改革開(kāi)放40年來(lái)，中國(guó)走完了西方大多數(shù)國(guó)家200多年的工業(yè)化歷程，隨之帶來(lái)的是能源消費(fèi)總量的持續(xù)快速增長(zhǎng)，經(jīng)歷了從能源緊缺到滿足能源需求的完整歷程。煤炭作為中國(guó)能源消費(fèi)的主體，為中國(guó)能源安全提供了重要保障。
中國(guó)是世界上唯一以煤為主的能源消費(fèi)大國(guó)，煤炭是能源，同時(shí)也是化工、冶金等行業(yè)的資源（圖1）。中國(guó)遠(yuǎn)景煤炭資源總量5.82萬(wàn)億t，按照目前開(kāi)發(fā)速度，基本滿足中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，為國(guó)家能源安全提供了堅(jiān)實(shí)保障。然而，煤炭低效、粗放的原始消費(fèi)方式無(wú)法滿足中國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境、氣候變化及未來(lái)能源消費(fèi)方式的需求，高效、清潔、低碳開(kāi)發(fā)利用煤炭已成為共識(shí)。中國(guó)各大高校、科研院所、企業(yè)圍繞煤炭的高效清潔低碳利用進(jìn)行了大量研究，取得了很好的成績(jī)。燃煤發(fā)電大容量、高參數(shù)機(jī)組達(dá)到世界先進(jìn)水平，污染物超低排放應(yīng)用達(dá)到世界領(lǐng)先水平；煤直接液化、煤制烯烴等新型煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)世界領(lǐng)先。
圖1 2017年中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)
煤炭高效發(fā)電
中國(guó)當(dāng)前能源供應(yīng)主要依靠以煤為主的化石能源體系長(zhǎng)期難以改變。為了解決大量燃煤引發(fā)的能源環(huán)境問(wèn)題，緩解以化石能源為主的能源體系及其粗放式發(fā)展與經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展要求不協(xié)調(diào)的主要矛盾，發(fā)展煤炭高效發(fā)電技術(shù)是中國(guó)燃煤領(lǐng)域的長(zhǎng)期研究課題。高效燃煤發(fā)電技術(shù)常見(jiàn)發(fā)展方向有兩點(diǎn)，其一通過(guò)提高傳統(tǒng)火力發(fā)電參數(shù)，使機(jī)組達(dá)到超超臨界，發(fā)展高經(jīng)濟(jì)性、高效率的高參數(shù)大容量機(jī)組；其二在于發(fā)展先進(jìn)燃煤技術(shù)，減少污染物的排放，緩解燃煤能源供應(yīng)與環(huán)境的矛盾。
新一代高效燃煤發(fā)電技術(shù)
新一代高效燃煤發(fā)電技術(shù)旨在研究700℃火力發(fā)電成套技術(shù)及電力裝備，是具備工程化應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外成套推廣價(jià)值的國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大電力裝備技術(shù)，涉及該成套技術(shù)的主機(jī)裝備、主要熱力系統(tǒng)、700℃高溫管道材料、關(guān)鍵輔機(jī)、智能化集成控制技術(shù)以及所涉及的全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理。20世紀(jì)90年代初至2011年，全世界己新建超超臨界機(jī)組超過(guò)100臺(tái)，提高參數(shù)、進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性、降低價(jià)格性能比、降低單位能量的排放是現(xiàn)今火電汽輪機(jī)的發(fā)展方向。目前世界上還沒(méi)有主蒸汽溫度700℃的機(jī)組，但國(guó)內(nèi)外對(duì)該能級(jí)汽輪機(jī)材料的研究啟動(dòng)較早。歐洲、美國(guó)關(guān)于700℃等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的研發(fā)工作在20世紀(jì)90年代中期就相繼啟動(dòng)了相關(guān)的大型項(xiàng)目。中國(guó)2010年開(kāi)始啟動(dòng)國(guó)家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，并于2010年7月23日成立700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。目前國(guó)內(nèi)以“700℃先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電主要設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目為依托開(kāi)展了700℃超臨界汽輪機(jī)材料研究，國(guó)內(nèi)三大汽輪機(jī)主機(jī)廠均參與該項(xiàng)目，并各自承擔(dān)了開(kāi)發(fā)工作。以上技術(shù)前沿所研究的700℃以上高參數(shù)火力發(fā)電技術(shù)進(jìn)展受制于鎳基材料的成熟度及高成本，發(fā)展受阻，工業(yè)化應(yīng)用仍有較多問(wèn)題亟待解決。超超臨界機(jī)組技術(shù)繼承性和可行性較高，在目前以及將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，具有較高的效率和較低的建設(shè)成本，極具性價(jià)比。
超低排放循環(huán)流化床燃煤技術(shù)
