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能源 中国煤炭清洁高效利用之路

发布:admin05-15分类: 核电

  以煤为主是符合我国资源禀赋的不可变化的事实,其他替代能源只能是辅助能源,而不能成为主力。

  能源和环境是当今人类面临的两大问题,倪维斗,这位清华大学教授、中国工程院院士在公开发表的演讲——《中国煤炭清洁高效利用之路》中提出:未来,单一技术和技术组合难以解决能源困局,系统整合和战略规划才是关键。

  以煤为主是符合我国资源禀赋的不可变化的事实,其他替代能源只能是辅助能源,而不能成为主力。

  中国的发展,尤其是改革开放以来巨大的进步,煤起了巨大的作用。而今,由于环境的影响,尤其是PM2.5雾霾的污染,人们把罪魁祸首指向煤的利用,当年的功臣被妖魔化,变成老鼠过街人人喊打,变成飞鸟尽,良弓藏,狡兔死,走狗烹。把屁股板全打在煤身上,实际上这是很冤枉的,不能真正解决问题。

  我国这么多的人口,都希望过现代化的生活,社会要不断发展,技术在不断进步,能源需求越来越大,2016年我国能源消耗总量已达43.6亿吨标准煤,在我国缺油、少气的资源条件下,靠什么能源来满足?

  现在很多人把希望寄托在天然气身上,中俄燃气(中国和俄罗斯的天然气合作供应协议)380亿立方米,相当于2700万吨标准煤;我国的天然气储量为3600亿立方米,相当于2.6亿吨标准煤,已是极限。目前天然气的用量是煤的1/20,远期来看,天然气的用量仍将只是煤的1/15。

  2016年的装机量是3364万千瓦,年发电量为2133亿千瓦时,占全部发电总量的3.5%。规划2020年装机5800万千瓦,到2030年装机1.2亿千瓦,发电8000亿千瓦时,折合来看是1亿标准煤。铀资源的贫乏,100万千瓦机组建堆时首次要339吨铀,每年还要补充15吨铀235和铀238,铀进口依存度已超过90%。核电不能成为我国能源发展主要方式,只能是补充方式。

  来看水电,7亿千瓦的理论蕴藏量装机,技术可开发不到5.5亿千瓦,而经济可开发4亿千瓦。2016年发电量1.19万亿千瓦时,相当于约2.15亿吨标准煤。水电装机容量已达3.32亿千瓦,开发度已达到了75%,剩下的1亿千瓦中包含有雅鲁藏布江的蕴藏量,实际开发方面存在国际问题。水能只占全世界按人口平均的25%,风电、太阳能只占能源消费总量的几个百点。

  天然气、核电、水电、风电、太阳能等发电量加起来约7.0亿吨标准煤,这相比2016年我国40多亿煤的能源消耗,是个小数。山西内蒙一带的几千亿吨煤才是我国能源的根本保障。

  中国能源系统根本特点:以煤为主,人口多。2010–2050年预测累计煤炭消费约1000*108 tce,煤仍是主力能源。2014年我国人均能源消费量约为3.1 tce/a,远低于美、德、法、日等国,预计2030年我国人均能源消费量4 tce/a(预计人口14亿)。(tce/a:每年标准当量煤)

  我国一次能源消费占全球能源消费的22.9%。2015年,全球能耗是1990年的1.6倍,而中国已经是1990年的4.4倍。2015年一次能源对外依存度15.8%,其中原油61.7%,天然气30.1%,煤炭4.9%。

  以高耗能、尤其耗煤为主换取发展,造成严重的生态环境影响;由于技术路径锁定效应(行为习惯、思想意识、体制机制、基础设施、既有产能),这种方式仍有较大的惯性。

  油气的发展面临国内资源不足和国际价格波动等问题,受到一定限制;核和可再生能源发展困难重重,供应过剩(弃风弃光等)、电网接纳、经济性等;节能面临缺乏投资、环保意识不强、基础设施和产能锁定等一系列挑战。

