)已完成的生物質(zhì)混燒改造工程。包括1座12 000m3的生物質(zhì)燃料儲(chǔ)倉、以及燃料卸載、輸送、過篩、分離、除金屬、磨粉直到爐前燃料倉和燃燒系統(tǒng)。該電廠的生物質(zhì)混燒改造后，不但每年可減排CO2200萬t，而且經(jīng)濟(jì)效益顯著，2105年該電廠的總收入是26.38億英鎊，其中由于混燒生物質(zhì)而得到的零碳排放發(fā)電量的獎(jiǎng)勵(lì)和上網(wǎng)電價(jià)優(yōu)惠的收入為4.518億英鎊，占總收入的17%。

4.6 大容量CFB鍋爐混燒生物質(zhì)

由于CFB燃燒技術(shù)的特點(diǎn)是98%的巨大熱容量的惰性固體床料包圍著不到2%的燃料，加上熱循環(huán)物料的強(qiáng)烈的湍流混合和燃料很長的停留時(shí)間，從而使得即使在800～900℃的燃燒溫度條件下，CFB幾乎可以高效地燃燒任何燃料，包括低熱值和高水分的燃料。因此，CFB是燃燒生物質(zhì)燃料的理想燃燒技術(shù)，從理論上說，CFB鍋爐燃燒生物質(zhì)在技術(shù)上不會(huì)受CFB鍋爐容量的限制，即使是大容量CFB鍋爐，從100%燃燒生物質(zhì)到以任何比例和煤混燒生物質(zhì)都是可行的。利用CFB鍋爐進(jìn)行煤和生物質(zhì)混燒的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）充分利用CFB鍋爐燃料靈活性的優(yōu)點(diǎn)，可以大比例低混燒生物質(zhì)。

（2）混燒生物質(zhì)可以顯著降低CO2和其他污染物的排放。

（3）煤的供應(yīng)可以保證，煤的質(zhì)量可以選擇，以滿足不同的要求。

（4）因?yàn)榛鞜谋壤梢愿淖兒驼{(diào)整，因而發(fā)電量不會(huì)受生物質(zhì)燃料供應(yīng)的季節(jié)性影響［6］。

CFB鍋爐燃燒生物質(zhì)的一個(gè)制約因素是生物質(zhì)的種類。如果生物質(zhì)堿金屬如鉀和氯含量高，容易造成鍋爐受熱面結(jié)渣、積灰和腐蝕，而秸稈類生物質(zhì)的鉀和氯的含量均很高，因而在燃燒過程中會(huì)降低灰熔點(diǎn)和對受熱面的腐蝕。經(jīng)研究，對CFB鍋爐，如果整個(gè)爐內(nèi)灰中堿金屬含量超過2%，則灰熔點(diǎn)會(huì)降低至800℃以下，從而會(huì)導(dǎo)致爐膛結(jié)渣而破壞床料的流態(tài)化使鍋爐不能運(yùn)行。因此，如果生物質(zhì)燃料是秸稈，則秸稈的混燒比例就受到由于秸稈中堿金屬和氯的含量的限制。CFB鍋爐燃燒生物質(zhì)的另一個(gè)制約因素是生物質(zhì)的物理密度和能量密度低，因而生物質(zhì)燃料的體積大，對于大容量CFB鍋爐，如果混燒生物質(zhì)的比例過大，則生物質(zhì)燃料的儲(chǔ)存和燃料處理系統(tǒng)將會(huì)十分龐大而導(dǎo)致在經(jīng)濟(jì)上的不合理。另外混燒生物質(zhì)的比例也影響鍋爐的設(shè)計(jì)，由于生物質(zhì)的水分含量較高，因而混燒生物質(zhì)的鍋爐體積也相應(yīng)較大。

目前，大容量CFB鍋爐，如波蘭的460MW超臨界CFB鍋爐和在韓國的550MW超超臨界CFB鍋爐，均按照以煤為主，混燒生物質(zhì)設(shè)計(jì)，其燃用的生物質(zhì)燃料均為木基木材廢料，如木屑等。波蘭的460MW CFB和韓國的550MW CFB的生物質(zhì)混燒比例均為10%。因此，容量超過500MW的CFB機(jī)組，其合理的生物質(zhì)混燒比例，主要取決于其混燒的生物質(zhì)種類，以及生物質(zhì)燃燒的儲(chǔ)存和出力系統(tǒng)，以及對鍋爐設(shè)計(jì)的影響，在經(jīng)濟(jì)上是否合理。對于生物質(zhì)固體成型燃料，如廢木材顆粒，這是CFB的理想燃料，如果有足夠數(shù)量的木質(zhì)顆粒生物質(zhì)燃料供應(yīng)，即使對大容量CFB鍋爐，混燒木質(zhì)顆粒的比例應(yīng)該是沒有限制的。

