先進(jìn)發(fā)電技術(shù)的環(huán)保特性分析
摘要：火力發(fā)電在中國(guó)電力工業(yè)中占有非常重要的位置，為保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，廣泛開(kāi)展高效的“綠色”發(fā)電技術(shù)勢(shì)在必行，如超臨界發(fā)電機(jī)組、IGCC、煤炭氣化發(fā)電以及最具發(fā)展?jié)摿Φ某R界水氧化發(fā)電技術(shù)等，重點(diǎn)分析了這幾種發(fā)電新技術(shù)的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。
我國(guó)是世界上以煤炭為主要一次能源的國(guó)家之一，發(fā)電能源構(gòu)成中，煤電比例大，2004年的全部發(fā)電機(jī)組中，火電機(jī)組的裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的77.08%。按照國(guó)家電力規(guī)劃，即使到2020年火電裝機(jī)容量仍占全國(guó)總裝機(jī)容量的60%以上。煤炭在燃燒過(guò)程中，排放大量的NOx、二氧化硫、二氧化碳和煙塵，加重了對(duì)大氣環(huán)境的污染，給我國(guó)帶來(lái)了一系列生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，如酸雨、溫室效應(yīng)、浮塵等。并且每年為了防治NOx、SO2、煙塵污染及減緩溫室效應(yīng)，花費(fèi)巨大的投資與運(yùn)行費(fèi)用。
電力是國(guó)家發(fā)展的經(jīng)濟(jì)命脈，尤其進(jìn)入21世紀(jì)后，為滿(mǎn)足新世紀(jì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，電力工業(yè)必將較快發(fā)展。為使電力發(fā)展與能源、環(huán)境相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)的目標(biāo)，解決環(huán)境污染制約能源利用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的問(wèn)題，大力發(fā)展高效、潔凈的“綠色電力”，追求燃煤機(jī)組的高效率和低排放，必將成為本世紀(jì)我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的主旋律。在世界發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛發(fā)展應(yīng)用的超臨界機(jī)組、IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán))等火力發(fā)電新技術(shù)，以及最具發(fā)展?jié)摿Φ某R界水氧化發(fā)電技術(shù)，因其高效率和優(yōu)越的環(huán)保性能，必將成為我國(guó)21世紀(jì)的環(huán)保發(fā)電技術(shù)。
1 超臨界火力發(fā)電技術(shù)
超臨界直流鍋爐的專(zhuān)利方案，是由捷克人馬克·本生在1919年提出來(lái)的，1923年德國(guó)西門(mén)子公司按他的專(zhuān)利建成了第一臺(tái)試驗(yàn)性超臨界機(jī)組。超超臨界鍋爐技術(shù)于20世紀(jì)90年代初在歐洲問(wèn)世，是國(guó)際上最為先進(jìn)的燃煤發(fā)電技術(shù)之一，具有煤耗低、環(huán)保性能好、技術(shù)含量高的特點(diǎn)[1]。
主蒸汽壓力等于或大于超臨界壓力24.2 MPa，主蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度小于580 ℃的火力發(fā)電機(jī)組稱(chēng)超臨界機(jī)組，溫度大于580 ℃的稱(chēng)超超臨界機(jī)組。超臨界壓力機(jī)組技術(shù)是當(dāng)今世界上一項(xiàng)既成熟又在發(fā)展中的火電技術(shù)，由于壓力、溫度的提高，其效率較同等容量的亞臨界機(jī)組有大幅度提高，具有節(jié)能、高效和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，為全世界工業(yè)化國(guó)家廣泛采用，其可用率、可靠性、運(yùn)行靈活性和機(jī)組的壽命等方面已經(jīng)可以和亞臨界機(jī)組相媲美[2]。
