《一、前言》

一、前言

《(一)中国煤炭利用的结构特点》

(一)中国煤炭利用的结构特点

按发电煤耗法计算,煤炭占 2016 年中国一次能 源消费总量的 62 % 和生产总量的 69.8 %。在美国、 欧洲等许多发达国家,集中式大规模发电是煤炭利 用的主导方式(主导意味着至少 75 % 以上)。而中 国煤炭利用的结构则更为多元化。如图 1 所示 [1], 2016 年中国统计范围内的煤炭在最终去向上,仅 58.4 % 用于集中的电、热生产(发电约 52 %,供热 约 6.4 %);约 33 % 用于工业及建筑业,包括工业 锅炉、窑炉的直接燃烧利用(约 17 %)和作为钢铁 生产原料为主的焦炭利用(约 16 %);其余约 8.6 % 作为民用散烧煤,并以乡村生活消费为主。

《图 1》

图 1 2016 年我国煤炭直接消费流向图

 

总体上,燃烧利用还是中国煤炭利用的主导方 式(超过 80 %)。但其中除了用于集中式大规模发 电外,还有相当部分用于分散式工业、民用燃料。

《(二)发展煤炭清洁燃烧技术的重要意义》

(二)发展煤炭清洁燃烧技术的重要意义

从生态环保角度,国家层面有严格控制煤炭利 用规模、持续降低煤炭在一次能源中占比的长远预 期。例如,国家发展和改革委员会以及国家能源局 提出 2050 年非化石能源占比超过一半 [2]。戴彦德 等 [3] 提出的重塑中国能源情景下,2050 年非化石 能源占比达 55 %,煤炭占比降至 20.1 %(按发电煤 耗法计算)。在此背景下,当前严重的大气污染问 题进一步催化了社会上的“去煤化”浪潮。

但考虑客观实际,必须意识到近中期煤炭仍是 中国的主力能源。过激、过度的“去煤化”会严重 影响到电、热等基本能源的供应保障和安全。根据 我国国情,近中期要更努力地发展更清洁的煤炭燃 烧技术。正如在 2015 年中央一季度经济工作会议 上,习近平总书记就煤炭清洁利用发表讲话指出: “我们正在压缩煤炭比例,但国情还是以煤为主, 在相当长的一段时间内,甚至从长远来讲,还是以煤为主的格局,只不过比例会下降。我们对煤的注 意力不要分散。而要考虑煤怎么用好,重点考虑利 用新技术解决煤炭清洁燃烧问题”[4]。此外,中 国工程院的推动能源生产和消费革命战略研究提出 2050 年煤炭占比控制在 40 % 左右 [5],这也是主要 从国家能源安全角度考虑的结果。

《二、研究方法》

二、研究方法

技术路线图是国际上广泛采用的,支持战略 规划发展与实现的工具 [6]。近些年,技术路线图 被广泛应用于公司战略 [7]、科技创新 [8]、能源规 划 [9]、城市建设 [10] 等领域。国际能源署 2014 年推出了技术路线图指南 [11],提出:路线图清 楚地概述了任务之间的联系以及近期、中期和长 期行动重点。一份完整的技术路线图包括目标、 里程碑、差距和障碍、行动项目、优先事项和时 间表等。中国与技术发展相关的五年规划和战略 文本,也可认为是技术路线图的国情特色表述形 式。一般包含现状问题、战略思路和目标、战略 任务和保障措施等。

但目前,国内外关于煤炭清洁燃烧技术路线图 的研究相对缺乏。2015 年 1 月以来,围绕煤炭清洁 燃烧的技术路线图问题,“煤炭清洁技术发展方向 研究及发展路线图”课题(中国工程院咨询项目“我 国能源技术革命的技术方向和体系战略研究项目” 的课题 6)组织了国内煤炭清洁燃烧领域的权威专 家,进行了两年多(到 2017 年 11 月)的研讨,最 终提出了如下关于战略思路和目标、国内外技术现 状、未来技术方向、重点领域和关键技术的认识。

《三、研究结果》

三、研究结果

《(一)战略思路和目标》

(一)战略思路和目标

发展煤炭清洁燃烧技术的战略思路和目标为: 一方面要吸收国外的经验,尽量将煤炭集中到便于 实现清洁燃烧的大规模发电领域。同时也必须考虑 我国国情和国策,高度重视在中小容量燃煤装置中 应用高效、清洁和低成本的技术。

