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煤炭的清潔高效利用實現節能減排
發布時間: 2017-03-27 08:55:14| 作者:本站編輯| 來源: 本站原創

一段時間以來,漫天的霧霾不時肆虐我國大部分地區,在集中采暖的秋冬季節甚至會發展到PM2.5值爆表的程度。造成大范圍重度霧霾的罪魁禍首之一,是數以億噸計煤炭燃燒所釋放的大量污染物。2015年,我國煤炭消費量高達39.65億噸,相當于全世界的一半左右。我國多種大氣污染物的排放量也因此穩居世界第一,遠遠超出了自然環境的最大承載能力,我國的空氣污染形勢正在日益惡化。

 

 

煤炭燃燒產生污染物(來源:邑石網)

煤炭是有著上千年利用歷史的重要常規能源,曾經為人類的第一次科技革命立下汗馬功勞。然而,煤炭在開采、運輸、轉化與燃燒過程中都會污染土壤、水和大氣,其中大量燃煤造成的大氣污染尤為嚴重,可引發霧霾、酸雨等諸多環境危害。在我國重點監測的六種大氣污染物中,煤炭燃燒對其中的二氧化硫、氮氧化物和粉塵都做出了最大的“貢獻”。燃煤過程會排放出大量二氧化碳,煤炭產業因此也是溫室氣體排放大戶。

作為世界首個工業化國家的首都與經濟中心,英國倫敦早年的“霧都”之名就是拜大量燃煤導致的嚴重大氣污染所賜。發生于1952年冬季的倫敦煙霧事件奪去了上萬人的生命,成為震驚世界的歷史性環境污染案例。以1956年英國頒布世界上第一部《清潔空氣法》為標志,飽受污染之苦的各大工業國相繼開始了斬斷燃煤“黑龍”的治理行動。

 

 

早年的“霧都”倫敦(來源:邑石網)

發達國家的首選煤炭污染治理策略是使用更加清潔的核能、天然氣等替代煤炭能源。煤炭在英國一次能源消費中的份額一度高達84%,到了2014年已經下降到16.6%,煤炭年消費量也從約2億噸下降到5000萬噸左右。在經濟規模較大的發達經濟體中,一次能源消費中的煤炭占比降到20%以下。在煤炭消費逐年遞減的過程中,上述國家的大氣污染問題得到了明顯改善。

然而,人類社會想與煤炭徹底說“再見”也并非易事。在現有技術條件下,煤炭依然是儲量最豐富、成本最低廉的常規能源。通過研發、推廣煤炭清潔高效利用技術,在政府監管之下實現重要污染物的達標排放,煤炭也能成為相對清潔的能源。在煤炭資源豐富的美國,燃煤電廠一直在電力供應中擔當著重要角色。

經過各國科技界、產業界數十年的不懈研發實踐,煤炭的清潔高效利用技術體系已經日趨成熟完備,基本涵蓋了煤炭開采、運輸、加工、轉換與利用的整個產業鏈,整體工藝路線可以概括為“凈化、脫硫、脫硝、除塵、封碳”。美國的煤炭清潔高效利用技術處于世界一流水平,在先進燃煤發電技術、大氣污染物脫除設備、煤炭加工成潔凈能源技術以及工業潔凈煤應用方面都有特色,而且特別重視發展二氧化碳的排放控制技術。歐盟、日本等也發展了一些具有針對性的潔凈煤技術,其中日本的燃煤電廠排放控制達到了很高的水平。

在燃燒利用之前進行適度的凈化加工,是實現煤炭清潔高效利用的重要手段之一。在煤炭的開采與運輸環節,可以通過推廣綠色開采方式減少固體廢物、污水與粉塵排放。應用原煤洗選、型煤加工技術去除煤炭中的雜質,可以提高煤炭利用效率并減少硫化物與煙塵排放。將優質低灰原煤加工成水煤漿,既可以部分替代石油,也可以提高燃燒效率并減輕污染。利用氣化技術將固體煤炭轉換為煤氣并脫除硫化物與灰分,是實現高效潔凈燃燒的重要方式。煤炭液化技術是將煤炭轉化為液體燃料,也能夠起到提高燃燒效率并減少污染物排放的效果。

煤炭在工業化國家主要被用于火力發電,燃煤電廠的清潔高效燃燒技術尤其受到重視,超臨界發電機組(SC)與超超臨界發電機組(USC)、循環流化床燃燒技術(CFBC)都實現了產業化,整體式煤氣化聯合循環發電技術(IGCC)已有商業應用示范。通過使用煤氣化或流化床等先進燃燒技術,不僅可以控制二氧化硫與氮氧化物的排放量,還能降低燃煤發電中每千瓦時的煤炭消耗量,從而實現煤炭的高效利用并達到節能減排的效果。

 

 

煤炭工業(來源:邑石網)

