清潔煤電華能行专题报道
 
毛健雄:煤電可以做到氣電排放水平
2014年09月24日
 

  中国电力报 中电新闻网记者 彭源长 马建胜

  毛健雄 清华大学热能工程系教授,曾任清华大学热能工程系副主任,长期从事热能工程和清洁煤燃烧发电技术等方面的教学、科研和国际交流工作,至今已有50多年。他于1993年被聘为英国煤炭科学研究院顾问,1995年被英国DeMontfort大学授予荣誉技术博士学位称号,1999年被选为英国能源学会高级会员。他所从事的主要教学和科研工作包括:燃烧理论和燃烧设备、锅炉设计和洁净煤技术、清洁煤燃烧发电技术、超临界和超超临界燃煤发电技术以及燃煤电站二氧化碳捕获和封存技术等。

  “煤電可以做到氣電的排放水平”

  中國電力報:您認爲霧霾形成的原因是什麽?

  毛健雄:現在全國很多區域産生的大範圍霧霾天氣,不能完全歸罪于煤,煤只是其中的一部分。煤到底在一個地區的大氣汙染中占有多大比例,要看這個地區的具體情況。霧霾中PM2.5形成的原因很複雜,主要不是燃煤排放的粉塵,另外還有硫氧化物、氮氧化物和酸性氣體等其他化石燃料燃燒的排放物,其中氮氧化物可能起著更大的作用。這些汙染物在大氣中混合産生氧化反應和光化學反應,二次産生氣溶膠這種非常微小的顆粒物。而氮氧化物和硫氧化物産生的源頭大部分是化石燃料的燃燒和汽車尾氣的排放,可能汽車尾氣的排放是更主要的。

  還有一點,因爲現在火電廠煙氣脫硝主要采用向煙氣中噴氨並通過催化來與氮氧化物反應而脫除,而這個過程中有一部分沒有反應的氨氣會隨著煙氣排放到大氣中,通過光化學反應産生氣溶膠。同時氨水的運輸、儲存和氣化過程中也會有一部分泄露。

  中國電力報:出于環境治理特別是霧霾治理的考慮,現在我國能源結構調整的力度在加大,您如何看待煤炭的前景?

  毛健雄:中國的能源資源中,煤炭占主體地位。我認爲在未來幾十年內,煤炭的主體地位難以改變。我們已經是世界第一大能源消費國,電力總裝機容量也是世界第一,一次能源消費裏面煤炭占70%以上,發電量中火電發電量占70%以上。所以能源結構改變起來很難,因爲總量基數太大,煤炭消費的絕對量太大。我認爲,到2050年,中國的火電發電量占全部發電量的比重能降到50%以下就不錯了。

  長遠來看,煤炭也是世界主要能源。

  從儲量來看,天然氣和石油的儲量比起煤炭差得很遠。我認爲未來四五十年內煤仍是中國第一位的能源。

  中國電力報:您是研究煤炭燃燒的,您認爲煤炭如何來清潔利用?

  毛健雄:從發電來說,現在的環保技術已經可以把煤電做到接近燃氣發電的排放水平,把煙塵降到每立方米5毫克以下、氮氧化物降到每立方米50毫克以下,都沒有問題。目前上海外高橋三廠(以下簡稱“外三”)的煙塵排放做到了11毫克/立方米,二氧化硫25毫克/立方米和氮氧化物25毫克/立方米,其實外三還可以做到更低的排放。

  現在火電廠除塵技術中有一種濕法電除塵器,減排的效果很好,可以達到5毫克/立方米的排放,達到了燃氣的排放水平,而且對減少PM2.5的排放也會有一定的作用,現在很多火電廠在電除塵器改造時在考慮采用這種技術。如果要使煤電達到氣電的排放標准,選擇濕法電除塵技術可能是重要方向。如果從長遠考慮,煤電的粉塵排放標准肯定還要更加嚴格向氣電看齊,例如達到5~10毫克/立方米,這樣對濕法電除塵技術就應該加以重視,積累經驗,降低成本,加以推廣。

  “‘外三’的高低位布置技術是一個重大創新”

  中國電力報:既然煤炭燃燒可以做到跟天然氣一樣清潔,那我們現在還有必要大量進口天然氣和發展煤制氣嗎?