中國(guó)大型燃煤電廠正在推進(jìn)世界上最嚴(yán)格的超低排放標(biāo)準(zhǔn)（NOx<50 mg∙m-3、SO2<35 mg∙m-3），并采用以選擇性催化還原法（SCR）+低溫除塵+石灰石/石膏濕法煙氣脫硫（FGD）+ 濕式電除塵（WESP）的煙氣凈化技術(shù)為核心，以鍋爐低氮燃燒為輔的技術(shù)路線。現(xiàn)已經(jīng)在80%以上大型燃煤機(jī)組加以推廣。因此燃煤污染的控制重心轉(zhuǎn)移到中小燃煤工業(yè)鍋爐和民用散煤上。燃煤工業(yè)鍋爐污染控制采用大型燃煤電站的污染控制技術(shù)路線無(wú)論從投資、運(yùn)行管理水平、運(yùn)行成本上均有難于克服的障礙。采用以天然氣代煤或電代煤在實(shí)施過(guò)程中也遇到了天然氣來(lái)源、價(jià)格、管網(wǎng)配套方面的阻力。循環(huán)流化床（CFB）燃煤鍋爐由于具備劣質(zhì)煤適應(yīng)性強(qiáng)，燃燒過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)較低的污染排放（NOx<200 mg∙m-3、SO2<200 mg∙m-3），在中國(guó)工業(yè)燃煤鍋爐中占有較大比例。但現(xiàn)有循環(huán)流化床燃燒技術(shù)采用流態(tài)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)高效脫硫和低氮燃燒的研究處于探索階段，相關(guān)的流態(tài)化與燃燒，NO形成與降解，脫硫反應(yīng)的關(guān)聯(lián)機(jī)理認(rèn)識(shí)不清。在工程上如何提高物料循環(huán)效率以降低平均循環(huán)物料粒度，以及不同煤種的超低排放等工程關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。中國(guó)自20世紀(jì)90年代即形成了對(duì)循環(huán)流化床燃燒的新理論體系，在過(guò)去20年，運(yùn)用該理論重新設(shè)計(jì)了圖譜的水平風(fēng)速軸設(shè)置計(jì)點(diǎn)，發(fā)展了先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)循環(huán)流化床鍋爐系列產(chǎn)品，直到世界最大容量超臨界600 MW循環(huán)流化床發(fā)電示范工程。國(guó)產(chǎn)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)以優(yōu)異的性能占領(lǐng)了中國(guó)循環(huán)流化床燃煤鍋爐市場(chǎng)，并逐步打入國(guó)外市場(chǎng)。
煤炭資源化分級(jí)分質(zhì)利用
基于煤化工的煤氣化、液化技術(shù)是指以煤為主要原料經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)方法將煤炭轉(zhuǎn)為氣體、液體和固體產(chǎn)品或半產(chǎn)品的過(guò)程。煤氣化、液化的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在資源和市場(chǎng)需求2個(gè)方面。從資源情況看，中國(guó)中西部地區(qū)的煤炭資源比較豐富，發(fā)展煤氣化和煤液化具有經(jīng)濟(jì)效益。從市場(chǎng)需求看，煤化工產(chǎn)品尤其是煤制烯烴、煤制油、天然氣、乙二醇、芳烴等與石化產(chǎn)品一樣具有很大的消費(fèi)需求，可降低中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)石油、天然氣資源的依賴。傳統(tǒng)煤化工將煤全部轉(zhuǎn)化為油氣產(chǎn)品，因煤的氫碳比遠(yuǎn)低于石油和天然氣，所以需要高溫、高壓、純氧和高耗水。實(shí)際上，煤主要由揮發(fā)分和半焦組成，通過(guò)簡(jiǎn)單加熱就可以變成可燃?xì)猓扇細(xì)獾奶細(xì)浔扰c石油天然氣碳?xì)浔认喈?dāng)，易于轉(zhuǎn)化為油氣產(chǎn)品。煤炭資源化分級(jí)分質(zhì)利用技術(shù)通過(guò)熱解或部分氣化工藝將煤炭所含富氫組分轉(zhuǎn)化為煤氣和焦油，半焦用于燃燒發(fā)電或者其他用途，實(shí)現(xiàn)煤的分級(jí)轉(zhuǎn)化和分級(jí)利用，大幅度提高煤的利用價(jià)值。
煤氣化與煤液化
煤氣化及液化技術(shù)是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，根據(jù)發(fā)展進(jìn)程分析，煤氣化技術(shù)可分為3代。第1代氣化技術(shù)為固定床、移動(dòng)床氣化技術(shù)，多以塊煤和小顆粒煤為原料制取合成氣，裝置規(guī)模、原料、能耗及環(huán)保的局限性較大；第2代氣化技術(shù)是現(xiàn)階段最具有代表性的改進(jìn)型流化床和氣流床技術(shù)，其特征是連續(xù)進(jìn)料及高溫液態(tài)排渣；第3代氣化技術(shù)尚處于小試或中試階段，如煤的催化氣化、煤的加氫氣化、煤的地下氣化、煤的等離子體氣化、煤的太陽(yáng)能氣化和煤的核能余熱氣化等。目前，中國(guó)的煤氣化工藝由老式的美國(guó)聯(lián)合氣體改進(jìn)公司（UGI）爐塊煤間歇?dú)饣杆傧蚴澜缱钕冗M(jìn)的粉煤加壓氣化工藝過(guò)渡，同時(shí)國(guó)內(nèi)自主創(chuàng)新的新型煤氣化技術(shù)也得到快速發(fā)展。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)大型潔凈煤氣化技術(shù)已投產(chǎn)和正在建設(shè)的裝置有80多套，50%以上的煤氣化裝置已投產(chǎn)運(yùn)行。
