看各国怎样把“煤球”做成白的清洁煤大气治理唱主角

2016-05-03本刊主笔刘国伟

环境与生活 2016年4期

◎本刊主笔刘国伟

◎本刊主笔刘国伟

位于美国密西西比州坎普县的碳捕获和存储工程，可分离电厂和储存煤电厂排出的二氧化碳，按计划于2016年投入运营。来源：维基百科网站

在今年两会上，环保部部长陈吉宁说：“过去人们一说到煤炭就感觉很脏，现在要为煤炭正名，煤炭清洁利用其实可以比天然气更环保。”煤炭的清洁利用主要包括燃煤电厂的超低排放、燃煤设备的提升改造和民用散煤的管理和煤质的改善等领域。“十三五”期间，煤炭清洁高效利用，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，是能源领域的八大重点工程之一。这里，我们先来盘点一下清洁煤技术的国际趋势和走向。

17世纪后半叶，威尔士和诺森伯兰郡的煤炭点燃了英国工业革命的火焰。300多年后的今天，煤炭仍然在人类能源结构中占据着重要地位，但是煤炭的大量消耗，也给人类带来了巨大的环境压力。目前，煤炭的清洁高效利用已经成为各国环境保护的重要目标，清洁煤（也称洁净煤）一词更是成为空气污染治理领域的热词。

清洁煤概念中外有别

一个世纪以来，“清洁煤”的概念在世界上被多次提及，但其内涵和外延变化很大。

1918年，美国著名煤矿公会领导人弗兰克·基尼发表的演说词里，把清洁煤简单地称为“没有烟尘和杂质”的煤炭。二战前，美国有些地区把家庭取暖和做饭用的优质无烟煤，称为清洁煤。20世纪80年代初，美国和加拿大为解决两国边境酸雨问题谈判时，两国用清洁煤一词，来表达用技术控制以减少煤炭污染的理念。

20世纪之初，清洁煤的概念再次发生变化。2009年以来，国际知名媒体不约而同地把清洁煤解释为“利用技术手段缓解煤炭使用中（主要指燃煤发电）排放二氧化碳等温室气体的流程或方法”。从中我们可以体会出，发达国家已经把清洁煤概念的核心从污染控制转向了应对气候变化。

中国对清洁煤有自己的定义。煤炭在欧美发达国家主要用于发电，中国则除了燃煤发电，还有大量散煤用于取暖和做饭。中国普通民众最关注的，还是烧煤带来的颗粒物以及硫、氮氧化物污染，和由此引发的严重雾霾。所以，我国的国情决定了“清洁煤”的概念，涵盖了从煤炭开采到利用的全过程，是旨在减少排放、提高能效的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等技术的总称。

美国致力于“黑煤变绿煤”

作为现代清洁煤概念的发起国之一，美国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，目前出产的煤炭基本用于发电。美国十分重视清洁煤发电技术的研究，从1986年到2000年期间，美国通过推行清洁煤技术示范计划，先后建成了5座整体煤气化联合循环（简称IGCC）示范电站，已有13项取得初步商业化的成果。美国能源部对IGCC示范电站的资助比例均在50%以上，有的高达80%以上。21世纪初小布什总统主政美国后，美能源部拿出了新一轮清洁煤创新发展计划（CCPI），致力于近零排放的煤炭发电厂研究。这种电厂可同时生产电力和氢气，并进行二氧化碳的分离和储存，发电效率达到50%至60%，可实现包括二氧化碳在内的污染物近零排放，并根据市场需求调节发电和制氢的比例。此后的奥巴马政府也大力发展清洁能源。从能源战略角度来看，美国对清洁煤技术的重视程度远高于日本和欧洲等发达国家。

德国技术领先欧盟他国

欧盟国家的清洁煤项目主要体现在常规能源技术示范方案“兆卡计划”中。近些年来，欧盟研究开发的项目有IGCC、煤和生物质及废弃物联合气化、循环流化床燃烧（简称CFB，当前主流清洁煤燃烧技术）、固体燃料气化与燃料电池联合循环技术等。在欧盟的支持下，荷兰和西班牙的两座IGCC电站早在1994年和1997年就建成并投入运行，参与的国家有荷兰、德国、西班牙、法国等，IGCC示范电站所采用的技术也全部来自欧盟国家。

在欧盟清洁煤技术应用中，德国的技术领先优势尤为突出。在煤炭燃烧处理上，德国重视煤炭的富氧燃烧，使煤炭燃烧后的气体中几乎没有氮氧化物，只剩下高纯度的二氧化碳，然后再通过碳捕获和存储（CCS）将二氧化碳注入地层中。2009年，位于德国德累斯顿东北的施瓦茨蓬普发电厂投入运营，这个示范项目在同类工程中属世界首例，使用富氧燃烧器烧煤发电，每年捕获约10万吨二氧化碳，随后将之压缩，埋藏到200公里外已经枯竭的阿尔特马克天然气田表面以下3000米的地方。该项目耗资7000万欧元，能够输出12兆瓦的电力和30兆瓦的热能，以供应1000多户家庭使用，体现了较高的实用性。

