常規能源的新挑戰及應對措施

文 鄭楚光

常規能源的新挑戰及應對措施

文 鄭楚光

我國能源面臨著利用效率偏低、能源安全形勢嚴峻、能源供應成本提高的巨大挑戰。因此，能源產業的改革勢在必行，清潔、低碳、高效、安全是能源革命的主要目標。

化石能源是我國能源消費的主要組成部分，其中尤以煤炭為最。當前，我國能源面臨著利用效率偏低、能源安全形勢嚴峻、能源供應成本提高的巨大挑戰。因此，能源產業的改革勢在必行，清潔、低碳、高效、安全是能源革命的主要目標。

煤炭是我國的重要能源，在我國能源消費結構中占比約為64%，而且以煤為主的能源結構將長期不會改變。煤炭既是中國能源供應的重要支撐，也是中國能源安全的重要保障。能源消費絕對量的大幅增加和以煤炭為主的能源消費結構，導致我國環境污染日益加重。環境污染、生態破壞、氣候變化已經成為壓在中國頭上的三座環境大山。

近年來，我國在污染排放控制方面取得了顯著的成果，其中以電力行業對煙塵、二氧化硫、氮氧化物等常規污染物的控制，效果尤為顯著。2014年，中國開始實施《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，實施更為嚴格的超低排放標準，即新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度，基本達到燃氣輪機組排放限值，而這一標準已經高于國際標準。但同時，霧霾、汞和CO2等非常規污染物的排放依然形勢嚴峻，影響嚴重。我國每年汞排放量約占全球總排放量的1/3 以上，其中燃煤電站排放的燃煤汞貢獻了85%以上的份額。另外，我國CO2排放量已位居世界第一，排放總量超過美國與歐洲的總和。綜上，控制燃燒氣體中非常規污染物的排放是當前一項緊迫的任務。

細顆粒物脫除技術

細顆粒物（PM2.5）富含大量有毒、有害物質，在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。我國細顆粒物的排放量從2006年的1803萬噸增長到了2012年的2087萬噸。從對我國大氣中細顆粒物源解析結果來看（圖1），細顆粒物一次排放量中，燃煤排放約占25%。從我國的煤炭使用情況來看，燃煤電廠耗煤量最大，所以燃煤電廠煙氣中細顆粒物治理成為大氣顆粒物污染治理與研究的焦點。

針對燃煤電廠顆粒物的排放控制，國際上常采用干式靜電除塵器和袋式除塵器來控制燃煤顆粒物。然而，常規電除塵對于細顆粒物，尤其是對0.1-1μm細顆粒的脫除效率較低，因此在傳統除塵器前設置預處理階段，使細顆粒物通過物理的或化學的作用團聚成較大顆粒后加以清除，已成為除塵技術研究的一個新的熱點問題。

細顆粒物團聚促進技術具有投資少、成本低等優勢，在不改變現有除塵設備和參數的前提下，不增加大型設備、不需大量投資的基礎上，提供了一種最佳效率/成本比的顆粒物排放和煙塵黑度控制方法。該技術通過在燃后區，利用化學團聚理論，增加顆粒之間的液橋力和固橋力，促進細顆粒物團聚，使細顆粒物團聚成較大顆粒團，以提高靜電除塵器對細顆粒物的脫除效率，達到用袋式除塵器置換靜電除塵器才能達到的目標，甚至超過袋式除塵器的除塵效率，達到國家頒布的最新顆粒物排放環保標準。我國能源以燃煤發電為主，具有上千座燃煤發電廠，該技術在發電行業具有廣闊的應用前景。2016年12月，在國電集團豐城電廠300MW機組進行的化學團聚現場示范，實現了煙塵的超低排放，并通過中國環保產業協會技術鑒定，整體達到國際先進水平。

圖1.全國人為源細顆粒物排放清單

汞及痕量有害元素的排放與控制

聯合國環境規劃署2013年的報告指出，2010年中國由燃煤引起的汞釋放量達254噸，約占亞洲東部和東南部的75%，占全球汞釋放總量的1/3。由燃煤釋放的汞主要來源于電力和工業生產。其他有害微量重金屬元素如砷、鉛、鎘、氟等的排放形勢也很嚴峻。然而，由于人們對細顆粒物和有害微量元素的排放規律和抑制機理的探索和認識最為膚淺，對有害微量重金屬元素相關的排放法規還很寬松或尚屬空白。