煤的直接液化（煤變油）法，是以煤為原料，在高溫高壓條件下，通過(guò)催化加氫直接液化成烴類(lèi)化合物，再通過(guò)精餾制取汽油、柴油、其他燃料油等成品油。目前，世界各國(guó)對(duì)煤轉(zhuǎn)化成液體燃料及化工原料的方法研究進(jìn)展很快。技術(shù)比較成熟的直接液化法有美國(guó)氫-煤（H-COAL）法及以兩段催化液化法和氫-煤工藝為基礎(chǔ)提出HTI法、德國(guó)新液化工藝（IGOR）法、由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)機(jī)構(gòu)NEDO實(shí)施NEDOL法。目前，國(guó)外尚未達(dá)到煤直接液化工業(yè)生產(chǎn)階段，只有中試生產(chǎn)裝置在運(yùn)行。中國(guó)神華集團(tuán)煤直接液化工業(yè)化大型工藝支持單元（PSU）裝置生產(chǎn)出合格液體燃料，開(kāi)創(chuàng)了煤直接液化工業(yè)化生產(chǎn)的先河。煤間接液化法，是將煤通過(guò)氣化爐生成的氣化氣轉(zhuǎn)化成合成氣，以合成氣為基礎(chǔ)原料，采用合成工藝路線費(fèi)-托（F-T）煤液化法轉(zhuǎn)化為烴類(lèi)化合物，并通過(guò)精餾生產(chǎn)出液體燃料和各種化學(xué)品，也稱C1化學(xué)產(chǎn)品。近幾年，世界上許多國(guó)家十分關(guān)注以煤為原料采用魯奇爐、常壓煤粉氣流床氣化爐（K-T爐）、德士古爐等生產(chǎn)氣化氣轉(zhuǎn)化生產(chǎn)甲醇。中國(guó)云南大為焦化公司成功實(shí)現(xiàn)以焦?fàn)t煤氣為原料生產(chǎn)甲醇，目前在中國(guó)已有5套裝置投產(chǎn)。
分級(jí)分質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)
近年來(lái)，國(guó)家先后多次發(fā)布相關(guān)規(guī)劃及政策，鼓勵(lì)基于熱解過(guò)程的煤炭資源化分級(jí)分質(zhì)利用技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)及工程示范，旨在促進(jìn)技術(shù)發(fā)展及推廣應(yīng)用。目前，基于熱解的煤炭資源化分級(jí)分質(zhì)利用工藝主要有油-氣-半焦聯(lián)產(chǎn)工藝和油-氣-熱-電聯(lián)產(chǎn)工藝。油-氣-半焦聯(lián)產(chǎn)工藝通常采用低灰優(yōu)質(zhì)煤，產(chǎn)生油氣同時(shí)聯(lián)產(chǎn)大量半焦。半焦通常經(jīng)冷卻外送，主要用于冶煉、化工原料及清潔燃料等。油-氣-熱-電聯(lián)產(chǎn)工藝將煤熱解和半焦燃燒直接耦合，在煤燃燒利用前先通過(guò)熱解提取油氣，熱半焦直接送鍋爐燃燒發(fā)電供熱。該工藝燃料適應(yīng)性廣，同時(shí)避免了半焦冷卻、儲(chǔ)存和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，系統(tǒng)熱效率高，被認(rèn)為是煤炭利用的革命性方向，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛關(guān)注。國(guó)外代表性工藝有日本石川島播磨重工業(yè)（IHI）雙流化床多聯(lián)產(chǎn)工藝、英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)的油頁(yè)巖多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及韓國(guó)科學(xué)與技術(shù)高等學(xué)院的內(nèi)循環(huán)煤氣化燃燒工藝等；國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)及國(guó)家電網(wǎng)公司北京動(dòng)力經(jīng)濟(jì)研究所等單位開(kāi)發(fā)了基于移動(dòng)床、流化床及下行床等的煤熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)工藝。上述工藝已經(jīng)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)室研究，并部分完成了工業(yè)試驗(yàn)，浙江大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院等已完成煤處理量2~40 t/h煤熱解燃燒工業(yè)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該工藝的可行性，具備工業(yè)示范及推廣應(yīng)用能力。
目前，中國(guó)每年用于燃燒利用的煤炭超過(guò)25億t耗煤（90%以上為煙煤和褐煤）所含揮發(fā)份可制取相當(dāng)于3900億m3合成天然氣或3億t石油（2011年中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司進(jìn)口2.5億t）。如制取清潔燃?xì)馓娲F(xiàn)有工業(yè)鍋爐燃煤，可替代目前國(guó)內(nèi)的工業(yè)鍋爐燃煤，工業(yè)鍋爐效率由65%提升至85%，節(jié)煤率18%，節(jié)約工業(yè)鍋爐燃煤約1.5億t，年減排83% SO2、39% NOx、83%煙塵、18% CO2。
由此可見(jiàn)，推廣應(yīng)用煤炭分級(jí)轉(zhuǎn)化綜合利用技術(shù)適合中國(guó)的國(guó)情和特色，充分體現(xiàn)煤炭既是能源又是資源的理念，既可對(duì)現(xiàn)有近8億kW燃煤電廠進(jìn)行分級(jí)利用改造，又可適用于新建電廠，可應(yīng)用于高效清潔發(fā)電、替代工業(yè)鍋爐燃煤、運(yùn)輸燃料替代和煤化工等領(lǐng)域，對(duì)于中國(guó)清潔高效煤炭發(fā)電、油氣等資源替代、大幅度節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等具有重要戰(zhàn)略意義。
燃煤污染物超低排放
