中國(guó)煤炭清潔燃燒技術(shù)路線圖的初步探討

岳光溪 ，周大力 ，田文龍，麻林巍 ，劉青 ，章景皓 ，王志軒，龍輝，廖海燕

（1. 清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084；2. 清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3. 清華大學(xué)國(guó)家電力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華-BP清潔能源研究與教育中心，北京 100084；4. 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，北京 100761；5. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司，北京 100120；6. 神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025）

一、前言

（一）中國(guó)煤炭利用的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

按發(fā)電煤耗法計(jì)算，煤炭占2016年中國(guó)一次能源消費(fèi)總量的62%和生產(chǎn)總量的69.8%。在美國(guó)、歐洲等許多發(fā)達(dá)國(guó)家，集中式大規(guī)模發(fā)電是煤炭利用的主導(dǎo)方式（主導(dǎo)意味著至少75%以上）。而中國(guó)煤炭利用的結(jié)構(gòu)則更為多元化。如圖1所示[1]，2016年中國(guó)統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的煤炭在最終去向上，僅58.4%用于集中的電、熱生產(chǎn)（發(fā)電約52%，供熱約6.4%）；約33%用于工業(yè)及建筑業(yè)，包括工業(yè)鍋爐、窯爐的直接燃燒利用（約17%）和作為鋼鐵生產(chǎn)原料為主的焦炭利用（約16%）；其余約8.6%作為民用散燒煤，并以鄉(xiāng)村生活消費(fèi)為主。

總體上，燃燒利用還是中國(guó)煤炭利用的主導(dǎo)方式（超過(guò)80%）。但其中除了用于集中式大規(guī)模發(fā)電外，還有相當(dāng)部分用于分散式工業(yè)、民用燃料。

（二）發(fā)展煤炭清潔燃燒技術(shù)的重要意義

從生態(tài)環(huán)保角度，國(guó)家層面有嚴(yán)格控制煤炭利用規(guī)模、持續(xù)降低煤炭在一次能源中占比的長(zhǎng)遠(yuǎn)預(yù)期。例如，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)以及國(guó)家能源局提出2050年非化石能源占比超過(guò)一半[2]。戴彥德等[3]提出的重塑中國(guó)能源情景下，2050年非化石能源占比達(dá)55%，煤炭占比降至20.1%（按發(fā)電煤耗法計(jì)算）。在此背景下，當(dāng)前嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題進(jìn)一步催化了社會(huì)上的“去煤化”浪潮。

但考慮客觀實(shí)際，必須意識(shí)到近中期煤炭仍是中國(guó)的主力能源。過(guò)激、過(guò)度的“去煤化”會(huì)嚴(yán)重影響到電、熱等基本能源的供應(yīng)保障和安全。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，近中期要更努力地發(fā)展更清潔的煤炭燃燒技術(shù)。正如在2015年中央一季度經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上，習(xí)近平總書記就煤炭清潔利用發(fā)表講話指出：“我們正在壓縮煤炭比例，但國(guó)情還是以煤為主，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，甚至從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，還是以煤為主的格局，只不過(guò)比例會(huì)下降。我們對(duì)煤的注意力不要分散。而要考慮煤怎么用好，重點(diǎn)考慮利用新技術(shù)解決煤炭清潔燃燒問(wèn)題”[4]。此外，中國(guó)工程院的推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略研究提出2050年煤炭占比控制在40%左右[5]，這也是主要從國(guó)家能源安全角度考慮的結(jié)果。

圖1 2016年我國(guó)煤炭直接消費(fèi)流向圖

二、研究方法

技術(shù)路線圖是國(guó)際上廣泛采用的，支持戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)展與實(shí)現(xiàn)的工具[6]。近些年，技術(shù)路線圖被廣泛應(yīng)用于公司戰(zhàn)略[7]、科技創(chuàng)新[8]、能源規(guī)劃[9]、城市建設(shè)[10]等領(lǐng)域。國(guó)際能源署2014年推出了技術(shù)路線圖指南[11]，提出：路線圖清楚地概述了任務(wù)之間的聯(lián)系以及近期、中期和長(zhǎng)期行動(dòng)重點(diǎn)。一份完整的技術(shù)路線圖包括目標(biāo)、里程碑、差距和障礙、行動(dòng)項(xiàng)目、優(yōu)先事項(xiàng)和時(shí)間表等。中國(guó)與技術(shù)發(fā)展相關(guān)的五年規(guī)劃和戰(zhàn)略文本，也可認(rèn)為是技術(shù)路線圖的國(guó)情特色表述形式。一般包含現(xiàn)狀問(wèn)題、戰(zhàn)略思路和目標(biāo)、戰(zhàn)略任務(wù)和保障措施等。