  能源系统将较长时间处于新旧发展方式并行的发展状态,推进能源系统的革命对整个社会的创新(体制、意识、技术、基础设施等)提出了巨大挑战。

  单一技术和技术组合难以解决能源困局,如何通过权衡取舍,精心组合和安排这些手段,以求系统性、最佳地解决问题——系统整合和战略规划。在煤的利用上做文章,走煤的清洁、高效、低碳利用之路。

  一是采用先进的燃煤发电技术,进一步提高能效,减少排放。如:上海外高桥第三发电厂。

  该厂当前的实际运行性能,在全年平均负荷率为75%~81%的条件下,其实际全年平均供电煤耗(包括脱硫和脱硝)276gce/kWh,折算到额定负荷下的供电煤耗为264gce/kWh,全年平均实际供电效率(包括脱硫和脱硝)为44.5%,折算至额定负荷工况,则供电效率应为46.5%。而2015年全国发电平均煤耗 318gce/kWh。排放浓度:粉尘排放7.55mg/m3;二氧化硫17.7mg/m3;氮氧化物15.19mg/m3,已经达到了气体燃料的排放指标。

  对比原世界运行效率最高的丹麦Nordjylland电厂3号411MW两次再热、低温海水冷却机组,2009年供电煤耗(不含供热)286.08gce/kWh(净效率42.93%),平均发电负荷率89%。折合75%负荷率下的供电煤耗288.48gce/kWh。应该说,我国的燃煤发电技术是走在世界前列的。

  但减排的根本问题是CO2的捕捉与处理,这是上海外高桥第三发电厂模式所不能处理的问题。

  IGCC技术把洁净的煤气化技术与高效的燃气──蒸汽联合循环发电系统结合起来,既有高发电效率,又有极好的环保性能,是一种有发展前景的洁净煤发电技术。IGCC系统的供电效率为41%,捕捉CO2较容易,但由于单位装机投资较大,所以,以气化为基础的IGCC只用于发电在经济上有较大问题,暂不适合推广。

  煤基多联产是指利用从单一的设备(气化炉)中产生的合成气(主要成分为CO+H2),来进行跨行业、跨部门的生产,以得到多种具有高附加值的化工产品、液体燃料(甲醇、F-T合成燃料、二甲醇、城市煤气、氢气)、以及用于工艺过程的热和进行发电等。

  多联产可以实现煤炭的多维度梯级利用,其应用过程相互耦合,实现能量流、物质流等总体优化。做到了氢碳比合理优化利用,尽量减少“无谓”的化学放热过程,并实现热量的梯级利用、压力潜力和物质的充分利用。

  另外,电力与化工在运行中可起相互调峰的作用。通过过程集成,联产系统可以在能量利用上获得收益。与单产系统相比,并联系统中获得的节煤收益甚微;而串联系统的节煤效果显著,特别是串联无变换系统,节煤率能够达到8%。

  此外,伴随单元技术进步,如高温合成气净化、离子膜分离制氧、1700摄氏度燃气轮机及水煤浆预热等技术,多联产能效可以进一步地提升。

  1、有助于缓解能源总量要求。联合生产多种产品,效率提高可以减少总量需求;采用高硫煤拓展了煤炭资源的利用。

  2、有助于缓解液体燃料短缺。可以大规模地生产甲醇、二甲醚、F-T合成油和氢等替代燃料,缓解石油进口压力。

  3、彻底解决燃煤污染问题。完全消除常规燃煤污染物排放,重金属等痕量污染物脱除更经济。用甲醇来采暖、小锅炉、窑炉,可大幅度减少散煤燃烧。

  4、有助于解决快速城市化引起的小城镇和农村洁净能源问题。为具有天然气管道的城镇提供城市煤气,煤制DME可以作为LPG的补充或替代物,很可能是小城镇尤其是住宅高度分散的农村地区的重要解决方案。

  5、满足未来减排CO2的需要。煤气化系统可以以较小的成本捕捉CO2。在煤的清洁高效利用方面电化共轨有很大潜力,是煤炭发展的重要方向。

  总之,依托最先进的节能和环保技术,煤炭完全可以更清洁,与环境更友好,更符合科学可持续发展的理念,我们应重新审视对煤电的认识,放心地在城市建设真正的绿色煤电。

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