世界能源现状及分析——兼谈燃煤发电的发展与应用

化学化工学院 20620151152180 安晓鸣

一言以蔽之，当前全世界的能源使用结构仍然是以石油、天然气和煤三大传统能源为主，辅之以核能、风能、生物质能等清洁能源，并大力开发新能源。

石油、天然气资源将在2050年前被罄尽的看法已被公认。

由于大量碳排放导致全球气温上升，破坏生态平衡的危机，用煤的简单和直接燃烧又受到限制。

核能发电因其碳零排放和生产成本低廉的特点，一度被认为是理想的未来能源，自问世以来一直呈增长趋势。但其安全性和经受自然灾害的能力，最近又受到人们质疑。日本福岛事件后，大批核电工程项目下马，核能发展陷入停滞。

太阳能的充分利用是一条好出路，但由于占地面积大、太阳能电池的昂贵、低效和高污染，这一可再生能源当前尚难以大量开发利用。

风力和潮汐发电亦属可再生能源，但亦受地域、节气和设备投资的限制。

利用生物燃料能源有利于减少碳排放，但和粮食生产、经济作物、其它动植物争土地和空间会受到相当程度限制。几年前因生物质能大跃进导致粮食作物产量减少，推高了世界粮价，甚至在非洲酿成饥荒。

而纵观众多新能源，甲烷水合物( methane hydrate) 又名可燃冰，在海洋大陆架深处和陆上永久冻土带有相当的蕴藏量，但目前开采利用在技术上尚有困难，大规模开发利用仍是遥遥无期。

近年来如火如荼的页岩气资源，亦存在燃烧热值低、开采难度大并附带高污染等等缺陷。

总之为使人类社会健康发展，生活质量能持续改善，在新能源开发和有效利用以及节约减排上还要作最大努力。

目前世界上大规模投入运行并网发电的发电方式主要有四种，火力发电、核能发电、水力发电及风力发电。

火力发电是传统火电厂采用的发电方式，也是目前世界上发电量最大的发电方式。火力发电一般以燃煤为能源进行燃烧发电。与其他能源相比，燃煤具有热值高、储量大、易运输等优点，一般认为世界上煤资源的储量尚能满足100 ～ 200 年的需求。但是燃煤会产生大量灰渣和CO2，含硫的煤会产生硫酸，形成酸雨，更不必说燃煤带来的碳排放问题。

截至目前，全世界核反应堆的发电量约占全球总发电量的近20%，在一些工业化国家中核电占50%以上。除极个别情况外，核电站有很好的运行记录，发电的可靠性高，在正常情况下，对环境友好，无有害气体排放。但与此同时，核能发电的运行维护成本高、核废料难以处理也是无法回避的问题，如何克服民众对核能的恐慌情绪则是绕不开的坎。

水电站集蓄水、节流、防洪、发电等诸多功能于一身，在条件适宜的地区有极大的应用潜力。但是水力发电的发电量完全取决于自然因素，有很大的波动性，这就造成了极大的资源错配与浪费。另外，水电站建设对自然环境和生物繁殖也有极大影响，像黄河小浪底这样的工程应当引起我们的警醒。

风力发电近年来方兴未艾，笔者家乡就设有国华电力的风力发电厂。风力发电的前期建设需要天量的固定投资，运行维护的人力成本也居高不下，而并网运行后的发电量却具有很大的波动性，可以说是一种清洁却不经济的发电方式。此外，风力发电机组需要占据广阔的土地，在选址上极为苛刻。

我国一次能源禀赋结构是“富煤、贫油、少气”，这些因素决定了煤炭是中国能源的基础。我国一次能源以煤为主的基本格局在很长时期内不会改变，由此也决定了发电以煤电为主的基本格局。未来相当长一段时间，我国煤电面临的挑战将更加严峻，可再生能源和其它新能源尚无法替代煤电。探索和推广高效清洁的煤电技术，是解决未来煤电发展的最主要的道路。

1 大型高参数机组

“十一五”期间，国产超临界(supercritical coal-fired power generation ， SC) 、超超临界(ultra-supercritical coal-fired power generation，USC)技术成为新建电厂的主力。截至2011 年底，我国在运行的吉瓦级USC 火电机组达39 台。这些机组无论从发电效率、污染控制水平，还是从技术推广难度、经济性和可靠性来看，都是未来一段时间煤电技术发展的主流方向。高参数和大容量是提高USC 机组效率的两条重要发展方向。