但目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于煤炭清潔燃燒技術(shù)路線圖的研究相對(duì)缺乏。2015年1月以來(lái)，圍繞煤炭清潔燃燒的技術(shù)路線圖問(wèn)題，“煤炭清潔技術(shù)發(fā)展方向研究及發(fā)展路線圖”課題（中國(guó)工程院咨詢項(xiàng)目“我國(guó)能源技術(shù)革命的技術(shù)方向和體系戰(zhàn)略研究項(xiàng)目”的課題6）組織了國(guó)內(nèi)煤炭清潔燃燒領(lǐng)域的權(quán)威專家，進(jìn)行了兩年多（到2017年11月）的研討，最終提出了如下關(guān)于戰(zhàn)略思路和目標(biāo)、國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀、未來(lái)技術(shù)方向、重點(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

三、研究結(jié)果

（一）戰(zhàn)略思路和目標(biāo)

發(fā)展煤炭清潔燃燒技術(shù)的戰(zhàn)略思路和目標(biāo)為：一方面要吸收國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，盡量將煤炭集中到便于實(shí)現(xiàn)清潔燃燒的大規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域。同時(shí)也必須考慮我國(guó)國(guó)情和國(guó)策，高度重視在中小容量燃煤裝置中應(yīng)用高效、清潔和低成本的技術(shù)。

這一方面是參考了歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家煤炭主要用于大規(guī)模集中發(fā)電的經(jīng)驗(yàn)，另一方面也是出于對(duì)國(guó)情國(guó)策的考慮：近年來(lái)煤電行業(yè)的環(huán)保努力已經(jīng)對(duì)大氣污染減排做出了突出貢獻(xiàn)，煤炭環(huán)保工作的焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了工業(yè)和民用燃煤上。

（二）國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

截至2016年10月，圍繞六類煤炭清潔燃燒相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀的調(diào)研結(jié)果為：

（1）燃煤工業(yè)鍋爐：約85%為鏈條爐，平均單爐容量低，裝備總體水平差，運(yùn)行效率低，平均熱效率僅為60%～65%，比國(guó)際先進(jìn)水平低20%，并缺乏有效的污染物控制手段。

（2）民用散煤（一產(chǎn)、三產(chǎn)和生活部門）：比較而言，國(guó)內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱，甚至連民用散煤的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都難以取得一致認(rèn)識(shí)。

（3）超超臨界技術(shù)：中國(guó)600 ℃一次再熱機(jī)組的供電煤耗和供電效率已經(jīng)世界領(lǐng)先；600 ℃二次再熱機(jī)組全球約25臺(tái)，中國(guó)已投運(yùn)6臺(tái)；650 ℃機(jī)組全球僅俄羅斯開發(fā)了1臺(tái)SKR-100機(jī)組；700 ℃機(jī)組全球尚在研發(fā)，國(guó)內(nèi)也已開展科研項(xiàng)目。

（4）煤電污染物控制技術(shù)：在大氣污染物控制上，中國(guó)總體已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，有些方面甚至領(lǐng)先；在廢水控制上與國(guó)外基本相當(dāng)，但廢水零排放尤其是脫硫廢水零排放相對(duì)落后；在固體廢物控制上，粉煤灰和脫硫石膏的大宗綜合利用世界先進(jìn)，但高附加值精細(xì)化利用相對(duì)落后。

（5）煤電深度節(jié)水技術(shù)：在褐煤取水方面，國(guó)內(nèi)外均處于研發(fā)示范階段。國(guó)內(nèi)已在10個(gè)以上火電機(jī)組開展技術(shù)應(yīng)用論證。在煙氣水回收方面，冷凝水回收技術(shù)已在瑞典Karlskoga熱電廠實(shí)際運(yùn)行，國(guó)內(nèi)有4臺(tái)660 MW超超臨界機(jī)組開展工程設(shè)計(jì)。膜法水回收已在國(guó)外燃?xì)怆娬緦?shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，國(guó)內(nèi)仍處于研究階段。

（6）碳捕獲和封存/碳捕獲、利用和封存（CCS/CCUS）技術(shù)：國(guó)際上大部分技術(shù)不同程度地處于理論研究、試驗(yàn)研究、工業(yè)示范和小范圍商業(yè)性運(yùn)作階段，尚處于“特定條件下經(jīng)濟(jì)可行”階段。國(guó)內(nèi)在二氧化碳的運(yùn)輸管道建設(shè)上、化學(xué)鏈燃燒等前沿技術(shù)的基礎(chǔ)研究上，與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還較為落后。