中國(guó)重點(diǎn)區(qū)域單位面積煤炭消費(fèi)強(qiáng)度高，散燒煤量大且燃燒效率低、污染治理難度大，導(dǎo)致單位面積污染物排放強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平及美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家水平，發(fā)達(dá)國(guó)家的大氣污染防治經(jīng)驗(yàn)可借鑒但是難以復(fù)制。京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等重點(diǎn)地區(qū)的煤炭消費(fèi)強(qiáng)度約為全國(guó)平均的4.92倍、美國(guó)的15.7倍。目前，中國(guó)已在大氣污染治理技術(shù)研發(fā)方面取得了顯著的進(jìn)展，多項(xiàng)關(guān)鍵共性技術(shù)取得突破，有效支撐了各重點(diǎn)行業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的制定、修訂和實(shí)施，減少了主要大氣污染物的排放，并在一定程度上遏制中國(guó)空氣質(zhì)量持續(xù)惡化的局面。圍繞當(dāng)前空氣質(zhì)量改善的需求，針對(duì)工業(yè)源、移動(dòng)源、面源等主要大氣污染源，中國(guó)正經(jīng)歷從末端污染控制為主，向全過(guò)程污染治理轉(zhuǎn)變，從單一污染物排放控制向多種污染物系統(tǒng)協(xié)同控制轉(zhuǎn)變，從污染物達(dá)標(biāo)排放向深度治理轉(zhuǎn)變，并逐步構(gòu)建源頭削減—過(guò)程控制—末端治理的全過(guò)程大氣污染治理技術(shù)體系，以支撐實(shí)現(xiàn)大氣污染物治理能力的全面提升。
污染物控制
SO2控制方面，發(fā)展了石灰石/石灰-石膏濕法、煙氣循環(huán)流化床法、海水法等脫硫技術(shù)，其中石灰石/石灰-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)在中國(guó)已投運(yùn)燃煤脫硫機(jī)組中占90%以上份額，其脫硫效率一般可達(dá)95%以上。針對(duì)當(dāng)前量大面廣的石灰石/石灰-石膏濕法脫硫機(jī)組難以滿足環(huán)保新要求的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外科研單位、環(huán)保骨干企業(yè)等深入研究了濕法煙氣脫硫的強(qiáng)化傳質(zhì)與多種污染物協(xié)同脫除機(jī)理，并在50~1000 MW燃煤機(jī)組上實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)用，脫硫效率突破了99%，SO2排放濃度可低于20 mg/m3。高效脫硫關(guān)鍵技術(shù)也在鋼鐵燒結(jié)機(jī)、玻璃爐窯、垃圾焚燒等行業(yè)得到了推廣應(yīng)用。
NOx控制方面，發(fā)展了低NOx燃燒技術(shù)、選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術(shù)、選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術(shù)和SNCR-SCR耦合脫硝技術(shù)等，其中選擇性催化還原法煙氣脫硝技術(shù)在中國(guó)已投運(yùn)燃煤脫硝機(jī)組中占95%以上份額，脫硝效率最高可達(dá)90%以上。針對(duì)部分機(jī)組NOx排放超標(biāo)，尤其是低負(fù)荷下NOx超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，大量廢煙氣脫硝催化劑面臨再生等問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)通過(guò)技術(shù)研發(fā)形成了具有高脫硝效率、寬溫度窗口、高抗磨性能的催化劑配方及其活性恢復(fù)方法，在含1000 MW等級(jí)燃煤機(jī)組上也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，排放濃度可低于50 mg/Nm3；具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的脫硝催化劑再生改性工藝技術(shù)及裝備，已成功應(yīng)用于300 MW及1000 MW機(jī)組等催化劑再生改性項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)NOx高效脫除的協(xié)同控制汞等污染物。
顆粒物控制方面，發(fā)展了靜電除塵、袋式除塵和電袋復(fù)合除塵等除塵技術(shù)，其中現(xiàn)有近80%的火電機(jī)組安裝了靜電除塵器，而隨著袋式除塵器濾袋材料性能的改善及排放標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格，袋式除塵器和電袋復(fù)合除塵器應(yīng)用呈上升趨勢(shì)。近年來(lái)還研發(fā)了濕式靜電除塵、高效凝并、高效供電電源等多種高效除塵關(guān)鍵技術(shù)。PM2.5總捕集效率可達(dá)到99%以上，煙塵排放濃度小于5mg/Nm3。
汞等污染物協(xié)同控制方面，脫硫塔前一級(jí)除塵裝備本身可協(xié)同控制一部分吸附在顆粒上的Hg、SO3等污染物；而通過(guò)對(duì)選擇性催化還原法脫硝催化劑配方改性及向煙氣中添加活性組分，可以將大部分單質(zhì)汞氧化成二價(jià)汞，以利于在后續(xù)的脫硫塔內(nèi)吸收脫除并固定于脫硫副產(chǎn)物中；而脫硫后的濕式靜電除塵技術(shù)可高效脫除PM2.5的同時(shí)，協(xié)同脫除塔后煙氣中攜帶的SO3酸霧、細(xì)小漿液滴、汞等多種污染物，脫汞效率可達(dá)85%以上，汞排放濃度小于0.002mg/Nm3，SO3酸霧去除效率可達(dá)80%以上，能有效解決藍(lán)煙/黃煙、“石膏雨”以及汞、霧滴排放等污染新問(wèn)題。
多種污染物協(xié)同控制
針對(duì)單一污染物高效脫除及其他污染物協(xié)同控制技術(shù)上，通過(guò)對(duì)SO2、NOx、顆粒物、汞等多種污染物高效脫除與協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)的集成開(kāi)發(fā)，形成了能達(dá)到天然氣燃?xì)廨啓C(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求的燃煤電站超低排放環(huán)保島技術(shù)，其系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。
圖2 燃煤電站超低排放環(huán)保島