煤炭在发达国家能源结构中的地位不断下降，目前主要用于发电。图为2015年底英国最后一座深层煤矿凯灵利矿井关闭，矿工们相拥告别。来源：商业内幕网

碳捕获和存储系统运行示意图。从1到10依次为锅炉、蒸汽涡轮发电机、固体颗粒移除、去硫化、冷却装置、吸收器、汽提塔、二氧化碳压缩、注入和存储来源：美国《连线》杂志官网

核事故让日本青睐清洁煤

上世纪末，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）开展了煤炭洁净高效地转化为电力及液体和气体燃料的研究。2010年福岛核事故发生后，为了弥补能源缺口，日本煤炭消费进入新一轮快速增长。2014年日本内阁通过新的《能源基本计划》，明确了推动煤炭清洁利用和高效发电的战略方针，提出要通过老旧电站改造和新电站建设新型发电技术的推广，加强IGCC技术研发。

2015年6月，日本成立由政产学各界组成的“促进新一代火力发电技术协会”，开始举全国之力推动下一代火力发电清洁高效利用技术的开发。按照日本经济产业省公布的技术路线图，日本将在2020年初期掌握IGCC技术，将煤炭整体转化为气体进行燃烧，使二氧化碳排放量减少约两成。在2025年掌握煤气化燃料电池联合发电技术（IGFC）技术，该技术可利用煤炭中的氢元素进行燃料电池发电，从而使二氧化碳排放量减少约三成。

中印清洁煤技术急起直追

美国在1986年3月推出的清洁煤技术示范计划（CCTDP）来源：国家核电——《“十三五”洁净煤领域发展动态》

清洁煤项目在发达国家遍地开花，以中国和印度为首的发展中国家也正急起直追。与发达国家主要用于发电相比，发展中国家更多地把煤炭用于供暖，除了碳排放造成的温室效应，颗粒物及硫、氮化合物的污染控制，更是发展中国家的当务之急。

印度将近2/3的电力来自煤炭，有报告预测，直到2030年，燃煤电厂仍将是印度能源结构的主导力量。2001年，印度建过一座53兆瓦的IGCC示范电站。印度电力部长皮尤什·葛亚尔表示，从2017年开始印度所有新建燃煤电厂将使用清洁煤技术，到2022年将清洁煤的比例提升到24%。但是印度在这方面有很大的资金缺口。

煤炭大量消耗给中国环境带来巨大压力，可以说清洁煤技术是解决中国能源问题的必然选择。在清洁煤成为今年两会热词之前，我国“十二五”期间已经在高性能煤电机组、循环流化床、分级燃烧（可大大减少氮氧化物生成）和碳捕获存储等方面，取得了重大进展。华能集团在天津的IGCC电站示范工程于2012年建成，这是中国首座煤气化联合循环电站，但是也面临要克服运行不稳定和成本高的问题。国内还有多个地区计划建设IGCC电站。

值得一提的是上海外高桥第三发电厂，其被国际能源署赞为“世界上最清洁的火电厂”。美国工程机械师协会学术论坛执行主席也公开表示，外高桥第三发电厂的成就证明了“世界上最好的在网燃煤发电厂在中国”。按照我国最新实施的、比欧美更严格的《火电厂大气污染物排放标准》，外三电厂的排放远低于“史上最严”新国标，其发电效率也已超过了美国。

2020年，全国机组均要超低排放

德国施瓦茨蓬普发电厂是世界首个使用富氧燃烧煤炭之后捕获和存储二氧化碳的清洁煤工程。来源：西门子公司官网

NEDO（新能源产业技术综合开发机构）在日本清洁煤技术研究中发挥了重要作用。来源：中日环境论坛2015文件《日本清洁煤技术研究今后的发展》

2015年12月2日国务院常务会议决定，在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，使所有现役电厂每千瓦时平均煤耗低于310克、新建电厂平均煤耗低于300克。这个决定标志着，煤电超低排放的政策和标准，在国家层面获得认可和大力推广。

2016年1月15日，环保部、国家发改委、国家能源局联合召开了加快推进全国煤电超低排放和节能改造动员大会，全面部署煤电超低排放和节能改造工作。国家发改委副主任、国家能源局局长努尔·白克力指出，加快推进煤电超低排放和节能改造，是保障我国能源安全的必然选择……要明确目标，形成共识，把对东部地区的要求扩展到全国有条件地区，东部地区的改造任务提前到2017年前完成，中、西部地区也要分别在2018年前、2020年前完成。到2020年，全国具备条件的机组都将达到超低排放。环保部部长陈吉宁表示，全面实施煤电超低排放和节能改造，是一项重要的国家专项行动。面对时间紧、要求高、任务重的客观形势，各地要切实将如期完成改造任务作为完成约束性减排目标的“压舱石”，作为推进环境质量改善的硬任务，毫不动摇地抓紧抓实抓出成效。

在未来相当长时期内，煤炭消费仍然是中国能源消费的大头，也是世界很多国家能源结构中不可或缺的主力军。清洁煤技术可以说是下一场环境技术革命中的重头戏，中外科技人员的多年努力已经让我们看到了曙光。