煤炭燃燒后的煙氣是各種大氣污染物的“集中營”,需要采用一系列凈化處理技術將其“捉拿歸案”,以期實現二氧化硫、氮氧化物、粉塵等重要污染物的達標排放。例如,采用濕法、干法等煙氣脫硫技術(FDG)除去二氧化硫,利用低氮燃燒、選擇性催化還原法脫除氮氧化物,采用靜電除塵等技術消煙除塵,利用二氧化碳捕集、利用與封存技術(CCUS)減少二氧化碳的排放。在采用先進的清潔高效利用技術武裝起來的燃煤電廠里,煤炭可以神奇地變為一種清潔能源。

我國多年保持著世界煤炭消費第一大國的地位,加之煤炭生產與消費管理粗放、環保監管與污染治理不力,煤炭消費長期成為我國大氣污染物的最大來源。根據2012 年的數據,我國煤炭消費帶來的一次PM2.5顆粒物、二氧化硫和氮氧化物排放量分別占該類污染物排放總量的62%93%70%。煤炭消費對我國PM2.5年均濃度做出了超過一半的“貢獻”,我國煤炭消費量的增長與霧霾天氣的增加呈現出明顯的正向相關。作為世界碳排放第一大國,煤炭消費在我國的二氧化碳排放總量中占據了約3/4的份額,控制燃煤二氧化碳排放是實現我國碳排放控制目標的要點與難點。

面對嚴峻的大氣污染形勢與巨大的節能減排壓力,中央與地方先后頒布并修訂了《大氣污染防治法》《火電廠大氣污染物排放標準》等一系列相關法規、標準,制定了《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》等相關行動規劃。煤炭產業作為并不光彩的污染“冠軍”,其節能減排、綠色發展在我國受到格外重視。近年來,我國不斷加大對煤炭產業特別是燃煤大氣污染的監管與防治力度,出臺和修訂了一系列與煤炭生產、儲存、運輸以及轉換、利用相關的政策法規,大力發展潔凈煤技術的研發與產業應用。

由于電力用煤消耗了我國近一半的煤炭,我國尤其重視燃煤電廠的煤炭清潔高效利用。經過多年不懈的努力,我國煤電機組技術水平不斷提高,大容量、高參數機組成為絕對主流。大型超超臨界發電機組(USC)、循環流化床燃燒技術(CFBC)的應用處于世界先進水平。201212月,我國自主研發、設計、建設和運營的華能天津 IGCC 示范電站投入運行,使得我國成為世界上完全掌握 IGCC 技術的少數國家之一。2013年,我國自主研發的世界首臺單機容量高達60萬千瓦的超臨界 CFBC 鍋爐在四川白馬電廠投入運行。2014年,我國燃煤電廠的平均凈效率提高到38.6%,在世界同行中處于較為先進的水平。

隨著技術與裝備的長足進步,我國燃煤電廠的污染物排放控制同樣進展喜人。在 2014年火電發電量比1980年增長16倍的前提下,我國電力行業實現了75.4%的煙塵減排,電力二氧化硫排放量減少了54.1%,氮氧化物排放量比2011年的峰值下降了38.2%,燃煤電廠的單位發電量污染物排放處于世界先進水平。當前,我國正在進一步推進燃煤電廠的設備改造與排放標準升級,即:實現主要污染物超低排放;穩步推進二氧化碳捕集、利用與封存技術的研發與示范。可以毫不夸張地說,我國煤電產業已開始逐步實現從“骯臟”到“潔凈”的華麗轉身,為我國的節能減排事業做出了重要貢獻。

與此同時,占據我國煤炭消費近一半份額的其他動力煤及民用煤等的高效潔凈利用態勢卻不容樂觀。例如,每年有多達8億噸左右的所謂“散用煤”未經清潔處理就被直接燃燒排放,致使大量污染物直接排放到大氣中,堪稱造成大氣污染與霧霾的元兇首惡。“十三五”時期,我國將致力于重點推進居民采暖、工農業生產、交通運輸、電力供應與消費四個領域的電能替代,使用清潔的電能替代低效、分散、高污染的煤炭直接燃燒利用。同時繼續提高燃煤電廠的節能減排技術與裝備水平,提高電煤在我國煤炭消費中的比重。

近年來,我國還擇機通過在國際市場上獲取更多石油、天然氣,大力發展風電、光伏發電等手段,將煤炭在我國能源消費結構中的占比降至64%左右。通過不懈的去產能與消費控制,我國的煤炭產量與消費量從2014年起連續兩年實現了負增長。預期在“十三五”時期還會保持適度下降趨勢。

然而,在我國實施大規模的“去煤化”并不現實。中國的能源稟賦可以概括為“富煤貧油少氣” ,煤炭資源占我國化石能源儲量的90%以上。在核聚變等革命性新能源技術沒有取得突破之前,煤炭依然是我國能源供應中不可替代的龍頭老大。既要保證能源供應的充足與安全,又要盡快解決嚴重的污染問題,實現煤炭資源的清潔高效利用既能破解煤炭產業的困局,也是我國經濟社會可持續發展的戰略需要。


(來源:科協改革進行時微信公眾號)

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