清洁高效的火力发电技术分析

王磊，朱静，刘凯

（中机国能电力工程有限公司，上海 200061）

为减少火力发电厂中煤炭在燃烧过程中释放出的污染气体和水污染，清洁高效的非化石能源发电技术和在火力发电技术基础上的革新已经越发重要。

1 我国火力发电的现状分析

1.1 以煤电为主的电力结构

电力在当代社会是毋庸置疑的生活生产必需品，而在电力供给的结构组合中，火力发电则又占据了一大部分。火力发电是利用煤炭、石油和水这三种一级能源经过技术处理转化为我们日常需要的二级能源——电力能源。

在当今，清洁能源的开发和利用已经从起初的蓝图应用到当前的发电技术中，从试用到逐渐覆盖。火力发电，尤其是以煤电为主的电力结构格局在我国将是一个长期稳定的局面，这其实和我们国家的能源资源分布有着较为紧密的关系。我国拥有富集的煤炭资源，2000米基线以下的可测煤炭资源高达5～6亿吨，在世界煤电的资源总量上将近占据百分之九十的比例，但是清洁能源的使用占比只有电能生产总量构成的十分之一。而世界上其他国家，利用其国内优质的天然气资源便可实现本国的电力需求。

1.2 适合国情的火力发电

我国目前面临着长期以火力发电为主体的发电方法，除了在能源供给和需求缺口之间的矛盾，在火力发电过程中还释放出烟气和废水排放，对当前的生态环境造成了严重的污染；具体到火力发电的能源转化过程中，由于电力不能储存的特性，那么如何平衡用电峰值的高低则成为一个值得关注的问题。因此，面对以上火力发电出现的能源消耗问题、环境污染问题、技术转变问题，要转换思想，走适合我国国情的、实现可持续发展目标的火力发电结构。

因此，当前一段时期内火力发电的战略目标应为降低国内生产总值中的煤炭能源消耗的比例，降低二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物在电力生产中的排放总量，优化煤电的环境效益；调整煤电机组的结构，为防止电厂煤电机组的老旧影响生产效率，应当加大对燃煤机组的扩容提效；最关键的是调整和创新火力发电技术，如整体气化联合循环技术、循环流化床发电技术的突破等等。

2 火力发电清洁能源的分析

2.1 清洁能源的结构性分析

为了有效应对当前日益严重的能源短缺危机，清洁能源越来越为世界各国所重视，我国在火力发电的能源调配上也一改往日的单一能源结构，并逐渐向着多元化的目标稳步发展。在国内的多地实践中，随着国家的政策法规对排放标准的一再提升，产业结构发展方式的转变，多地建立起独立的发电能源模式，逐渐降低化石能源的使用容量，扩大天然气、风能以及地热能等清洁能源的使用量在整个发电能源结构的比例，以能源多样化的实现积极应对当前的火力发电存在的能源消耗问题。

比如，核能作为21世纪以来最为清洁的替代能源，已经通过当前较为新颖的核聚变技术将核能转化为电能，我国也建成八个核电站并相继投入商业运行，同时还有一定规模的在建机组未上马。核电虽然有环保、高效、低成本的资源优势特性，但是其安全问题也是不容小觑的。因此在大规模的投入运行前，核能安全的管控将是重要的技术创新区。水力资源基数大、可再生性强，水力发电也是较为流行的一种方式，但同时，目前的天然气等清洁能源的使用率与电能转化效率还远远不能与当前的电力需求匹配。需要未来在这些方面多加以研究和重视。

2.2 风力与火力发电的协调

虽然风力作为清洁能源，高效、低耗，有着广阔的市场，但是单纯使用风力发电，不能满足火电厂供电商的产量瞬时供应，因此面临着能量不确定性和能源不平衡的问题。所以，从经济角度和市场角度，发电商只采取单独的风力发电模式最终将有损效益，并存在生产预估风险。因此，可以同时利用火电、风电机组相结合的方式，既实现风能的清洁无污染的特性，又能降低火力发电废气排放的污染量，同时，规避风力发电的能量供应不稳定的风险，还能利用火力发电实现供电商的利润，可以说是一举多得。具体的，首先要考虑经济因素选择适合火电厂的风电机组，现在较为常用的是双馈感应风电机和直驱式风电机，其次完成风力和电力机组系统的结合过程，如电气接线、风电机组的监控及保护、无功补偿等操作。最后，为保证风力发电机组能够源源不断的为发电提供动力，还应当对风电机组配备升温保护等设备。

