清潔高效的火力發(fā)電技術分析

王磊，朱靜，劉凱

（中機國能電力工程有限公司，上海 200061）

為減少火力發(fā)電廠中煤炭在燃燒過程中釋放出的污染氣體和水污染，清潔高效的非化石能源發(fā)電技術和在火力發(fā)電技術基礎上的革新已經越發(fā)重要。

1 我國火力發(fā)電的現狀分析

1.1 以煤電為主的電力結構

電力在當代社會是毋庸置疑的生活生產必需品，而在電力供給的結構組合中，火力發(fā)電則又占據了一大部分?；鹆Πl(fā)電是利用煤炭、石油和水這三種一級能源經過技術處理轉化為我們日常需要的二級能源——電力能源。

在當今，清潔能源的開發(fā)和利用已經從起初的藍圖應用到當前的發(fā)電技術中，從試用到逐漸覆蓋。火力發(fā)電，尤其是以煤電為主的電力結構格局在我國將是一個長期穩(wěn)定的局面，這其實和我們國家的能源資源分布有著較為緊密的關系。我國擁有富集的煤炭資源，2000米基線以下的可測煤炭資源高達5～6億噸，在世界煤電的資源總量上將近占據百分之九十的比例，但是清潔能源的使用占比只有電能生產總量構成的十分之一。而世界上其他國家，利用其國內優(yōu)質的天然氣資源便可實現本國的電力需求。

1.2 適合國情的火力發(fā)電

我國目前面臨著長期以火力發(fā)電為主體的發(fā)電方法，除了在能源供給和需求缺口之間的矛盾，在火力發(fā)電過程中還釋放出煙氣和廢水排放，對當前的生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的污染；具體到火力發(fā)電的能源轉化過程中，由于電力不能儲存的特性，那么如何平衡用電峰值的高低則成為一個值得關注的問題。因此，面對以上火力發(fā)電出現的能源消耗問題、環(huán)境污染問題、技術轉變問題，要轉換思想，走適合我國國情的、實現可持續(xù)發(fā)展目標的火力發(fā)電結構。

因此，當前一段時期內火力發(fā)電的戰(zhàn)略目標應為降低國內生產總值中的煤炭能源消耗的比例，降低二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物在電力生產中的排放總量，優(yōu)化煤電的環(huán)境效益；調整煤電機組的結構，為防止電廠煤電機組的老舊影響生產效率，應當加大對燃煤機組的擴容提效；最關鍵的是調整和創(chuàng)新火力發(fā)電技術，如整體氣化聯合循環(huán)技術、循環(huán)流化床發(fā)電技術的突破等等。

2 火力發(fā)電清潔能源的分析

2.1 清潔能源的結構性分析

為了有效應對當前日益嚴重的能源短缺危機，清潔能源越來越為世界各國所重視，我國在火力發(fā)電的能源調配上也一改往日的單一能源結構，并逐漸向著多元化的目標穩(wěn)步發(fā)展。在國內的多地實踐中，隨著國家的政策法規(guī)對排放標準的一再提升，產業(yè)結構發(fā)展方式的轉變，多地建立起獨立的發(fā)電能源模式，逐漸降低化石能源的使用容量，擴大天然氣、風能以及地熱能等清潔能源的使用量在整個發(fā)電能源結構的比例，以能源多樣化的實現積極應對當前的火力發(fā)電存在的能源消耗問題。

比如，核能作為21世紀以來最為清潔的替代能源，已經通過當前較為新穎的核聚變技術將核能轉化為電能，我國也建成八個核電站并相繼投入商業(yè)運行，同時還有一定規(guī)模的在建機組未上馬。核電雖然有環(huán)保、高效、低成本的資源優(yōu)勢特性，但是其安全問題也是不容小覷的。因此在大規(guī)模的投入運行前，核能安全的管控將是重要的技術創(chuàng)新區(qū)。水力資源基數大、可再生性強，水力發(fā)電也是較為流行的一種方式，但同時，目前的天然氣等清潔能源的使用率與電能轉化效率還遠遠不能與當前的電力需求匹配。需要未來在這些方面多加以研究和重視。

2.2 風力與火力發(fā)電的協調

雖然風力作為清潔能源，高效、低耗，有著廣闊的市場，但是單純使用風力發(fā)電，不能滿足火電廠供電商的產量瞬時供應，因此面臨著能量不確定性和能源不平衡的問題。所以，從經濟角度和市場角度，發(fā)電商只采取單獨的風力發(fā)電模式最終將有損效益，并存在生產預估風險。因此，可以同時利用火電、風電機組相結合的方式，既實現風能的清潔無污染的特性，又能降低火力發(fā)電廢氣排放的污染量，同時，規(guī)避風力發(fā)電的能量供應不穩(wěn)定的風險，還能利用火力發(fā)電實現供電商的利潤，可以說是一舉多得。具體的，首先要考慮經濟因素選擇適合火電廠的風電機組，現在較為常用的是雙饋感應風電機和直驅式風電機，其次完成風力和電力機組系統(tǒng)的結合過程，如電氣接線、風電機組的監(jiān)控及保護、無功補償等操作。最后，為保證風力發(fā)電機組能夠源源不斷的為發(fā)電提供動力，還應當對風電機組配備升溫保護等設備。