2 IGCC机组

IGCC 是将煤气化与联合循环相结合的一种高效、清洁发电技术。一方面，IGCC 发电技术比起煤粉炉发电技术具有更高的效率，发展的初期小容量的效率就能与现有的USC 媲美，且对SO2，NOx 和粉尘的排放控制水平与燃机发电相当。随着技术的进一步发展，该技术的效率将进一步提升，加上其在进行CCS和多联产方面具有的优势，其竞争力将逐步得到体现。但另一方面，系统较复杂，提高可靠性的技术难度较大；造价高，目前是USC的3倍，与700℃技术的经济性比较有待深入研究。

3 循环流化床锅炉

循环流化床(CFB)最初是应用于化工领域中的一种反应器，引入电力系统后，逐渐由鼓泡流化床(BFB)锅炉发展到CFB 锅炉。CFB 锅炉采用不同于煤粉锅炉火炬燃烧的新型无焰燃烧方式，特别适用于燃烧劣质煤、难燃煤及固体废弃物，适应了我国发电行业复杂的燃料来源特点，近年来在我国得到了快速发展。未来若干年CFB 锅炉的技术发展方向，一是继续提高其设计建设和运行的经济性、环保性和安全性，二是利用CFB 锅炉燃用难燃和特殊煤种。在我国，CFB 锅炉将长期作为常规煤粉锅炉燃煤发电的重要补充，在某些领域继续得到快速发展。

4 燃煤发电机组的烟气净化技术

粉尘、SO2 和NOx 是燃煤发电烟气污染物控制中的3个最重要的项目。2012 年，新的排放标准的实施，不仅将NOx 列为了普遍的控制项目，粉尘、SO2 的排放标准也大幅度趋严，另外还增加了“汞及其化合物”限制，这带来了新的技术需求。

另外，近年在发达地区，对 PM2.5 的关注将使得作为排放源之一的燃煤电厂需在该领域做好技术准备，在控制PM2.5 具有优势的电袋除尘技术、先进的静电除尘技术需进一步研究和示范。

5 CO2捕集、利用及封存技术(CCUS)

2011年，我国燃煤电厂排放的CO2 超过3*109t，占到我国CO2 排放量的40%左右，是我国CO2 最大的排放源。在应对气候变化的大背景下，CO2 排放已成为影响我国燃煤电厂可持续发展甚至能源安全的重要问题。在众多的碳减排技术中，燃煤电厂CCUS 技术是进行大规模减排最重要的选择，而CCUS的高能耗和大规模长期封存的安全性是该技术必须解决的两个最重要的问题。

CO2捕集技术

燃煤电厂CO2捕集技术按照捕集方式主要分为燃烧后捕集、燃烧前捕集以及富氧燃烧富集。燃烧后捕集是在烟气中进行捕集的技术，一般采用化学吸收的办法，是技术最成熟，适用性最广的技术。但由于烟气压力和CO2 浓度都很低，所以这种技术的捕集和压缩能耗较大。通过开发低能耗的吸收剂、与电厂热力系统集成等方式，具有较大的降低能耗的空间。

燃烧前捕集技术主要针对 IGCC 发电技术，在气化炉后进行水煤气变换，分离成H2 和CO2，在燃烧前进行分离和捕集，是能耗较小的技术。但该技术在电厂中仅能与IGCC 配套，而且大规模富氢发电等关键技术还不成熟。水煤气变换在化工行业虽已成熟，但仍是燃烧前捕集流程中能耗占比最大的部分，因此低能耗的催化剂和工艺也是该技术发展的关键。

富氧燃烧富集CO2 技术是对现有的燃烧技术进行调整，利用高浓度的氧气替换原有的空气作为氧化剂，从而产生高浓度的CO2，然后通过深冷等方式将CO2 进行进一步纯化。这种技术能耗主要来自制氧，且需要对现有的锅炉技术进行改造。开发低能耗大规模制氧技术是该技术发展的关键。

CO2利用技术

CO2 的利用是指通过有关技术将捕集的CO2 作为原料或产品创造环境或经济效益的过程，CO2 的资源化涉及多个工程领域，包括原油开采，煤层气开采、化工和生物利用等。CO2 化工和生物利用技术是国内外CO2 利用的研究热点，但是对于燃煤电厂规模匹配度不够。CO2 增产石油技术在美国已经成熟，我国也开展了研究和小规模的中试试验，一个油田可能达到千万吨级的使用量，是燃煤电厂CO2 利用的最可能的方式。

CO2封存技术

CO2 地质封存是指通过工程技术手段将捕集的CO2 储存于地质构造中，实现与大气长期隔绝的过程。按照不同的封存地质体划分，主要包括陆上咸水层封存、海底咸水层封存、枯竭油气田封存等技术，具有大规模的封存潜力，是大规模减排CO2 的主要选择。该技术的关键是如何保证大规模封存的长期安全性。

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