这一方面是参考了欧美等发达国家煤炭主要用 于大规模集中发电的经验,另一方面也是出于对国 情国策的考虑:近年来煤电行业的环保努力已经对大气污染减排做出了突出贡献,煤炭环保工作的焦 点已经转移到了工业和民用燃煤上。

《(二)国内外技术现状》

(二)国内外技术现状

截至 2016 年 10 月,围绕六类煤炭清洁燃烧相 关技术的国内外技术现状的调研结果为:

(1)燃煤工业锅炉:约 85 % 为链条炉,平均 单炉容量低,装备总体水平差,运行效率低,平均 热效率仅为 60 %~65 %,比国际先进水平低 20 %, 并缺乏有效的污染物控制手段。

(2)民用散煤(一产、三产和生活部门):比 较而言,国内技术基础较为薄弱,甚至连民用散煤 的统计数据都难以取得一致认识。

(3)超超临界技术:中国 600 ℃一次再热机组 的供电煤耗和供电效率已经世界领先;600 ℃二次 再热机组全球约 25 台,中国已投运 6 台;650 ℃机 组全球仅俄罗斯开发了 1 台 SKR-100 机组;700 ℃ 机组全球尚在研发,国内也已开展科研项目。

(4)煤电污染物控制技术:在大气污染物控制 上,中国总体已经达到世界先进水平,有些方面甚 至领先;在废水控制上与国外基本相当,但废水零 排放尤其是脱硫废水零排放相对落后;在固体废物 控制上,粉煤灰和脱硫石膏的大宗综合利用世界先 进,但高附加值精细化利用相对落后。

(5)煤电深度节水技术:在褐煤取水方面,国 内外均处于研发示范阶段。国内已在 10 个以上火 电机组开展技术应用论证。在烟气水回收方面,冷 凝水回收技术已在瑞典 Karlskoga 热电厂实际运行, 国内有 4 台 660 MW 超超临界机组开展工程设计。 膜法水回收已在国外燃气电站实现商业化应用,国 内仍处于研究阶段。

(6)碳捕获和封存 / 碳捕获、利用和封存(CCS/ CCUS)技术:国际上大部分技术不同程度地处于 理论研究、试验研究、工业示范和小范围商业性运 作阶段,尚处于“特定条件下经济可行”阶段。国 内在二氧化碳的运输管道建设上、化学链燃烧等前 沿技术的基础研究上,与美国等发达国家相比还较 为落后。

总体上看,中国在超超临界、煤电深度节水和 煤电废物控制等技术领域已处于世界先进甚至领先 的水平,虽然仍有部分技术和关键设备需要进一步 研发或改进。与此同时,在燃煤工业锅炉、民用散煤和 CCS/CCUS 等方面,亟待缩小与国外技术发展 的差距。

《(三)未来技术方向》

(三)未来技术方向

基于上述现状和技术需求,现提出未来技术方 向如下:

(1)燃煤工业锅炉:推动工业锅炉向大型化、 智能化发展,提高自动化水平。鼓励企业使用节能 型低排放循环流化床锅炉、尾部烟气脱硫 / 除尘 / 脱氮一体化的链条炉等先进适用的清洁高效燃煤工 业锅炉技术。与此同时,通过以气代煤、以电代煤 以及深度挖掘工业余热利用和废弃物循环等减少工 业锅炉的燃煤量。

(2)民用散煤:深入推进优质煤 / 洁净型煤集 约化生产、销售、使用。建立集中生产配送系统, 包括生产配煤中心、供应网络、农村配送体系、先 进民用炉具供应平台等。推广民用解耦燃烧技术。 与此同时,因地制宜推进以气代煤、以电代煤和以 可再生能源代煤。

(3)超超临界技术:继续发展完善和推广应用初 参数为 600 ℃ /610 ℃ /620 ℃,单机容量为 1 000 MW 级的二次再热超超临界机组;加快研发和应用适用 于 600 ℃、二次再热超超临界燃煤机组的高低位错 落布置技术;尽快开展 650 ℃机组的研究和示范工 作,并及时推广应用;开发 700 ℃机组耐热合金 材料,对 700 ℃机组的关键部件进行试验验证,开 发 700 ℃机组的主要设备和辅助设备,争取建设 700 ℃超超临界机组示范工程,全面掌握 700 ℃超 超临界机组技术。