目前，燃煤電站超低排放技術(shù)正在京津冀魯、長(zhǎng)三角、珠三角等重點(diǎn)區(qū)域的燃煤發(fā)電機(jī)組和熱電聯(lián)供機(jī)組上推廣應(yīng)用。例如，浙江大學(xué)和浙江省能源集團(tuán)有限公司等單位在完成實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上于2014年5月30日研制成功國(guó)內(nèi)首座100萬(wàn)kW燃煤電站超低排放示范工程，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。發(fā)1 kW·h僅增加成本1分錢(qián)，并達(dá)到天然氣發(fā)電機(jī)組的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（表1），被國(guó)家能源局授予“國(guó)家煤電節(jié)能減排示范電站”稱號(hào)。各類(lèi)工程示范通過(guò)不同的減排技術(shù)路線均使燃煤機(jī)組煙氣的主要污染物排放濃度達(dá)到國(guó)家燃?xì)馀欧艠?biāo)準(zhǔn)限值要求。隨著燃煤發(fā)電機(jī)組超低排放示范工程的深入推進(jìn)，中國(guó)煤電行業(yè)將取得革命性進(jìn)步，可望建成世界最大的清潔高效煤電體系。
表1 嘉興電廠1000 MW機(jī)組中國(guó)環(huán)境檢測(cè)總站考核數(shù)據(jù)
固廢及生物質(zhì)與燃煤摻燒發(fā)電
依托現(xiàn)役燃煤高效發(fā)電系統(tǒng)和污染物集中處理設(shè)施的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，通過(guò)實(shí)施包括城市生活垃圾和污水處理廠、水體污泥等的固體廢棄物和包括農(nóng)作物及其廢棄物、樹(shù)木等木質(zhì)纖維素、動(dòng)物糞便等的生物質(zhì)與煤炭摻燒發(fā)電的方式，破解秸稈田間直接焚燒、污泥和垃圾圍城等難題，克服生物質(zhì)資源能源化利用污染物排放水平高的缺點(diǎn)，增加不需要調(diào)峰調(diào)頻調(diào)壓等配套調(diào)節(jié)措施的優(yōu)質(zhì)可再生能源電力供應(yīng)，促進(jìn)電力行業(yè)特別是煤電的低碳清潔發(fā)展。因此，為了促進(jìn)煤電轉(zhuǎn)型、提高可再生能源消納比例，2016 年國(guó)家能源局提出，將在“十三五”期間力推“煤電+生物質(zhì)”“煤電+污泥”“煤電+垃圾”等煤電為主體、其他可再生能源補(bǔ)充的發(fā)電形式。
固廢與燃煤摻燒發(fā)電
隨著中國(guó)城市化及人民生活水平不斷提高，城市生活垃圾產(chǎn)量急劇上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)城市生活垃圾總清運(yùn)量超過(guò)2.15億t。城市生活垃圾和污泥是固體廢棄物的重要組成部分，其中含有較為豐富的有機(jī)物等可通過(guò)焚燒的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)垃圾減量和能源回收。但是垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量的二噁英、氯化物、SO2、氮氧化物等污染物，需要單獨(dú)配備復(fù)雜的煙氣凈化系統(tǒng)才能滿足排放要求，同時(shí)傳統(tǒng)垃圾發(fā)電項(xiàng)目還存在投資大、能耗高、凈化效率低等問(wèn)題，發(fā)電機(jī)組效率僅為18%~25%。除此之外，生活垃圾和污泥能量密度相比傳統(tǒng)化石能源較低，且含水量高、成分復(fù)雜，直接用于焚燒或燃燒發(fā)電難以保證電力穩(wěn)定供應(yīng)，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)性較差等問(wèn)題。由于傳統(tǒng)燃煤電廠發(fā)電效率較高，通過(guò)燃煤耦合垃圾發(fā)電技術(shù)可將垃圾焚燒發(fā)電效率提高至30%以上，提效10%左右。可實(shí)現(xiàn)垃圾無(wú)害化、減量化、資源化、低成本化的處置，提高垃圾能源化利用效率，降低單位垃圾處理投資成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。該技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電廠機(jī)組發(fā)電效率低、排煙溫度高、飛灰沾污、二噁英等污染物處理成本高等難題。
目前污泥流化床焚燒技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)能量回收以及低污染排放，但是污泥中較高的水分含量會(huì)導(dǎo)致能量回收效率低。通過(guò)開(kāi)發(fā)污泥干化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的高效預(yù)處理，使其水分含量大幅降低，減少了污泥總量，還有利于污泥的存儲(chǔ)、運(yùn)輸和利用。污泥干化技術(shù)主要有熱干化、太陽(yáng)能干化、微波加熱干化、超聲波干化及熱泵干化等。干化后的污泥熱值接近褐煤熱值，通過(guò)焚燒可以徹底處理污泥，殺死病原體，最大限度地減少污泥體積，還能回收利用其熱能。因此，污泥干化技術(shù)作為污泥流化床焚燒技術(shù)的預(yù)處理工藝，可以有效實(shí)現(xiàn)污泥中能量回收和低污染物排放的目標(biāo)。
生物質(zhì)與燃煤摻燒發(fā)電
生物質(zhì)是一種清潔可再生能源，主要與農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)。中國(guó)擁有豐富的生物質(zhì)資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)農(nóng)林廢棄物總產(chǎn)量約為16億t，包括秸稈、薪柴等，還有大量的人畜糞便，每年生物質(zhì)資源總量折合約為8億t標(biāo)準(zhǔn)煤，如全部利用替代化石能源可減排CO2 16 億t。通過(guò)在燃煤機(jī)組中摻燒生物質(zhì)燃料，可以有效提高生物質(zhì)燃料的利用率并降低污染物的排放。在摻混燃料中，生物質(zhì)燃料在總灰渣中生物質(zhì)貢獻(xiàn)的灰渣份額較小，因此在金屬表面不易形成堅(jiān)固的污垢；另一方面，由于燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣量大，使鍋爐的過(guò)熱器、再熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器以及水冷壁等受熱金屬表面得到很好的沖刷，可以減輕生物質(zhì)燃燒后煙氣中的堿金屬及氯的物質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕。
