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中国电力的清洁化之路(上):干净的煤炭发电
电池王 7个月前

2018年,中国全社会用电量达到68499亿千瓦时,口径发电量69940亿千瓦时。在这接近7万亿度的发电和用电量背后伴随的是中国电力来源不断向着清洁化迈进的努力,换而言之,我们的用电量以每年8%以上的速度增长,但是这些电反而更干净了。
中国电力的清洁化通过几个维度来展开,包括继续降低火力发电方式的污染、提升清洁能源发电量占比、大规模投入发展开启人类下一个世代的终极能源等。
因此本文将分为上中下展开,即第二段涉及到的这三个部分,因此第一篇首先来讲中国的火力发电,第二篇讲可再生能源,第三篇讲核聚变。
还是根据2018年的用电量数据,在全国口径发电量中,火力发电量占到70.39%,属于绝对的大头。但如果你跟一个普通人说火力发电,那么绝大部分人会联想到煤炭,黑烟,污染等关键词,也就说在大部分人的概念里,我们国家的主要电力来源是不干净的,是有原罪的,甚至烧煤要比烧油要罪过的多。然而事实并非如此,现在的火力发电技术远比人们想象的要干净的多。
在中国,火力发电绝大部分是煤炭发电,极少部分燃油、燃气、煤矸石、生物质和垃圾发电。因此在火力发电技术的研发上,主要集中在煤炭发电。
如何降低煤炭发电的污染?
思路其实不复杂,首先是降低煤炭耗率,用更少的煤发更多的电;其次是降低燃煤污染物的排放,各种脱硫脱硝措施往上怼,发电厂排污一超标就倒霉一群人,尤其是在2014年之后,还颁布了专门的超低排放指导性文件,要求在2020年前完成火力发电的排放改造。
关键词:超临界、超超临界
火力发电的本质是烧开水,无论是煤、燃油、天然气还是生活垃圾,把水烧开了,推动蒸汽轮机旋转再带动发电机,这电就来了。
一个关于火力发电厂的基本知识:锅炉主蒸汽温度越高,发电时浪费的热耗率就越低。
换个易懂的说法就是,开水烧的越烫,整体发电效率越高,效率越高意味着什么?意味着同样一度电需要更少的煤炭,煤炭消耗量少了,碳排放和污染物排放总量自然就少了。这是减排的第一步,减排第二步是进一步降低污染物排放,这个后面展开。
蒸汽温度越高效率高,那么多高才叫高?
这里就要引入一个概念,水的临界点,水在临界点下的压力和温度分别是22.129兆帕和374.15摄氏度,在这个状态下,液态水和水蒸气的密度是相同的,所以才叫临界点。就是不管往上还是往下,往左还是往右,密度都一样大。
22.129兆帕什么概念?218个标准大气压力,足够把人压成......反正肯定看不出来是个人。
如果锅炉里的水和水蒸气压力低于这个临界点,就叫做亚临界锅炉/机组;大于这个压力自然就是超临界锅炉/机组;压力非常大,大的很厉害,就可以叫超超临界锅炉/机组,就是比超临界还厉害的意思。
几个工业大国对超超临界的起始温度和压力有着不同的定义,比如日本认为是24.2兆帕/593摄氏度,丹麦是大于27.5兆帕,我国则是27兆帕/580摄氏度。不过在实际运行过程中,我们国家的超超临界机组大多是600摄氏度左右的蒸汽温度。
亚临界机组到超临界机组再到超超临界机组,需要的是系统性的改进和优化,从锅炉到汽轮机到发电机,再到再热系统,温度几十成百度的上升,光是材料这一块就面临巨大的挑战。
比如德国在一开始发展超临界发电机组的时候设定了很高的温度和压力指标,结果因为耐高温材料不稳定等原因,在实际运行过程中降低了这两项指标,在后续材料获得突破之后才陆续提升发电机组锅炉的温度和压力值。
从整个超临界机组在全世界发展的时间脉络来看,欧美俄普遍起步于上世纪六十年代,中国在这方面起步挺晚的,但已经后来居上。
要讲超临界和超超临界技术在中国电力行业的发展,这里就不得不提到上海外高桥电厂,按照建设时间不同,外高桥电厂分为一厂,二厂和三厂。作为全国最早按照新厂新模式建设的现代化电厂,外高桥一厂的四台30万千瓦亚临界火电机组在当时就属于全国电力行业的标杆机组,各项主要经济和环保指标都是相当先进的。
虽然中国的第一批超临界机组落在了和外高桥电厂一江之隔的上海石洞口发电厂(2*60万千瓦),但外高桥电厂拿下了更为重要的第一:第一个在全球范围内实现280克/千瓦时以下的供电煤耗率。
如果开车沿着上海外环从宝山过隧道进浦东,出了隧道之后不久就能在你的左侧看到一字排开的外高桥电厂8台发电机组,从亚临界到超临界,再到全球标杆的百万千瓦级超超临界机组,一应俱全。
外高桥三厂的2台百万千瓦级超超临界机组在2008年投产,当年就实现煤耗率286克/千瓦时,这一年全国火电机组平均供电煤耗是多少?349克/千瓦时,外三的这两台机组在煤耗率上足足整个行业近20%。
在投产之后,外三电厂组织技术力量继续改进攻关,在2013年首次实现276克/千瓦时的煤耗。
在欧美电力行业,被认为技术最强的燃煤发电厂是丹麦的Nordjylland电厂3号机组,采用二次再热超超临界技术,配合超低温海水冷却,实现286克/千瓦时的供电煤耗,这个参数,比外三电厂落后整整10克/千瓦时,而这已经够得上一个燃煤发电机组的代差了。