3 潔凈煤火力發(fā)電技術

潔凈煤火力發(fā)電技術，是指在仍使用火力發(fā)電的基礎上，采取一些技術手段，降低煤炭在燃燒階段產生的大量污染物排放。

3.1 燃料電池

燃料電池，是一種新型的清潔能源發(fā)電技術為世界各國所高度關注。其發(fā)電原理是，燃料與空氣接觸而氧化出現化學反應，直接將化學能轉化為熱能與電能的產出。燃料電池這一電力技術中更適合運用到火電廠的發(fā)電作業(yè)中的主要是MCFC和SOFC兩種。SOFC是固體氧化物燃料電池，其以固態(tài)氧化釔、氧化鋯為電解質，以天然氣、氣化煤氣、碳氫化合物作為燃料，是輸出電能效率最高的燃料電池，其反應原理如圖1所示。

圖1 SOFC的反應原理圖解

燃料電池的作用主要有以下幾點，首先，提高發(fā)電效率。目前我國傳統(tǒng)的火電廠發(fā)電轉化效率為百分之五十，而使用燃料電池這一新型的發(fā)電裝置，其在實踐中的發(fā)電效率能再提高百分之十至百分之二十的水平。其次，提高供電的穩(wěn)定性?，F今人們對電能的需求逐年激增，不僅如此，近年也常常發(fā)生因為洪澇災害等自然原因，或者一些人為的原因導致城區(qū)大范圍的停電事故，如2016年7月石家莊市因下雨造成的洪澇災害，導致城區(qū)電力供應切斷的事故。如果采用燃料電池這一發(fā)電技術作為我國大電網的有效補充，則可以大大提高應對災害停電的事故的能力，降低停電對生產生活造成的生命財產風險。不僅如此，燃料電池中的PEMFC也能夠實現野外醫(yī)療、救援機移動通信基站等便攜式發(fā)電。

3.2 煤炭加工

燃料電池是利用的電化學反應的技術，而煤炭加工則不同，其是以物理方法為主的各種技術進行加工。首先，選煤洗選加工是煤炭加工技術的核心，可以有效地降低灰分，去除矸石，旨在從煤炭燃燒發(fā)電的源頭減少SO2的污染。也是我國火電廠目前較多使用的一種發(fā)電技術。但是洗選的比例確定應當根據具體煤炭資源的特性。

除了選煤洗選加工技術，煤炭技術中有一中煤炭的集中配送技術。集中配送系統(tǒng)內含三大方面，一是以選煤、配煤、型煤、固硫為主要內容的綜合加工技術，二是加工廠址定位、產品市場定位和煤炭配送方式結合的市場體系，三是利用計算機程序控制技術的信息管理技術，包含對用戶的產品需求信息識別、系統(tǒng)間信息傳遞和最終的完成反饋。

3.3 煙氣凈化

目前，煙氣凈化也是較為常用的方式，主要包含除塵、脫除重金屬、脫氮和脫硫等技術。本文僅對活性焦干法煙氣凈化技術加以分析。

利用活性焦干法進行煙氣凈化的技術對解決火電廠發(fā)電過程中污染物排放的問題有積極作用，主要有以下幾點，首先根據活性焦干法煙氣凈化原理，其通過利用活性焦在物理結構上獨特的孔隙構造，以及化學穩(wěn)定性和化學特性，將氮氧化物及水蒸氣進行吸附、催化及高溫加熱，最終析出二氧化硫，不僅如此，其孔隙的物理構造使得在脫除的過程能夠將重金屬離子、粉塵等污染物一同析出，大大提高入口二氧化硫、氨氣、汞及粉塵的去除率（如表1）。其次，使用活性炭技術的過程中不會造成工藝水的浪費，因此也更加不會產生有關水污染方面的負擔，特別適合本身水資源有限或者已經遭受一定污染的地區(qū)。除此之外，脫除出來的硫化物可以被用于進行廢物利用、二次加工的形式，如用于鋼廠的酸洗等。

3.4 煤炭轉化

除了燃料電池這一利用化學原理用于火電廠進行清潔高效火力發(fā)電的技術之外，還有一種利用化學作用的方式，即煤炭轉化。與煤炭加工這一物理方式不同，煤炭轉化是指將原煤通過有機質、氣化劑產生的化學反應轉化為可燃氣體。其操作流程如圖2所示，將原料煤經氣化后通過干濕法，以排除粗煤氣中的污染氣體，并利用高壓蒸汽驅動蒸汽輪機發(fā)電，達到提高發(fā)電效率和降低污染氣體排放的雙贏。除了煤炭氣體轉化的方式之外，常見的還有煤炭液化的方法，也即生活中常使用的煤氣與液化氣。

表1 活性焦煙氣凈化的污染物脫除率

圖2 煤炭氣體轉化的簡易流程

4 結語

根據當前我國的能源分布、能源消耗、環(huán)境污染的情況，既然火力發(fā)電的供應將長期作為生產生活的主要供應源，那么在這一長期趨勢和大背景下，積極的探索清潔高效的火力發(fā)電技術就顯得尤為重要了。常見的新型火力發(fā)電技術，包含了煤炭加工、煤炭轉化、煙氣凈化以及燃料電池四種，尤其是燃料電池和煙氣凈化，對此需要我國學者和電廠工程師繼續(xù)不斷鉆研。

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