火電機(jī)組二氧化碳減排策略研究

孫漪清（中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院，北京 100070）

工業(yè)革命以來，大氣中CO2含量逐年升高，溫室效應(yīng)導(dǎo)致海平面上升、海洋酸化以及極端天氣現(xiàn)象頻發(fā)等問題。根據(jù)國際能源署的統(tǒng)計(jì)，過去30年，全球碳排放的增量中，40%來自煤炭燃燒。我國燃煤電站CO2排放量占全國總排放量的40%以上，并呈增長趨勢(shì)，以煤電為主的電力行業(yè)已成為我國CO2排放的最大源頭。因此燃煤電廠CO2減排是我國CO2減排的重中之重。

1 CO2減排策略

燃煤電廠CO2減排方式主要有以下幾種：（1）提高能源利用率和轉(zhuǎn)化率；（2）采用燃燒后捕集、封存與利用的方式（CCS）；（3）采用替代燃料，大力發(fā)展低碳能源、核能、可再生能源等[1]。

圖1中比較不通過減排方式的減排成本。CCS減排成本最高，僅運(yùn)行CO2捕集及壓縮系統(tǒng)將使燃煤機(jī)組損失10%的效率。同時(shí)CO2的運(yùn)輸和封存也存在很大的不確定性。此外，風(fēng)電、水電等低碳能源，分布受到水文、氣候、地貌等自然條件的限制大，難以大規(guī)模推廣。目前，通過提高能源利用效率，減少煤炭的消耗與CO2排放，即“節(jié)能減排”，是最為經(jīng)濟(jì)可靠的CO2減排途徑[2]。

2 CO2節(jié)能減排技術(shù)

據(jù)測(cè)算燃煤機(jī)組效率每提高一個(gè)百分點(diǎn)，整個(gè)機(jī)組生命周期中可以實(shí)現(xiàn)CO2減排數(shù)百萬噸。煤電的節(jié)能減排方式主要有以下幾種：積極發(fā)展大容量高參數(shù)機(jī)組，替代落后、高能耗的小機(jī)組，實(shí)現(xiàn)“上大壓小”；通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)現(xiàn)役機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行及節(jié)能改造，提高現(xiàn)有機(jī)組效率；對(duì)有條件的機(jī)組進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)改造，提高能源利用效率；積極發(fā)展各種先進(jìn)高效發(fā)電方式，如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)、以煤氣化為核心的化工動(dòng)力聯(lián)產(chǎn)以及更高參數(shù)的超超臨界發(fā)電等。

圖1.發(fā)電成本及CO2減排成本比較

2.1 “上大壓小”

燃煤機(jī)組的熱效率，隨著進(jìn)入汽輪機(jī)過熱蒸汽的溫度和壓力的上升而提高。亞臨界機(jī)組熱效率介于30%～39%之間；而超臨界機(jī)組的效率可高達(dá)42%；超超臨界機(jī)組效率可達(dá)到45%。此外，通過增加二次再熱可以有效提高熱效率。以1000WM超超臨界機(jī)組為例，鍋爐效率為93.88%，熱效率達(dá)到45.4%，比600MW超臨界機(jī)組提高3%以上。其發(fā)電煤耗為270.6g/kWh,比600WM超臨界機(jī)組低60g/kWh。如果以全國燃煤機(jī)組總量計(jì)算，使用1000WM超超臨界機(jī)組替代600MW超臨界機(jī)組，全年可節(jié)約標(biāo)煤2億噸，減少CO2排放5.4億噸。因此采用大容量、高參數(shù)機(jī)組從而提高發(fā)電機(jī)組平均熱效率是降低CO2排放的有效手段。

2.2 現(xiàn)役機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行及節(jié)能改造

雖然我國新建機(jī)組大多采用超臨界和超超臨界機(jī)組，但仍有大量老舊低效機(jī)組處在服役中。適當(dāng)改造此類機(jī)組可以提高整體效率，減少單位電量CO2排放。具體措施有：優(yōu)化煤粉粒度、過量空氣系數(shù)以及引入煤炭質(zhì)量管理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)優(yōu)化燃燒過程，降低排煙溫度，從而提高鍋爐效率；減少空氣預(yù)熱器漏風(fēng)，降低引風(fēng)機(jī)及送風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備電耗，減低廠用電率；對(duì)于部分滿足改造條件的機(jī)進(jìn)行超臨界改造等，提高蒸汽參數(shù)，從而提高機(jī)組整體熱效率等[3]。

2.3 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

熱電聯(lián)產(chǎn)是同時(shí)向用戶提供電能和熱能的一種生產(chǎn)方式。熱電聯(lián)產(chǎn)遵循能量梯級(jí)利用的原則,高品位熱能首先用于發(fā)電,中低品位熱能對(duì)外供熱。大型火力發(fā)電廠理論熱效率是41%，實(shí)際運(yùn)行只有36-39%左右。而熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的熱效率實(shí)際運(yùn)行時(shí)達(dá)60%左右。工業(yè)鍋爐平均運(yùn)行熱效率僅50%左右，而熱電聯(lián)產(chǎn)的鍋爐運(yùn)行熱效率一般90%?？梢钥闯鰺犭娐?lián)產(chǎn)熱效率遠(yuǎn)高于熱電分產(chǎn)，可以大量節(jié)約燃料。這就有效的減少了CO2的排放。

2.4 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)（IGCC）

IGCC技術(shù)是把煤氣化和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)集成的一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)。IGCC的工藝過程如下：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過凈化，除去煤氣中的污染物，變?yōu)榍鍧崥怏w燃料，然后送入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒，加熱氣體工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙阶龉?，燃?xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功。在目前技術(shù)水平下，IGCC發(fā)電的凈效率可達(dá)43%～45%，今后可望達(dá)到更高[4]。

3 結(jié)語

本文介紹了燃煤電廠CO2減排方式，并對(duì)比分析了其減排成本。其中，CCS核心技術(shù)并不成熟，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上以及政策上存在較大的不確定性，難以大規(guī)模推廣。最現(xiàn)實(shí)、經(jīng)濟(jì)和可行的CO2減排途徑是提高火電發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能實(shí)減排。此外，有資源保證的前提下，堅(jiān)持發(fā)展低碳能源，進(jìn)一步提升低碳能源在發(fā)電結(jié)構(gòu)中的比例，實(shí)現(xiàn)能源替代，也是CO2減排途徑的有效補(bǔ)充。

[1]毛健雄,毛健全.當(dāng)前我國燃煤火電機(jī)組降低CO2排放的途徑[J].電力建設(shè),2011(32).

[2]陳立斌.可再生能源與核電減排二氧化碳經(jīng)濟(jì)性分析[R].中外能源,2016(21).

[3]國際能源署.通過升級(jí)燃煤電廠實(shí)現(xiàn)減排[R].法國：國際能源署,2014.

[4]程紀(jì)東.燃煤電廠煙氣中二氧化碳的減排技術(shù)[J].環(huán)境保護(hù)，2016(1).