王磊，朱靜，劉凱

（中機(jī)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(shù)和在火力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上的革新已經(jīng)越發(fā)重要。

1 我國火力發(fā)電的現(xiàn)狀分析

1.1 以煤電為主的電力結(jié)構(gòu)

電力在當(dāng)代社會(huì)是毋庸置疑的生活生產(chǎn)必需品，而在電力供給的結(jié)構(gòu)組合中，火力發(fā)電則又占據(jù)了一大部分。火力發(fā)電是利用煤炭、石油和水這三種一級(jí)能源經(jīng)過技術(shù)處理轉(zhuǎn)化為我們?nèi)粘Ｐ枰亩?jí)能源——電力能源。

在當(dāng)今，清潔能源的開發(fā)和利用已經(jīng)從起初的藍(lán)圖應(yīng)用到當(dāng)前的發(fā)電技術(shù)中，從試用到逐漸覆蓋?；鹆Πl(fā)電，尤其是以煤電為主的電力結(jié)構(gòu)格局在我國將是一個(gè)長期穩(wěn)定的局面，這其實(shí)和我們國家的能源資源分布有著較為緊密的關(guān)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(dá)5～6億噸，在世界煤電的資源總量上將近占據(jù)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(chǎn)總量構(gòu)成的十分之一。而世界上其他國家，利用其國內(nèi)優(yōu)質(zhì)的天然氣資源便可實(shí)現(xiàn)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(duì)當(dāng)前的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染；具體到火力發(fā)電的能源轉(zhuǎn)化過程中，由于電力不能儲(chǔ)存的特性，那么如何平衡用電峰值的高低則成為一個(gè)值得關(guān)注的問題。因此，面對(duì)以上火力發(fā)電出現(xiàn)的能源消耗問題、環(huán)境污染問題、技術(shù)轉(zhuǎn)變問題，要轉(zhuǎn)換思想，走適合我國國情的、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的火力發(fā)電結(jié)構(gòu)。

因此，當(dāng)前一段時(shí)期內(nèi)火力發(fā)電的戰(zhàn)略目標(biāo)應(yīng)為降低國內(nèi)生產(chǎn)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(chǎn)中的排放總量，優(yōu)化煤電的環(huán)境效益；調(diào)整煤電機(jī)組的結(jié)構(gòu)，為防止電廠煤電機(jī)組的老舊影響生產(chǎn)效率，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)燃煤機(jī)組的擴(kuò)容提效；最關(guān)鍵的是調(diào)整和創(chuàng)新火力發(fā)電技術(shù)，如整體氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)、循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)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(jié)構(gòu)性分析

為了有效應(yīng)對(duì)當(dāng)前日益嚴(yán)重的能源短缺危機(jī)，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(diào)配上也一改往日的單一能源結(jié)構(gòu)，并逐漸向著多元化的目標(biāo)穩(wěn)步發(fā)展。在國內(nèi)的多地實(shí)踐中，隨著國家的政策法規(guī)對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)的一再提升，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，多地建立起獨(dú)立的發(fā)電能源模式，逐漸降低化石能源的使用容量，擴(kuò)大天然氣、風(fēng)能以及地?zé)崮艿惹鍧嵞茉吹氖褂昧吭谡麄€(gè)發(fā)電能源結(jié)構(gòu)的比例，以能源多樣化的實(shí)現(xiàn)積極應(yīng)對(duì)當(dāng)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(jì)以來最為清潔的替代能源，已經(jīng)通過當(dāng)前較為新穎的核聚變技術(shù)將核能轉(zhuǎn)化為電能，我國也建成八個(gè)核電站并相繼投入商業(yè)運(yùn)行，同時(shí)還有一定規(guī)模的在建機(jī)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(yùn)行前，核能安全的管控將是重要的技術(shù)創(chuàng)新區(qū)。水力資源基數(shù)大、可再生性強(qiáng)，水力發(fā)電也是較為流行的一種方式，但同時(shí)，目前的天然氣等清潔能源的使用率與電能轉(zhuǎn)化效率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與當(dāng)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(fēng)力與火力發(fā)電的協(xié)調(diào)

雖然風(fēng)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(fēng)力發(fā)電，不能滿足火電廠供電商的產(chǎn)量瞬時(shí)供應(yīng)，因此面臨著能量不確定性和能源不平衡的問題。所以，從經(jīng)濟(jì)角度和市場角度，發(fā)電商只采取單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電模式最終將有損效益，并存在生產(chǎn)預(yù)估風(fēng)險(xiǎn)。因此，可以同時(shí)利用火電、風(fēng)電機(jī)組相結(jié)合的方式，既實(shí)現(xiàn)風(fēng)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(shí)，規(guī)避風(fēng)力發(fā)電的能量供應(yīng)不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，還能利用火力發(fā)電實(shí)現(xiàn)供電商的利潤，可以說是一舉多得。具體的，首先要考慮經(jīng)濟(jì)因素選擇適合火電廠的風(fēng)電機(jī)組，現(xiàn)在較為常用的是雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)，其次完成風(fēng)力和電力機(jī)組系統(tǒng)的結(jié)合過程，如電氣接線、風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)控及保護(hù)、無功補(bǔ)償?shù)炔僮?。最后，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠源源不斷的為發(fā)電提供動(dòng)力，還應(yīng)當(dāng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組配備升溫保護(hù)等設(shè)備。