5 結(jié)語

國務(wù)院頒布了“十三五”控制溫室氣體排放工作方案，規(guī)定了“大型發(fā)電集團(tuán)單位供電CO2排放控制在550g/（kW·h）以內(nèi)”的政策，必將會(huì)更大促進(jìn)各大電力公司進(jìn)一步優(yōu)化其電源結(jié)構(gòu)，采用更先進(jìn)高效低排的新型煤電機(jī)組，改造或淘汰落后的亞臨界機(jī)組，發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)和生物質(zhì)混燒。當(dāng)前，燃煤電廠減排CO2應(yīng)該大力推動(dòng)建設(shè)高效率、低排放燃煤電廠來取代低效率、高污染的電廠，以大大提高高效率、低排放電廠的比例。與此同時(shí)，大力開發(fā)低能耗、低成本的CCS技術(shù)，完善有關(guān)采用CCS的法規(guī)制度。由于燃煤發(fā)電大幅度減排CO2只能夠建立在高效率、低排放技術(shù)的基礎(chǔ)上，一旦CCS技術(shù)達(dá)到可大規(guī)模推廣，逐步將最先進(jìn)的高效率、低排放燃煤電廠和CCS結(jié)合，以期到2050年，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠CO2接近零排放。

［1］毛健雄.汽輪發(fā)電機(jī)組分軸高低位布置二次再熱超超臨界技術(shù)［J］.分布式能源，2016，1（3）：37-42.MAO Jianxiong.Double reheat ultra-supercritical technology with cross-compound，high and low positioned steam turbounit［J］.Distributed Energy，2016，1（3）：37-42.

［2］FENG Weizhong.Cross compound turbine generator unit with elevated and conventional turbine layouts［C］//ASME 2016 Power and Energy Conference.Charlotte：ASME，2016.

［3］PHILLIPS J N.The need for advanced coal power technology［C］//Asia Coal Power Technology Seminar.Tokyo：EPRI，2016.

［4］MAXSON A.Supercritical CO2brayton cycles：Pathway to higher efficiency coal power［C］//Asia Coal Power Technology Seminar.Tokyo：EPRI，2016.

［5］MINCHENER A.Clean coal power generation：Current challenges and future opportunities［C］//APEC Expert Workshop on Innovative Systemic Approaches to Enhancing Coal-Fired Power Generation Efficiency.Shanghai，2015.

［6］MAO Jianxiong.Current effective way to reduce CO2emissions for coal fired power plants［C］//APEC Expert Workshop on Innovative Systemic Approaches to Enhancing Coal-Fired Power Generation Efficiency.Shanghai，2015.

CO2Emission Reduction Technology for Coal-Fired Power Plant

MAO Jianxiong
（Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Haidian District，Beijing 100084，China）

CO2emission reduction goal is proposed by Paris Agreement，which is challenging for controlling the carbon emissions of the coal-fired power plant.Electric power enterprises must reduce the carbon emissions to satisfy the emission standard in China.In order to promote the energy conservation and decrease the carbon emissions of the coal-fired power generation，the methods of CO2emission reduction of the coal-fired power plant are introduced，such as，increase the power generation efficiency to reduce the coal consumption，develop the power generation methods of the coal and biomass co-firing，generalize the CO2－capture and storage technology（CCS）.The analysis results indicate that the maximum of the power generation efficiency to reduce the coal consumption reduction is severed as the main approach of the CO2emission reduction at present.

CO2emission reduction；coal and biomass co-firing；CO2－capture and storage（CCS）；double reheat technology

毛健雄

2016-10-10

毛健雄（1935—），男，榮譽(yù)博士，教授，研究方向?yàn)闊崮芄こ毯颓鍧嵜喊l(fā)電技術(shù)，maojx＠tsinghua.edu.cn。

（編輯 蔣毅恒）

TK47

A

2096-2185（2017）01-0035-09

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.01.006