从外三电厂、华能玉环电厂开始,中国开始了超超临界组的建设浪潮,主要分为2个功率档次:60万千瓦和百万千瓦。截止到2018年底,光是百万千瓦级超超临界机组就已经达到111台。
如此大规模的建设超超临界机组带来了什么?
大量技术老旧,发电功率和效率双低的发电机组被关停,为此还有专门有一个四字词来形容这件事:“关停并转”。有新机组用了,老的不环保机组自然就可以停用了。
在数据上同样可以看出成效, 2008年全国煤电供电煤耗为349克/千瓦时,2010年全国煤电供电煤耗为333克/千瓦时,到了2014年全国煤电供电煤耗减少至319克/千瓦时。到2018全国煤电供电煤耗达到了307克/千瓦时,一个明显的线性递减过程。
前面提到,丹麦的Nordjylland电厂3号机组采用了一种叫做二次再热的技术,这项技术在中国同样没有缺席,国电集团在江苏泰州电厂的2台百万千瓦超超临界燃煤机组就使用了二次再热技术,供电煤耗多少?265.75克/千瓦时,比外三电厂此前创下的纪录更低。而且超超临界二次再热发电机组已成为我国新建600~1000MW等级火力发电机组的首选技术。
另外,超超临界技术在中国的深度发展还给旧机组改造带来了春天,一个比较成功的案例是华润徐州电厂32万千瓦燃煤机组,在外高桥三号电厂冯伟忠教授的研究下,实现“高温亚临界”技术改造。煤耗率降低至287克/千瓦时,改造过程此处不再赘述。
中国煤炭发电对煤耗率的降低就到这了吗?当然不是。
更高参数的630℃、760℃等级超超临界发电技术已经在研发中,供电效率预计可以突破50%,供电煤耗继续降低到250克/千瓦时以下......
超低排放
不可否认的是,火力发电所产生的二氧化硫、氮氧化物和其他颗粒物曾经确实是造成我国空气污染的重要源头,尤其是在山西、内蒙一带,当地不仅铲煤,也是火力发电厂的聚集地。尤其在冬天开始供暖之后,燃煤所带来的污染尤其严重。
因此,控制污染物排放一直是中国火力发电行业的工作重心,措施主要分为三部分,首先是降低煤炭含硫量,从1990年开始,全国燃煤电厂开始改烧低硫煤,到2000年,火电厂煤炭含硫量从十年前的1.2%降低到1%,减少16.7%。