  毛健雄:現在美國的頁岩氣已經在大規模的生産並且比較便宜,美國的方向也很明顯,就是用大量的燃氣發電來取代燃煤發電,但現在美國的煤電發電量還是第一,美國要把所有的煤電都搞掉,那是不可能的。從全世界來看,煤電仍是主力電源,煤電發電量占所有發電量的40%以上。澳大利亞90%是煤電,中國是70%,美國是40%。

  中國要壓煤上氣,但是不可能把將近9億千瓦的煤電替代掉,畢竟我們受到天然氣資源的限制,而現在燃氣發電只有4000萬千瓦的規模。換一種思路,如果燃煤電廠能夠做到和天然氣電廠的排放一樣清潔,我們爲什麽不可以在沿海大城市多搞一些像外三這樣的燃煤電廠,它的效率、排放跟燃氣電廠至少是一樣的,而且能源成本低多了。

  我並不是反對上天然氣發電機組,而是認爲節能減排還是要抓煤本身,用天然氣是解決不了問題的。

  當然天然氣也有優勢,就是天然氣發電可以聯合循環,能源利用效率可以達到60%,這是煤炭比不了的。因此,如果中國有大量天然氣,就可以用來建天然氣聯合循環電廠,如果天然氣的價格跟煤一樣,肯定沒人去建燃煤電廠。但是現實是我們沒有那麽多天然氣,而且天然氣又很貴,所以只能選擇煤炭。

  外三的總經理馮偉忠進行了一系列的技術創新,使外三的供電煤耗降低到276克/千瓦時,達到了世界領先的水平。

  他還有一個新的方案叫做“高低位分軸布置的汽輪發電機組技術”,運用這項技術,可以利用現有的材料、設備和技術平台,使單位造價在與目前超超臨界機組相當的前提下,機組效率再相對提高約5%,使供電效率達到48.9%,並使煙塵排放達到5毫克/立方米、二氧化硫15毫克/立方米、氮氧化物20毫克/立方米。2011年,該技術通過了國內外專家的評審,認爲“采用典型的並已有使用業績的高、中、低壓缸模塊進行適當的調整、組成的135萬千瓦二次再熱雙軸機組,使用現有的高溫材料,可達到目前世界上超超臨界機組發電效率的領先水平,技術方案先進、可行”。

  中國電力報:提高火電廠的效率很難嗎?馮偉忠的技術有哪些先進的地方?

  毛健雄:火電行業有一句話叫“十年磨一克”,如果真正想通過改造把機組效率大幅度地提高,是非常困難的。

  为了把火电效率进一步大幅度提高,现在世界上欧盟、美国、日本和中国均在开发700摄氏度等级的超超临界发电技 术,这个技术的关键是研发能够在700摄氏度高温下长期安全运行的高温镍基金属材料,但它的价格是现在600摄氏度材料的10倍以上,电厂需要几根近百米长的这种主蒸汽和高温再热蒸汽管道,单就这几根管子的成本就会占整个电厂投资的25%。

  在未來的幾十年內,中國都將會是“以煤爲主”,將來二次再熱的700攝氏度超超臨界機組的應用主戰場還是在中國,因爲歐洲、美國等發達國家對燃煤火電的需求已經很小了。運用700攝氏度超超臨界技術可以將火電淨效率從48.9%進一步提高到52%(供電煤耗236克/千瓦時)。歐盟從1998年就開始啓動700攝氏度超超臨界發電技術的研發,預計其示範廠的投運的時間將是在2020年以後,中國的700攝氏度超超臨界示範廠也可能在2020年後建成。一旦700攝氏度超超臨界技術的示範取得成功,其在市場上推廣的瓶頸就是如何最大限度地縮短必須采用昂貴的鎳基合金的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的長度。

  而冯伟忠的高低位布置是一个重大的创新。他的思路是把汽轮发电机组的高   温高压缸直接布置到锅炉的出口,从而大大缩短了需采用昂贵的700摄氏度耐高温材料管道的长度,为此他解决了由此产生的一系列技术问题,如高温高压管道最短化后热膨胀的吸收和热应力的消除等。

  此時汽輪發電機組的低壓缸還是布置在原來的低位位置采用常規的普通材料管道。這就是用600攝氏度的高溫材料去實現700攝氏度的超超臨界機組的效率。因爲外三汽輪機是西門子的技術,鍋爐是阿爾斯通的,所以馮偉忠把他的方案交給這兩家做了評估、論證,兩家都給予高度評價。西門子火力發電集團産品業務部的專家認爲“本技術能大大提高火力發電機組的淨效率,是改革高汙染發電行業成爲低排放綠色産業的唯一機遇”。

  據我所知,該項目的初步可行性研究也已于2013年12月審查完畢,目前已完全具備條件在外三廠擴建端的現有場地上開展示範性項目建設。遺憾的是,馮偉忠的方案已經提出來五年了,本來大家希望在“十二五”期間可以看到一台這種世界上效率最高、排放最低的燃煤示範機組,但是因爲上海燃煤火電項目限批的原因,現在還在等待。

  “提高效率是降低碳排放的根本”

  中國電力報:既然有這麽好的高效率低排放的煤電技術,爲什麽沒有推廣開來?