總體上看，中國(guó)在超超臨界、煤電深度節(jié)水和煤電廢物控制等技術(shù)領(lǐng)域已處于世界先進(jìn)甚至領(lǐng)先的水平，雖然仍有部分技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備需要進(jìn)一步研發(fā)或改進(jìn)。與此同時(shí)，在燃煤工業(yè)鍋爐、民用散煤和CCS/CCUS等方面，亟待縮小與國(guó)外技術(shù)發(fā)展的差距。

（三）未來(lái)技術(shù)方向

基于上述現(xiàn)狀和技術(shù)需求，現(xiàn)提出未來(lái)技術(shù)方向如下：

（1）燃煤工業(yè)鍋爐：推動(dòng)工業(yè)鍋爐向大型化、智能化發(fā)展，提高自動(dòng)化水平。鼓勵(lì)企業(yè)使用節(jié)能型低排放循環(huán)流化床鍋爐、尾部煙氣脫硫/除塵/脫氮一體化的鏈條爐等先進(jìn)適用的清潔高效燃煤工業(yè)鍋爐技術(shù)。與此同時(shí)，通過(guò)以氣代煤、以電代煤以及深度挖掘工業(yè)余熱利用和廢棄物循環(huán)等減少工業(yè)鍋爐的燃煤量。

（2）民用散煤：深入推進(jìn)優(yōu)質(zhì)煤/潔凈型煤集約化生產(chǎn)、銷售、使用。建立集中生產(chǎn)配送系統(tǒng)，包括生產(chǎn)配煤中心、供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、農(nóng)村配送體系、先進(jìn)民用爐具供應(yīng)平臺(tái)等。推廣民用解耦燃燒技術(shù)。與此同時(shí)，因地制宜推進(jìn)以氣代煤、以電代煤和以可再生能源代煤。

（3）超超臨界技術(shù)：繼續(xù)發(fā)展完善和推廣應(yīng)用初參數(shù)為600 ℃/610 ℃/620 ℃，單機(jī)容量為1 000 MW級(jí)的二次再熱超超臨界機(jī)組；加快研發(fā)和應(yīng)用適用于600 ℃、二次再熱超超臨界燃煤機(jī)組的高低位錯(cuò)落布置技術(shù)；盡快開展650 ℃機(jī)組的研究和示范工作，并及時(shí)推廣應(yīng)用；開發(fā)700 ℃機(jī)組耐熱合金材料，對(duì)700 ℃機(jī)組的關(guān)鍵部件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，開發(fā)700 ℃機(jī)組的主要設(shè)備和輔助設(shè)備，爭(zhēng)取建設(shè)700 ℃超超臨界機(jī)組示范工程，全面掌握700 ℃超超臨界機(jī)組技術(shù)。

（4）煤電污染物控制技術(shù)：在廢棄物控制上，發(fā)展更高性能、更經(jīng)濟(jì)的新型污染物控制技術(shù)和多污染協(xié)同控制技術(shù)；在廢水控制上，發(fā)展脫硫廢水的“常規(guī)處理+預(yù)處理+蒸發(fā)結(jié)晶”技術(shù)；在固體廢物控制上，發(fā)展利用脫硫石膏改良土壤（已成功改造20萬(wàn)畝）、高鋁粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁等。發(fā)展脫硫石膏和粉煤灰的精細(xì)化利用，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。

（5）煤電深度節(jié)水技術(shù)：在空冷電廠廣泛應(yīng)用干除灰、干除渣、輔機(jī)空冷等成熟技術(shù)；建設(shè)600 MW機(jī)組褐煤取水和煙氣取水示范工程，并推廣應(yīng)用。

（6）CCS/CCUS技術(shù)：繼續(xù)開展捕獲、利用技術(shù)的研發(fā)和示范；盡快推進(jìn)二氧化碳運(yùn)輸管道體系建設(shè)和區(qū)域源匯匹配的全流程工業(yè)示范。

（四）重點(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，在上述方向中進(jìn)一步凝練出的重點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)椋孩賰?yōu)化終端燃煤，在控制工業(yè)鍋爐和民用散煤的燃煤使用規(guī)模的基礎(chǔ)上，迅速提高燃煤工業(yè)鍋爐的能效和排放性能，大力提升民用散煤的煤質(zhì)和利用水平；②提高煤電效率，以高效超超臨界技術(shù)為主攻方向；③煤電靈活調(diào)峰，在保證鍋爐燃燒效率的同時(shí)，一定程度上解決電力調(diào)峰問(wèn)題；④發(fā)展綠色煤電，實(shí)現(xiàn)煤電廢氣超低排放、廢水近零排放、固體廢物全部綜合利用，促進(jìn)煤電深度節(jié)水，推進(jìn)煤電低碳化技術(shù)攻關(guān)。