生物質(zhì)在燃煤機(jī)組摻燒可以降低生物質(zhì)燃料供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，具有燃料的靈活性，直接提高生物質(zhì)能源的利用效率，而且城市生活垃圾等固廢的再利用有利于能源可持續(xù)發(fā)展。生物質(zhì)混燒發(fā)電可充分利用燃煤電廠大容量、高蒸汽參數(shù)達(dá)到高效率的優(yōu)點(diǎn)，減少燃煤發(fā)電廠的CO2排放、降低燃料費(fèi)用和每千瓦發(fā)電的投資費(fèi)用，并有可能使生物質(zhì)發(fā)電的效率達(dá)到今天燃煤電廠能夠達(dá)到的最高水平。根據(jù)廣東省生物質(zhì)與煤共燃發(fā)電技術(shù)項(xiàng)目應(yīng)用案例，在不同生物質(zhì)摻燒比例下，可以達(dá)到較好的碳減排效果。固體廢棄物及生物質(zhì)摻燒能夠充分利用現(xiàn)有燃煤電廠原有的設(shè)施和系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電，充分利用原有燃煤電廠已經(jīng)存在的供電和供熱市場(chǎng)，固廢預(yù)處理及生物質(zhì)燃料預(yù)加工工藝簡(jiǎn)單、工藝設(shè)備要求低，對(duì)原有燃煤機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的要求較小。
CO2捕集封存及轉(zhuǎn)化
聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）最新報(bào)告提出，根據(jù)氣候模型研究，為實(shí)現(xiàn)全球溫升不超過(guò)2℃目標(biāo)，2030—2050年碳排放必須達(dá)到頂峰。目前中國(guó)CO2年排放約100億t，短期內(nèi)難以擺脫以化石能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，因而亟需開(kāi)發(fā)低成本的大規(guī)模CO2捕獲、封存與利用技術(shù)。低成本低能耗的大規(guī)模捕獲CO2，并通過(guò)礦化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳封存或?qū)⒗锰?yáng)能等可再生能源將CO2轉(zhuǎn)化為燃料，是減少CO2排放、緩和氣候變化的有效途徑。
CO2捕集
在眾多CO2捕集技術(shù)中，化學(xué)吸收法因其捕集效率高和適應(yīng)性好，是目前最具大規(guī)模捕集CO2潛力的技術(shù)路線之一。近幾年，國(guó)內(nèi)外在化學(xué)吸收分離燃煤煙氣中CO2研發(fā)方面取得了顯著進(jìn)展，啟動(dòng)了一批示范項(xiàng)目，如美國(guó)Petra Nova140萬(wàn)t/年碳捕集和封存（CCS）項(xiàng)目以及華能上海石洞口發(fā)電有限責(zé)任公司12萬(wàn)t/年碳捕集項(xiàng)目等。但燃煤/燃?xì)鉄煔庵蠧O2的濃度低、成分復(fù)雜、氣體流量巨大，導(dǎo)致CO2捕集系統(tǒng)投資和運(yùn)行成本高。新型吸收劑和吸收工藝的研發(fā)，是降低捕集能耗和提高經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)新型吸收劑和吸收工藝已投入數(shù)十億美元開(kāi)發(fā)新一代碳捕集技術(shù)。日本三菱重工KS系列胺基吸收劑和美國(guó)ADA公司胺基吸附材料已能夠?qū)O2捕集能耗從約4 GJ/t CO2降低至3 GJ/t CO2以下。浙江大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司等單位長(zhǎng)期致力于CO2吸收劑的研究，研發(fā)了混合胺、相變有機(jī)胺、離子液體等吸收劑可將CO2 捕集能耗降低至2.5~3 GJ/t CO2。在吸收工藝研究方面，研究人員對(duì)強(qiáng)化過(guò)程傳質(zhì)、優(yōu)化捕集工藝、開(kāi)發(fā)超重力反應(yīng)器、熱泵技術(shù)等進(jìn)行大量研究，顯示了節(jié)能潛力。
CO2礦化封存及轉(zhuǎn)化利用
CO2礦化作為CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術(shù)的重要發(fā)展方向，有望低能耗、規(guī)模化的實(shí)現(xiàn)CO2永久安全封存，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性小。以富鈣鎂的天然礦物為原料礦化固定CO2具有原料豐富，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)其開(kāi)展了大量研究工作。美國(guó)能源部、芬蘭埃博學(xué)術(shù)大學(xué)等研究了鎂橄欖石、蛇紋石等天然礦物礦化固定CO2工藝路線，凈封存率在30%~50%，成本高達(dá)600~1600 美元/t CO2。與天然礦石相比，利用工業(yè)廢棄物固定CO2具有反應(yīng)活性高，粒度小無(wú)需預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn)，特別是不少固體廢棄物靠近CO2排放源，為CO2礦化封存提供了便利條件。若充分利用中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程伴生大量廢棄礦物進(jìn)行礦化固定CO2，可實(shí)現(xiàn)年處理固廢超過(guò)10億t，固定減排CO2超過(guò)1億t，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益和市場(chǎng)前景。浙江大學(xué)、香港理工大學(xué)和湖南大學(xué)等研究水泥基膠凝材料與CO2的礦化養(yǎng)護(hù)制建材技術(shù)。四川大學(xué)以純堿固廢氯化鈣活化天然鉀長(zhǎng)石為原料，礦化固化CO2并副產(chǎn)氯化鉀產(chǎn)品，可以有效抵消固碳成本，完成了千t級(jí)中試。