  毛健雄:實際上馮偉忠的一系列創新技術現在正在逐漸推廣,我覺得對一個新的創新事物要有一個認識的過程,據我了解,現在越來越多的的電力公司正在和馮偉忠和外三合作,例如華潤電力和神華集團就已經和外三簽訂了技術合作的協議。一系列合作項目正在進行之中。

  中國電力報:爲什麽最先進的煤電技術出現在外三?

  毛健雄:馮偉忠這個人也算是個奇人,他初中都沒畢業,從電廠當學徒工出身,全部是自學,數理化和各種專業理論,包括英文,他在國際會議上可以用英文發言,所以他不僅具有燃煤火電廠機、爐、電的整個系統的全面經驗,而且有深厚的理論基礎,他的每一個創新都以理論爲指導,但又不墨守成規,而是敢于和善于逆向思維,或叫創新思維,想人之不敢想。他深知在火電廠不能只靠大膽,凡事必須非常科學、有根據、有把握。他的每一個技術創新都親自做計算機模擬,模擬的計算機軟件都是他自己設計的,因此他年年創新,個個成功。外三的廠用電率只有2%,這是不得了的,他搞了一個集中調頻的創新,不是一個馬達用一個調頻器,而是用與主汽輪機抽汽驅動一個調頻汽輪發電機組來對全廠的馬達進行集中調頻,又多發了電,又節了能。馮偉忠的成功,還在于他的十分刻苦和付出,我到過外三廠多次,廠裏的同志告訴我,他是全廠早上第一個到廠,晚上最後一個離廠的人,他從來沒有星期天和節假日。他是廠長兼黨委書記,白天他要對全廠的高效,安全和低排放的運行進行指揮、領導和管理,他的創新工作全是在晚上下班後和節假日進行的。當然,馮偉忠的創新能夠把外三變成一個安全、高效和低排放的先進燃煤火電廠,還因爲他有一個非常好的團隊和一個理解和支持他的上海申能公司的領導。

  中國電力報:未來碳排放將是煤電無法回避的問題,您認爲從技術創新的角度如何解決這個問題?

  毛健雄:解決二氧化碳問題,第一步應該是最大限度地提高煤電的效率,這樣就把煤電排放的二氧化碳降到最低。

  第二步才是二氧化碳捕集和封存技術也就是CCS,但是這個技術是一個高成本和高能耗的技術。就拿效率來說,火電廠如果采用CCS系統,就會把現有效率吃掉10%,所以有一句玩笑話--“辛辛苦苦50年,一下回到解放前”,就是煤電效率從30%提高到40%用了50年,CCS一上馬,50年白搞了。同時由于中國煤電的體量又很大,在中國大規模采用CCS來減排二氧化碳的前景以及如何采用現在還很難說。

  現在聯合國對全球二氧化碳排放的控制目標是不使全球平均氣溫上升超過2攝氏度,中國現在已經是世界上最大的二氧化碳排放國,不管怎麽說,二氧化碳排放控制是中國煤電將來面臨的一個巨大挑戰。

  即使將來必須采用CCS技術,那麽基礎也應該是高效的煤電。如果本來效率就很低,再使用CCS就很難搞下去。所以從這個角度來講,今天最大限度地提高火電廠的效率,不僅是爲了今天的節能減排,也是爲了將來減排二氧化碳打基礎。所以今後中國的火電廠,除了少數的熱電聯産之外,必須走馮偉忠的道路,當然,隨著技術的進步,CCS本身的能耗也會降低。

        如果现在全国火电效率都提高到外三现有的水平,甚至于到高低位布置的水平,则煤电每度电产生的二氧化碳会降低20~35%,效率越高,每度电产生的二氧化碳越少。现在美国的环保标准已经有了二氧化碳的排放限制要求,欧洲则早就有了,将来若干年内如果中国也有这方面的要求,中国的火电效率将迎来一个大幅提高的过程,因为环境政策标准是驱动一切环保技术发展的动力。

  

 
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