從環(huán)境效益上來(lái)講，節(jié)能就是環(huán)保。超臨界機(jī)組的煤耗降低，由此而排放的SO2、NOX和溫室效應(yīng)氣體CO2也會(huì)成比例地降低，故有較好的環(huán)境效益。此外，還可以采用低NOX燃燒器，加設(shè)脫硫裝置等來(lái)達(dá)到日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。我國(guó)漳州后石電廠6×600 MW超臨界機(jī)組，由于裝設(shè)了除塵、脫硫(海水脫硫)、脫硝設(shè)備，煙塵、SO2和NOx的排放濃度設(shè)計(jì)值分別為31、235、205 mg/mN3，都分別低于相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)排放值，電廠實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放和潔凈發(fā)電的目標(biāo)[3]。
2 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電技術(shù)
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）發(fā)電技術(shù)，是將煤氣化與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電相結(jié)合的一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)，是目前世界上最先進(jìn)、高效率的環(huán)保型燃煤發(fā)電方式之一。
以煤為燃料的IGCC發(fā)電技術(shù)先將煤炭在氣化爐中氣化，產(chǎn)生出中熱值或低熱值（相對(duì)于天然氣和石油）的合成氣，然后經(jīng)過(guò)凈化處理，把合成氣中的灰分、含硫化合物（如H2S等）等雜質(zhì)去掉，生成潔凈合成氣后供給燃?xì)廨啓C(jī)做功，并與蒸汽輪機(jī)組合起來(lái)，形成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。這種將固體燃料轉(zhuǎn)化成清潔的氣體燃料的發(fā)電技術(shù)，既具有聯(lián)合循環(huán)的高效率，又解決了燃煤所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，因此成為世界上極有發(fā)展前途的一種“綠色發(fā)電”方式。其優(yōu)越的環(huán)保性能體現(xiàn)在它對(duì)污染物的處理是在能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中，在高壓力、高濃度、小流量的煤氣中進(jìn)行的。它將逐步取代現(xiàn)有的汽輪機(jī)電站，成為火電動(dòng)力的主要發(fā)展方向。
燃煤發(fā)電造成的污染主要是SO2、NOx和粉塵。由于IGCC系統(tǒng)中采用了脫硫、脫硝和粉塵凈化的措施，大大降低了污染物的排放濃度，其各種污染排放量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際上先進(jìn)的環(huán)保指標(biāo)。
（1）IGCC技術(shù)在煤氣化產(chǎn)物進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)前必須進(jìn)行脫硫處理和除塵。氣化中大部分S變成H2S，而除去H2S較容易，并可得到固體硫副產(chǎn)品；脫硫后，可以除去煤氣中98%以上的硫化物(H2S和COS)，與同容量的燃煤電站相比，SO2的排放減少90%以上。即使燃用含7%硫、30%～40%灰的劣質(zhì)煤，也能達(dá)到97%～98%燃燒效率和85%以上固硫率。
（2）在氣化器中，煤中N以NH3、酚或其它有機(jī)物形式存在于廢液中，故NOx排放大大減少，NOx排放值等同于天然氣，小于25 mg/mN3。
（3）節(jié)能即是環(huán)保，由于IGCC電站的熱效率高，與同容量常規(guī)火力發(fā)電廠相比可減少耗煤量，因而CO2的排放量也相應(yīng)減少。此外，采取目前成熟的工藝可分離85%以上的CO2[4]。