利用可再生能源將CO2作為廉價(jià)豐富的碳源轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品是一種極具前景的CO2轉(zhuǎn)化利用技術(shù)。近年來(lái)，將CO2清潔高效的轉(zhuǎn)化合成燃料成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)，是能源科學(xué)前沿研究中的“圣杯”。CO2是化學(xué)性質(zhì)不活潑的分子，需要輸入能量激發(fā)其參與反應(yīng)，根據(jù)能量輸入轉(zhuǎn)化方式可分為電化學(xué)、光催化、熱化學(xué)與光熱耦合等。電能轉(zhuǎn)化CO2主要利用電解池-原電池原理，反應(yīng)在常溫常壓下進(jìn)行且通過(guò)調(diào)節(jié)外偏電壓控制反應(yīng)速率；光能轉(zhuǎn)化CO2利用光催化材料吸收一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)誘發(fā)氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)變；熱能轉(zhuǎn)化CO2則通過(guò)幾個(gè)連續(xù)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換；光熱耦合在熱能利用的同時(shí)引入光能，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)光能與低品質(zhì)熱能分級(jí)利用，耦合光能熱能向化學(xué)能轉(zhuǎn)化。利用光、電、熱和光熱耦合轉(zhuǎn)化CO2，在實(shí)現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化同時(shí)產(chǎn)生具有高附加值產(chǎn)品，良好地與現(xiàn)代能源構(gòu)架相匹配，為CO2減排提出了新思路，滿足可持續(xù)的發(fā)展要求。
智慧能源
18世紀(jì)60年代以來(lái)，世界經(jīng)歷了分別以蒸汽機(jī)、電力和計(jì)算機(jī)為引領(lǐng)的3次產(chǎn)業(yè)革命，每一次產(chǎn)業(yè)革命都使得世界的產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平提高一大步。第4次產(chǎn)業(yè)革命將是以適應(yīng)文明演進(jìn)的新趨勢(shì)和新要求為目標(biāo)由智慧能源引領(lǐng)的能源革命。能源革命可以從根本上解決文明前行的動(dòng)力困擾，實(shí)現(xiàn)能源的安全、穩(wěn)定、清潔和永續(xù)利用。美國(guó)、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)較早提出了智慧能源網(wǎng)的概念，并開(kāi)發(fā)了智能電網(wǎng)、智慧城市、智能交通、智能燃?xì)夂椭悄苌鐓^(qū)等新一代概念和技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)能源的高效低碳利用。進(jìn)入21世紀(jì)后，中國(guó)也提出了智慧能源網(wǎng)概念，智能電網(wǎng)建設(shè)工作已經(jīng)全面展開(kāi)，但相較發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)的新能源利用水平還較低，這限制了中國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展。進(jìn)入社會(huì)主義新時(shí)代以來(lái)，中國(guó)能源消費(fèi)模式不斷創(chuàng)新，智慧能源、多能互補(bǔ)等新業(yè)態(tài)新模式不斷涌現(xiàn)。大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，提供了對(duì)多源、異構(gòu)、高維、分布、非確定性的數(shù)據(jù)及流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理及知識(shí)提取的手段，可以使信息創(chuàng)新與能源革命在更高層次上深度融合，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)模式與消費(fèi)模式的革命。
智慧電站
智慧能源系統(tǒng)通過(guò)智能生產(chǎn)制造、先進(jìn)超低排放和燃料混燒實(shí)現(xiàn)能源高效、清潔、低碳利用。“智慧電站”是以自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等資源，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的信息處理能力，集成統(tǒng)一的一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)、一體化管控系統(tǒng)、智能傳感與執(zhí)行、智能控制和優(yōu)化算法、數(shù)據(jù)挖掘以及精細(xì)化管理決策等技術(shù)，形成一種具備自趨優(yōu)、自學(xué)習(xí)、自恢復(fù)、自適應(yīng)、自組織等特征的智能發(fā)電運(yùn)行控制與管理模式，以實(shí)現(xiàn)安全、高效、環(huán)保的運(yùn)行目標(biāo)，并具有優(yōu)秀的外界環(huán)境適應(yīng)能力，是加快構(gòu)建高效、清潔、低碳、循環(huán)的綠色能源生產(chǎn)體系，實(shí)現(xiàn)能源與信息深度融合的智慧能源發(fā)展策略的重要一環(huán)。