圍繞上述重點(diǎn)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)包括：①先進(jìn)燃煤工業(yè)鍋爐，民用優(yōu)質(zhì)清潔煤炭和爐具；②二次再熱超超臨界、汽輪發(fā)電機(jī)組新型布置技術(shù)、650 ℃及700 ℃超超臨界機(jī)組研發(fā)示范；③熱電解耦運(yùn)行、電站運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)；④煤電深度節(jié)水、廢氣超低排放、廢水零排放、固體廢物大規(guī)模利用技術(shù)；⑤二氧化碳管網(wǎng)建設(shè)和捕獲/利用先進(jìn)技術(shù)；⑥加強(qiáng)系統(tǒng)集成，探索近零碳排放、清潔高效、節(jié)約資源的全新一代煤電技術(shù)。

四、技術(shù)路線圖

在上述認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，最終繪制的2050年前煤炭清潔燃燒技術(shù)路線圖，如圖2所示。其核心是要圍繞四大重點(diǎn)領(lǐng)域，分階段推進(jìn)各類關(guān)鍵技術(shù)的科技攻關(guān)、示范推廣和產(chǎn)業(yè)化。此外，為在2050年前實(shí)現(xiàn)新一代綠色煤電技術(shù)的顛覆式創(chuàng)新，從現(xiàn)在起就應(yīng)加強(qiáng)圍繞耦合CCS/CCUS、可靈活調(diào)峰以及集成其他先進(jìn)技術(shù)的近零碳排放、清潔高效、節(jié)水的新型綠色煤電技術(shù)及系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究。

五、實(shí)施建議

為促進(jìn)技術(shù)路線圖實(shí)施，現(xiàn)提出五條戰(zhàn)略建議：

（1）加強(qiáng)宣傳，使全社會(huì)充分認(rèn)識(shí)到煤炭對(duì)于我國(guó)能源安全的基礎(chǔ)性作用。避免過(guò)度“去煤化”和“談煤色變”可能帶來(lái)的潛在重大風(fēng)險(xiǎn)。

（2）規(guī)劃引領(lǐng)，切實(shí)提高煤炭用于集中發(fā)電和供熱的比重。通過(guò)五年規(guī)劃目標(biāo)引導(dǎo)，使煤炭用于集中發(fā)電和供熱的比重2030年至少高于65%，2050年達(dá)到75%以上，從用煤結(jié)構(gòu)上保障清潔化。

圖2 2050年前煤炭清潔燃燒技術(shù)路線圖

（3）加快在中小型燃煤工業(yè)鍋爐中應(yīng)用一批新型循環(huán)流化床技術(shù)，從源頭控制工業(yè)燃煤污染。通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)易的工程措施和無(wú)需改變煤種，實(shí)現(xiàn)低監(jiān)管要求的、穩(wěn)定可靠的燃煤工業(yè)鍋爐清潔化（尤其是100 t/h以下規(guī)模）。

（4）加快在民用散燒領(lǐng)域推廣一批優(yōu)質(zhì)型煤和專用爐具，減少民用源的分散式污染排放。

（5）重視基礎(chǔ)研究，加快推進(jìn)一批面向未來(lái)的綠色煤電技術(shù)顛覆式創(chuàng)新的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)。

六、結(jié)論和展望

本文對(duì)中國(guó)煤炭清潔燃燒技術(shù)的重要意義以及技術(shù)路線圖相關(guān)的若干重要問(wèn)題進(jìn)行了初步探討，提出了面向2050年前的煤炭清潔燃燒技術(shù)路線圖以及促進(jìn)技術(shù)路線圖實(shí)施的五條戰(zhàn)略建議。

總體來(lái)看，本文雖然對(duì)煤炭清潔燃燒技術(shù)路線圖提出了相對(duì)系統(tǒng)的分析和建議。但考慮到中國(guó)能源長(zhǎng)期發(fā)展和能源技術(shù)創(chuàng)新所面臨的諸多不確定性，希望在今后研究中能夠進(jìn)一步發(fā)展完善和不斷更新該技術(shù)路線圖，以促進(jìn)煤炭清潔燃燒技術(shù)的健康發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。