3 洁净煤火力发电技术

洁净煤火力发电技术，是指在仍使用火力发电的基础上，采取一些技术手段，降低煤炭在燃烧阶段产生的大量污染物排放。

3.1 燃料电池

燃料电池，是一种新型的清洁能源发电技术为世界各国所高度关注。其发电原理是，燃料与空气接触而氧化出现化学反应，直接将化学能转化为热能与电能的产出。燃料电池这一电力技术中更适合运用到火电厂的发电作业中的主要是MCFC和SOFC两种。SOFC是固体氧化物燃料电池，其以固态氧化钇、氧化锆为电解质，以天然气、气化煤气、碳氢化合物作为燃料，是输出电能效率最高的燃料电池，其反应原理如图1所示。

图1 SOFC的反应原理图解

燃料电池的作用主要有以下几点，首先，提高发电效率。目前我国传统的火电厂发电转化效率为百分之五十，而使用燃料电池这一新型的发电装置，其在实践中的发电效率能再提高百分之十至百分之二十的水平。其次，提高供电的稳定性。现今人们对电能的需求逐年激增，不仅如此，近年也常常发生因为洪涝灾害等自然原因，或者一些人为的原因导致城区大范围的停电事故，如2016年7月石家庄市因下雨造成的洪涝灾害，导致城区电力供应切断的事故。如果采用燃料电池这一发电技术作为我国大电网的有效补充，则可以大大提高应对灾害停电的事故的能力，降低停电对生产生活造成的生命财产风险。不仅如此，燃料电池中的PEMFC也能够实现野外医疗、救援机移动通信基站等便携式发电。

3.2 煤炭加工

燃料电池是利用的电化学反应的技术，而煤炭加工则不同，其是以物理方法为主的各种技术进行加工。首先，选煤洗选加工是煤炭加工技术的核心，可以有效地降低灰分，去除矸石，旨在从煤炭燃烧发电的源头减少SO2的污染。也是我国火电厂目前较多使用的一种发电技术。但是洗选的比例确定应当根据具体煤炭资源的特性。

除了选煤洗选加工技术，煤炭技术中有一中煤炭的集中配送技术。集中配送系统内含三大方面，一是以选煤、配煤、型煤、固硫为主要内容的综合加工技术，二是加工厂址定位、产品市场定位和煤炭配送方式结合的市场体系，三是利用计算机程序控制技术的信息管理技术，包含对用户的产品需求信息识别、系统间信息传递和最终的完成反馈。

3.3 烟气净化

目前，烟气净化也是较为常用的方式，主要包含除尘、脱除重金属、脱氮和脱硫等技术。本文仅对活性焦干法烟气净化技术加以分析。

利用活性焦干法进行烟气净化的技术对解决火电厂发电过程中污染物排放的问题有积极作用，主要有以下几点，首先根据活性焦干法烟气净化原理，其通过利用活性焦在物理结构上独特的孔隙构造，以及化学稳定性和化学特性，将氮氧化物及水蒸气进行吸附、催化及高温加热，最终析出二氧化硫，不仅如此，其孔隙的物理构造使得在脱除的过程能够将重金属离子、粉尘等污染物一同析出，大大提高入口二氧化硫、氨气、汞及粉尘的去除率（如表1）。其次，使用活性炭技术的过程中不会造成工艺水的浪费，因此也更加不会产生有关水污染方面的负担，特别适合本身水资源有限或者已经遭受一定污染的地区。除此之外，脱除出来的硫化物可以被用于进行废物利用、二次加工的形式，如用于钢厂的酸洗等。

3.4 煤炭转化

除了燃料电池这一利用化学原理用于火电厂进行清洁高效火力发电的技术之外，还有一种利用化学作用的方式，即煤炭转化。与煤炭加工这一物理方式不同，煤炭转化是指将原煤通过有机质、气化剂产生的化学反应转化为可燃气体。其操作流程如图2所示，将原料煤经气化后通过干湿法，以排除粗煤气中的污染气体，并利用高压蒸汽驱动蒸汽轮机发电，达到提高发电效率和降低污染气体排放的双赢。除了煤炭气体转化的方式之外，常见的还有煤炭液化的方法，也即生活中常使用的煤气与液化气。

表1 活性焦烟气净化的污染物脱除率

图2 煤炭气体转化的简易流程

4 结语

根据当前我国的能源分布、能源消耗、环境污染的情况，既然火力发电的供应将长期作为生产生活的主要供应源，那么在这一长期趋势和大背景下，积极的探索清洁高效的火力发电技术就显得尤为重要了。常见的新型火力发电技术，包含了煤炭加工、煤炭转化、烟气净化以及燃料电池四种，尤其是燃料电池和烟气净化，对此需要我国学者和电厂工程师继续不断钻研。

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