目前，中國(guó)各發(fā)電集團(tuán)均在積極建設(shè)智慧電廠，樹(shù)立樣板工程。其中大唐姜堰智慧電廠是全國(guó)首家智慧電廠，其智慧電廠模式共包含五大功能：基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)分析的運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)、基于專(zhuān)家系統(tǒng)的三維可視化故障診斷系統(tǒng)、三維數(shù)字化檔案系統(tǒng)和三維可視化智能培訓(xùn)系統(tǒng)。現(xiàn)階段中國(guó)在“智慧電站”的發(fā)展道路上已具備一定的基礎(chǔ)。第一，現(xiàn)有電廠在數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化等方面達(dá)到了較高的水平。第二，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理能力得到了極大的提升。第三，中國(guó)的發(fā)電裝備制造水平得到快速發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)各類(lèi)發(fā)電企業(yè)均配備了自動(dòng)控制系統(tǒng)、監(jiān)控信息系統(tǒng)以及管理信息系統(tǒng)等，但其與智能化生產(chǎn)仍存在較大距離。“智能發(fā)電”是一種多學(xué)科交叉的高新技術(shù)領(lǐng)域，其并非簡(jiǎn)單的數(shù)字化和信息化，而是在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的應(yīng)用及人工智能化。
多能互補(bǔ)
在傳統(tǒng)能源基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)中，不同類(lèi)型的能源之間具有明顯的供需界限，傳統(tǒng)產(chǎn)能過(guò)剩、系統(tǒng)協(xié)調(diào)性不足、整體效率較低，能源的調(diào)控和利用效率低下，而且無(wú)法大規(guī)模接納風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式發(fā)電以及電動(dòng)汽車(chē)等柔性負(fù)荷。多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)能夠?qū)⒎质侥茉聪到y(tǒng)與太陽(yáng)能光伏、天然氣機(jī)組發(fā)電，余熱鍋爐回收等多品種的能源進(jìn)行聯(lián)合，減少傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)的能源消耗，解決風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生不連續(xù)的問(wèn)題，平抑可再生能源出力的波動(dòng)性。多能互補(bǔ)集成優(yōu)化是能源變革的發(fā)展趨勢(shì)，倡導(dǎo)的融合、統(tǒng)一、高效、清潔理念是當(dāng)今能源革命的方向。多能互補(bǔ)集成系統(tǒng)主要有兩種模式：一是面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，因地制宜、統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)、互補(bǔ)利用傳統(tǒng)能源和新能源，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用；二是利用大型綜合能源基地風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)風(fēng)、光、水、火、儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行。
推進(jìn)互補(bǔ)集成應(yīng)用一方面要整合多種新能源發(fā)電技術(shù)，并且針對(duì)中國(guó)能源資源分布不均的情況進(jìn)行差別化的重點(diǎn)發(fā)展。另一方面要?jiǎng)?chuàng)新用能的供需方式，提高經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)可再生能源的供能更加貼近用戶、就地取能、就近消納。建設(shè)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程是構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源系統(tǒng)的重要任務(wù)之一，有利于提高能源供需協(xié)調(diào)能力，推動(dòng)能源清潔生產(chǎn)和就近消納，減少棄風(fēng)、棄光、棄水限電，促進(jìn)可再生能源消納，是提高能源系統(tǒng)綜合效率的重要抓手，對(duì)于建設(shè)清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。
結(jié) 論
能源是人類(lèi)社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)條件，中國(guó)煤多油少氣不足，煤炭是中國(guó)的優(yōu)勢(shì)資源，儲(chǔ)量最豐富、性價(jià)比最高、生產(chǎn)能力最大。煤炭的高效清潔低碳利用仍將是中國(guó)能源戰(zhàn)略的重中之重，而且相關(guān)技術(shù)正在朝著有利的方向發(fā)展。在社會(huì)主義建設(shè)進(jìn)入新時(shí)代的背景下，應(yīng)當(dāng)腳踏實(shí)地地做好煤炭高效清潔低碳利用工作，有力推動(dòng)中國(guó)能源生產(chǎn)消費(fèi)方式革命。
作者簡(jiǎn)介：岑可法，浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，教授，中國(guó)工程院院士，研究方向?yàn)槟茉锤咝鍧嵉吞祭谩?/p>