（4）由于燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)入口煤氣的含塵量和含塵濃度有嚴(yán)格的限制，比煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)要高得多，因此煤氣在進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)前要進(jìn)行嚴(yán)格的除塵(除去煤氣中接近100%的粉塵)。一般IGCC的粉塵排放低于10 mg/mN3，基本不排放粉塵[5]。
國(guó)外已投產(chǎn)的部分IGCC電站排放數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 國(guó)外已投運(yùn)IGCC電站的排放數(shù)據(jù)
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（5）排渣可以回收利用。氣化爐的排渣（占灰渣總量的90%左右）是以液態(tài)方式經(jīng)水冷卻后排出的，屬惰性無(wú)析出渣，可出售用于筑路、制磚等，可進(jìn)行綜合利用。
被譽(yù)為“世界上最清潔的燃煤電站”的冷水電站，脫硫效率為96%～97%（可分離出98.6%的H2S和26.2%的COS），可生產(chǎn)出純度為98%～99%的元素硫作為商品出售；氣化爐燃燒生成的灰份被熔化成灰渣，作為磨料、絕緣材料或筑路材料出售，排水經(jīng)澄清后一部分用于制備水煤漿，一部分排入蒸發(fā)池，處理后形成符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的廢水，從而使冷水電站成了無(wú)廢無(wú)害的清潔電站。英國(guó)對(duì)裝有BLG氣化爐IGCC電站進(jìn)行可行性研究表明，脫硫率高于99.8%，各種排放遠(yuǎn)低于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。
3 煤炭氣化發(fā)電技術(shù)
煤炭氣化技術(shù)是將地下煤炭有控制的燃燒、產(chǎn)生可燃?xì)怏w的一種開(kāi)發(fā)清潔能源與化工原料的新技術(shù)[6]。這種新技術(shù)只提取煤中含能組分，而將灰渣等污染物滯留在井下。煤炭地下氣化技術(shù)集建井、采煤、轉(zhuǎn)化工藝為一體，大大減少了煤炭生產(chǎn)和使用過(guò)程中所造成的環(huán)境破壞，而且能使煤炭資源的利用率得到極大提高[7]。
煤炭地下氣化技術(shù)為報(bào)廢礦井的殘留煤柱、難采煤層、高灰、高硫以及不適合開(kāi)采的煤炭資源或價(jià)值較低的劣質(zhì)礦床的開(kāi)發(fā)利用提供了新途徑，最大限度地利用和節(jié)約了日趨減少的煤炭資源。煤炭氣化技術(shù)又是煤炭化工合成、煤炭直接/間接液化、IGCC發(fā)電技術(shù)、燃料電池等高新潔凈煤利用技術(shù)的先導(dǎo)性技術(shù)和核心技術(shù)。其特點(diǎn)如下：
（1）實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，確保環(huán)境質(zhì)量
煤炭地下氣化技術(shù)集采煤、運(yùn)輸、氣化、電廠燃用等多工藝為一體，氣化過(guò)程中幾乎無(wú)廢氣排放，氣化后的灰渣和廢液留于地下，生產(chǎn)用水量少，能從根本上解決傳統(tǒng)的煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸、地面加工和燃用過(guò)程中存在的一系列環(huán)境污染問(wèn)題，具有投資低、效益高、污染少等優(yōu)點(diǎn)。
（2）減緩地表變形，保護(hù)生態(tài)環(huán)境
潔凈煤氣化工藝在環(huán)境保護(hù)方面不僅做到了潔凈、安全、無(wú)污染或最小污染的排放達(dá)標(biāo)，而且可以減緩地表變形。因?yàn)樵谔矫鞯拿禾抠Y源中，有一部分可能積埋在建、構(gòu)物等下面，常規(guī)的煤炭開(kāi)采會(huì)帶來(lái)地表塌陷、區(qū)域環(huán)境遭到破壞等問(wèn)題。煤炭地下氣化技術(shù)正是減緩地表變形的有效技術(shù)。據(jù)國(guó)內(nèi)煤炭地下氣化工業(yè)性實(shí)驗(yàn)和分析，采用煤炭地下氣化可將地表下沉減少約40%～50%，對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和國(guó)土資源，都具有十分重要的社會(huì)意義。