其次是关停小火电机组,从1997年到2004年,全国关停小火电机组3500万千瓦,根据测算,关停5407万千瓦小火电机组,每年就可以减少二氧化硫排放106万吨,一个数据参照是2010年全国煤炭火力电厂的二氧化硫排放总量是520万吨。相关省份比如陕西已经规定,到2020年底前关停所有20万千瓦以下小火电机组,这一举措的搭配就是上一章节提到的百万千瓦级超超临界机组的大规模建设,先进产能替代落后产能,并且依靠新机组更低的煤炭消耗来拉回建设成本。
在以上两个举措之下,中国煤炭火力发电的污染物排放总量依然很高,因为发电总量太大了,在其他发电方式发电量没有上来的情况下,火电还得继续挑大梁,那污染物控制怎么办?
八个字:超低排放改造措施。
从2014年开始,中国就对燃煤机组采取超低排放改造措施,前面第一章节提到对降低供电煤耗只是其中一部分,超低排放改造更多的是对污染物进行直接控制。
先说要求,根据《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020 年)》文件,到2020年,全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排 放(即在基准氧含量6%条件下,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米)。全国有条件的新建燃煤发电机组达到超低排放水平。加快现役燃煤发电机组超低排放改造步伐,将东部地区原计划2020年前完成的超低排放改造任务提前至 2017 年前总体完成;将对东部地区的要求逐步扩展至全国有条件地区,其中,中部地区力争在 2018 年前基本完成,西部地区在 2020年前完成。
成果如何?
根据英国《自然·能源》杂志在今年10月7日发表的学术论文《超低排放标准出台后,中国发电厂实现大幅减排》,自2014年以来,中国针对燃煤火电机组采取的超低排放改造措施已经取得显著成效。
论文里提到,通过研究发现,2017年中国所有类型火电机组的二氧化硫、氮氧化物和其他颗粒物的排放量较2014年大幅下降,降幅分别达到65%、60%和72%,目前中国火力发电的污染物排放水平已经远低于世界平均水平,三大污染物整体排放量已经整体下降超过60%。(下图)

美国学术媒体《科学日报》的报道中表示,中国的燃煤机组排放要求(即在基准氧含量6%条件下,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米),领先世界,是近乎燃气轮机发电机组的标准。
论文中提到,在中国发电量持续增长的情况下,二氧化硫、氮氧化物和其他颗粒物排放量从2014年的221万吨、331万吨和52万吨分别下降到77万吨、126万吨和14万吨,截止到2018年底,完成改造的煤电机组装机量超7亿千瓦。
而根据中国电力企业联合会的统计,2012年至2017年5年间,在全国煤电装机增幅达30%的情况下,电力二氧化硫、氮氧化物、烟尘排放量下降幅度达86%、89%、85%。
甚是在一条报道这条新闻的微博下面有相关从业人员提到,因为中国火电厂脱硫脱硝太彻底,自己失业了......
那么这个论文的数据靠谱吗?


这篇论文的研究小组是一个中英联合学术小组,他们在中国构建了一个覆盖中国96%-98%火力发电装机容量的持续排放监测网络,进行检测。值得注意的是,这个检测网络和其配套的高精度数据库相比传统的排放检测方法要精确的多,传统的检测数据在很多情况下都高估了排放减少量。
还是根据《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020 年)》文件,为了实现上面提到的超低排放,对于达到超低排放要求的机组,2016年1月1日前已经并网发电的,对其统购上网电量每千瓦时加价1分钱,2016年1月1日后并网运行的新建机组,对其统购上网电量每千瓦时加价 0.5分钱。
一年几百亿人民币的排放补贴,我认为,值。
“煤电行业超低排放改造的经验和成效已经开始推动钢铁等其他行业减排升级,下一步将持续提高煤电先进超低排放、节能技术和装备的研发应用力度,提升设备的稳定性、可靠性和经济性,进一步减少电厂对生态环境的影响。推动煤电超低排放和节能先进技术推广应用到其他燃煤行业。”
——国家能源局电力司

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