3 潔凈煤火力發(fā)電技術(shù)

潔凈煤火力發(fā)電技術(shù)，是指在仍使用火力發(fā)電的基礎(chǔ)上，采取一些技術(shù)手段，降低煤炭在燃燒階段產(chǎn)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(shù)為世界各國所高度關(guān)注。其發(fā)電原理是，燃料與空氣接觸而氧化出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能與電能的產(chǎn)出。燃料電池這一電力技術(shù)中更適合運(yùn)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(zhì)，以天然氣、氣化煤氣、碳?xì)浠衔镒鳛槿剂?，是輸出電能效率最高的燃料電池，其反?yīng)原理如圖1所示。

圖1 SOFC的反應(yīng)原理圖解

燃料電池的作用主要有以下幾點(diǎn)，首先，提高發(fā)電效率。目前我國傳統(tǒng)的火電廠發(fā)電轉(zhuǎn)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(shí)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(xiàn)今人們對(duì)電能的需求逐年激增，不僅如此，近年也常常發(fā)生因?yàn)楹闈碁?zāi)害等自然原因，或者一些人為的原因?qū)е鲁菂^(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(zāi)害，導(dǎo)致城區(qū)電力供應(yīng)切斷的事故。如果采用燃料電池這一發(fā)電技術(shù)作為我國大電網(wǎng)的有效補(bǔ)充，則可以大大提高應(yīng)對(duì)災(zāi)害停電的事故的能力，降低停電對(duì)生產(chǎn)生活造成的生命財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。不僅如此，燃料電池中的PEMFC也能夠?qū)崿F(xiàn)野外醫(yī)療、救援機(jī)移動(dòng)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(xué)反應(yīng)的技術(shù)，而煤炭加工則不同，其是以物理方法為主的各種技術(shù)進(jìn)行加工。首先，選煤洗選加工是煤炭加工技術(shù)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(shù)。但是洗選的比例確定應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體煤炭資源的特性。

除了選煤洗選加工技術(shù)，煤炭技術(shù)中有一中煤炭的集中配送技術(shù)。集中配送系統(tǒng)內(nèi)含三大方面，一是以選煤、配煤、型煤、固硫?yàn)橹饕獌?nèi)容的綜合加工技術(shù)，二是加工廠址定位、產(chǎn)品市場定位和煤炭配送方式結(jié)合的市場體系，三是利用計(jì)算機(jī)程序控制技術(shù)的信息管理技術(shù)，包含對(duì)用戶的產(chǎn)品需求信息識(shí)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(shù)。本文僅對(duì)活性焦干法煙氣凈化技術(shù)加以分析。

利用活性焦干法進(jìn)行煙氣凈化的技術(shù)對(duì)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(diǎn)，首先根據(jù)活性焦干法煙氣凈化原理，其通過利用活性焦在物理結(jié)構(gòu)上獨(dú)特的孔隙構(gòu)造，以及化學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)特性，將氮氧化物及水蒸氣進(jìn)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(gòu)造使得在脫除的過程能夠?qū)⒅亟饘匐x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(shù)的過程中不會(huì)造成工藝水的浪費(fèi)，因此也更加不會(huì)產(chǎn)生有關(guān)水污染方面的負(fù)擔(dān)，特別適合本身水資源有限或者已經(jīng)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(jìn)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(zhuǎn)化

除了燃料電池這一利用化學(xué)原理用于火電廠進(jìn)行清潔高效火力發(fā)電的技術(shù)之外，還有一種利用化學(xué)作用的方式，即煤炭轉(zhuǎn)化。與煤炭加工這一物理方式不同，煤炭轉(zhuǎn)化是指將原煤通過有機(jī)質(zhì)、氣化劑產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w。其操作流程如圖2所示，將原料煤經(jīng)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(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，達(dá)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化的簡易流程

4 結(jié)語

根據(jù)當(dāng)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(yīng)將長期作為生產(chǎn)生活的主要供應(yīng)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(shù)就顯得尤為重要了。常見的新型火力發(fā)電技術(shù)，包含了煤炭加工、煤炭轉(zhuǎn)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(duì)此需要我國學(xué)者和電廠工程師繼續(xù)不斷鉆研。

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