4 超臨界水氧化發(fā)電技術(shù)超臨界水氧化技術(shù)(Supercritical Water Oxidation，SCWO)是一種能夠徹底氧化分解有機(jī)物的新型技術(shù)。在通常狀態(tài)下，水是以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)形式存在著，如果將水的溫度和壓力升高到臨界點(diǎn)(臨界點(diǎn)處：溫度為374 ℃，壓力為22.05 MPa)以上，水將以一種新的流體態(tài)——超臨界態(tài)存在。超臨界態(tài)不同于氣、固、液三態(tài)，該狀態(tài)下的水稱(chēng)為超臨界水。超臨界水的性質(zhì)發(fā)生了很大的變化，其密度、粘度、熱導(dǎo)率、介電常數(shù)、離子積、擴(kuò)散系數(shù)、溶劑化性能都不同于通常狀態(tài)下的水，具有低粘度、高擴(kuò)散性、幾乎無(wú)界面擴(kuò)散阻力等特性。它可與有機(jī)物、空氣（或氧氣）按照任意比例混合于同一相中，而無(wú)機(jī)化合物尤其是鹽較難溶解于其中。同時(shí)，高溫也加速了反應(yīng)的進(jìn)行，可以在很短的時(shí)間內(nèi)高效地將有機(jī)物氧化降解[8]。
碳?xì)浠衔镌诔R界水中，與空氣(或氧)和水均相混合，開(kāi)始自發(fā)氧化，無(wú)需外界供熱，在很短的反應(yīng)停留時(shí)間內(nèi)，被迅速氧化成CO2和H2O；雜原子轉(zhuǎn)變?yōu)樗、鹽和氧化物；化合物中的磷、硫轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的磷酸鹽和硫酸鹽，氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈁10]。
（1）NOx的生成與排放
有研究表明，超臨界水氧化反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)溫度控制在700 ℃以下時(shí)，不會(huì)有NOx生成[9]。
（2）SO2的生成與排放
化合物中的硫轉(zhuǎn)化成硫酸根，在反應(yīng)物中加入堿化劑（NaOH或Ca(OH)2），當(dāng)氧化開(kāi)始，就會(huì)生成Na2SO4或CaSO4等硫酸鹽，而硫酸鹽在超臨界水中溶解度很低，容易析出，然后通過(guò)汽固分離裝置分離出來(lái)。所以不會(huì)有SO2排放到環(huán)境中[10]。
（3）灰塵雜質(zhì)的分離排除
由于大部分灰塵雜質(zhì)不溶于超臨界水，所以在分離器中會(huì)很容易的被分離出來(lái)。但是也要考慮鹽類(lèi)在設(shè)備中容易沉淀，造成系統(tǒng)的堵塞。
（4）CO2分離與排除
由于該技術(shù)的空氣過(guò)量系數(shù)為1，且氣體產(chǎn)物中沒(méi)有SO2、NOx生成，排出氣體中僅有N2、CO2和少量水蒸氣，CO2濃度高便于分離回收，為CO2利用或減排提供了條件。
（5）二惡英的生成問(wèn)題
燃料在氧化過(guò)程中勢(shì)必釋放出二惡英，但是采用超臨界水氧化技術(shù)，在壓力30 MPa、溫度673 K的條件下，以過(guò)氧化氫（其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%）、空氣或氧氣作為氧化劑，反應(yīng)停留時(shí)間30 min時(shí)，二惡英的分解率分別達(dá)到了99.7%、97.4%和98.5%，相信隨著反應(yīng)溫度的提高，二惡英的分解會(huì)更加徹底[11]。
5 結(jié) 語(yǔ)
超臨界與超超臨界機(jī)組、IGCC、煤炭氣化發(fā)電等火力發(fā)電新技術(shù)，在世界發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛發(fā)展及應(yīng)用，其中超臨界火力發(fā)電、煤炭氣化發(fā)電在我國(guó)也開(kāi)展了大量的工作，IGCC技術(shù)已在煙臺(tái)電廠引進(jìn)示范項(xiàng)目。而最具發(fā)展?jié)摿Φ某R界水氧化煤炭發(fā)電技術(shù)，因其高效率和優(yōu)越的環(huán)保性能，也必將成為我國(guó)未來(lái)的主要環(huán)保發(fā)電技術(shù)。
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