圖2.全國人為源大氣重金屬排放清單

近年來，我國的重金屬排放量逐年增加。2010年的汞、砷、鉛、鉻、鎘等重金屬排放量是2000年總排放量的3倍左右。其中，煤燃燒是重金屬排放的主要來源之一，約占38%～73% （圖2）。我國的燃煤汞污染控制面臨嚴峻的挑戰。目前的以脫硝、除塵及脫硫等設備的協同脫除不能滿足燃煤汞控制的要求，迫切需要單項脫汞技術儲備。因此，這些煤中有害元素分布富集機理的研究，不僅可以解決有害元素污染控制技術發展中亟待解決的關鍵科學問題，而且通過煤利用過程中有害元素遷移轉化機制等關鍵科學問題的研究以及防控技術的研發，能使我國在煤中有害元素環境污染控制方面形成明顯特色優勢。這也為今后建立燃煤電站砷、鎘、鈹、鈾、鉛、氟等微量元素的排放標準奠定基礎，發展微量元素的協同脫除技術。

目前，國內外汞排放控制技術的研究主要集中在三個方面：燃燒前脫汞、燃燒中脫汞和燃燒后煙氣脫汞，其中以燃燒后脫汞技術的研究最為廣泛。活性炭噴射技術是國際上公認最有效的燃煤煙氣汞釋放控制技術，但運行成本太高，而且會導致灰中碳含量增加，影響其商業化應用。

利用具有磁性的鐵氧化物或者飛灰磁選分離，得到具有磁性的吸附劑并循環利用，以及利用催化劑氧化脫除煙氣中的元素汞，將催化劑在特定氣氛下進行再生，是目前脫汞的研究方向。針對現有汞吸附劑價格昂貴、適應性差等問題，需要研發可再生高效汞吸附劑及其活化制備技術、噴射裝置與控制系統，并在此基礎上，形成具有自主知識產權的、可工業應用的汞脫除技術，形成可再生吸附劑噴射脫汞及活化再生的完整工藝流程。

碳捕集封存利用

碳捕集利用與封存(簡稱CCUS)被廣泛認為是實現化石能源利用過程中減排二氧化碳的唯一途徑，也是實現能源變革的戰略性支撐技術之一。政府間氣候變化專門委員會（簡稱IPCC）認為，沒有CCUS技術，將很難完成碳減排任務。從“十一五”開始，我國政府高度重視應對氣候變化和二氧化碳減排工作，在CCUS領域先后部署了“973”“863”“國家科技支撐計劃”等一系列重點研究任務。

燃燒前、富氧燃燒、燃燒后捕集CO2是目前主流的三種方法。其中，富氧燃燒技術具有相對成本低、易規模化、適于存量機組改造等諸多優勢，被認為是最可能大規模推廣和商業化的CCUS技術之一。該技術用高純度的氧代替助燃空氣，同時采用煙氣循環調節爐膛內的介質流量和傳熱特性，可獲得高達90%～95%體積濃度的富含CO2的煙氣，從而以較小的代價冷凝壓縮后實現CO2的永久封存，是一種易于為電力工業界所接受的大規模捕集CO2的新型燃煤發電技術。與此同時，煙氣再循環使得燃燒裝置的排煙量大為減少（僅為傳統方式的1/4～1/5），從而大大減少排煙損失，鍋爐熱效率得以顯著提高。此外，這種新型燃燒方式還具有高效脫硫、脫硝的效能，可望成為一種污染物綜合排放低的環境友好型的燃燒方式。從經濟角度看，雖然氧燃燒系統中需要增加花費較高的空分裝置，但由于無需增加昂貴的煙氣凈化裝置，節省了凈化成本，加之CO2的資源化利用，因此在經濟上是可行的。

目前，華中科技大學在富氧燃燒的研發領域具有引領優勢，已完 成 了“0.3MW-3MW-35MW-200MW”的技術放大路線圖，實現了“富氧燃燒-空氣燃燒兼容”的創新性設計理念。

未來煤燃燒的基礎研究和技術開發的挑戰和使命，是對于燃煤釋放的非常規污染物排放的控制。應開展煤燃燒排放區域大氣顆粒物和重金屬的健康風險評價，探索相應的健康風險模型，建立相應的衛生標準，有針對性地制定干預措施；研究控制技術實施前后大氣顆粒物和重金屬人群健康風險的實際情況，論證控制技術對于生態系統和人群健康的影響。

鄭楚光：華中科技大學教授