(4)煤电污染物控制技术:在废弃物控制上, 发展更高性能、更经济的新型污染物控制技术和多 污染协同控制技术;在废水控制上,发展脱硫废水 的“常规处理 + 预处理 + 蒸发结晶”技术;在固体 废物控制上,发展利用脱硫石膏改良土壤(已成功 改造 20 万亩)、高铝粉煤灰生产氧化铝等。发展脱 硫石膏和粉煤灰的精细化利用,生产高附加值产品。

(5)煤电深度节水技术:在空冷电厂广泛应用干 除灰、干除渣、辅机空冷等成熟技术;建设 600 MW 机组褐煤取水和烟气取水示范工程,并推广应用。

(6)CCS/CCUS 技术:继续开展捕获、利用技 术的研发和示范;尽快推进二氧化碳运输管道体系 建设和区域源汇匹配的全流程工业示范。

《(四)重点领域和关键技术》

(四)重点领域和关键技术

结合经济、社会发展趋势,在上述方向中进一 步凝练出的重点领域为:①优化终端燃煤,在控制 工业锅炉和民用散煤的燃煤使用规模的基础上,迅 速提高燃煤工业锅炉的能效和排放性能,大力提升 民用散煤的煤质和利用水平;②提高煤电效率,以 高效超超临界技术为主攻方向;③煤电灵活调峰, 在保证锅炉燃烧效率的同时,一定程度上解决电力 调峰问题;④发展绿色煤电,实现煤电废气超低排 放、废水近零排放、固体废物全部综合利用,促进 煤电深度节水,推进煤电低碳化技术攻关。

围绕上述重点领域的关键技术包括:①先进燃 煤工业锅炉,民用优质清洁煤炭和炉具;②二次再 热超超临界、汽轮发电机组新型布置技术、650 ℃ 及 700 ℃超超临界机组研发示范;③热电解耦运 行、电站运行优化技术;④煤电深度节水、废气超 低排放、废水零排放、固体废物大规模利用技术; ⑤二氧化碳管网建设和捕获 / 利用先进技术;⑥加 强系统集成,探索近零碳排放、清洁高效、节约资 源的全新一代煤电技术。

《四、技术路线图》

四、技术路线图

在上述认识基础上,最终绘制的 2050 年前煤 炭清洁燃烧技术路线图,如图 2 所示。其核心是要 围绕四大重点领域,分阶段推进各类关键技术的科 技攻关、示范推广和产业化。此外,为在 2050 年 前实现新一代绿色煤电技术的颠覆式创新,从现在 起就应加强围绕耦合 CCS/CCUS、可灵活调峰以及 集成其他先进技术的近零碳排放、清洁高效、节水 的新型绿色煤电技术及系统的基础性研究。

《图 2》

图 2 2050 年前煤炭清洁燃烧技术路线图

 

《五、实施建议》

五、实施建议

为促进技术路线图实施,现提出五条战略建 议:

(1)加强宣传,使全社会充分认识到煤炭对于 我国能源安全的基础性作用。避免过度“去煤化”和 “谈煤色变”可能带来的潜在重大风险。

(2)规划引领,切实提高煤炭用于集中发电和 供热的比重。通过五年规划目标引导,使煤炭用于集 中发电和供热的比重 2030 年至少高于 65%,2050 年达到 75 % 以上,从用煤结构上保障清洁化。

(3)加快在中小型燃煤工业锅炉中应用一批新 型循环流化床技术,从源头控制工业燃煤污染。通 过相对简易的工程措施和无需改变煤种,实现低监 管要求的、稳定可靠的燃煤工业锅炉清洁化(尤其 是 100 t/h 以下规模)。

(4)加快在民用散烧领域推广一批优质型煤和 专用炉具,减少民用源的分散式污染排放。

(5)重视基础研究,加快推进一批面向未来的 绿色煤电技术颠覆式创新的国家重点研发专项。

《六、结论和展望》

六、结论和展望

本文对中国煤炭清洁燃烧技术的重要意义以及 技术路线图相关的若干重要问题进行了初步探讨, 提出了面向 2050 年前的煤炭清洁燃烧技术路线图 以及促进技术路线图实施的五条战略建议。

总体来看,本文虽然对煤炭清洁燃烧技术路 线图提出了相对系统的分析和建议。但考虑到中国 能源长期发展和能源技术创新所面临的诸多不确定 性,希望在今后研究中能够进一步发展完善和不断 更新该技术路线图,以促进煤炭清洁燃烧技术的健 康发展和可持续发展。