我國城市能源結構調整的工程解決方案

梁永煌，魏 濤，張宗飛，夏 吳

（中國五環工程有限公司，武漢 430223）

我國城市能源結構調整的工程解決方案

梁永煌，魏 濤，張宗飛，夏 吳

（中國五環工程有限公司，武漢 430223）

概述了我國城市能源結構特點及其對城市環境的影響；分析了我國能源產業政策和我國城市能源結構調整的發展趨勢；提出了當前我國城市能源結構調整的兩種主要工程解決方案：潔凈煤綜合利用工程技術方案和城市垃圾氣化循環經濟技術方案；分析和展望了我國城市能源結構工程技術方案的發展趨勢。

城市能源結構；潔凈煤技術；垃圾氣化技術；工程解決方案

城市能源結構是指城市中生產和消費的能源構成，即固體、液體、燃氣、電力及其它新能源的構成比例。城市能源結構的合理與否，直接影響著城市的環境質量和人民的生活質量。

當前，煤炭在我國能源生產和消費結構中占據著絕對的主導地位，而煤炭燃燒利用過程中會排放大量的污染物，造成嚴重的環境污染，也是我國城市霧霾產生的一個主要原因。因此，進行合理的城市能源結構調整和優化，探索能源、環境、經濟和社會的共贏發展，是當前我國城市發展的重要議題。減少煤炭在一次性能源消費結構中的比重，采用潔凈煤技術，促進煤炭的清潔高效利用，同時加強新能源開發，探索解決我國目前城市垃圾處理困境，實現城市垃圾氣化循環經濟利用的有效途徑，提高可再生能源的消費比重，解決日益嚴重的城市環境污染問題，是當前我國城市能源結構調整的一個重要發展方向。

1 城市能源結構及城市環境影響

能源是支撐人類文明進步的物質基礎，是現代社會發展不可或缺的基本條件。能源工業是國民經濟的基礎產業，也是技術密集型產業?！鞍踩⒏咝?、低碳”集中體現了現代能源技術和能源工業的特點，也是搶占未來能源技術制高點的主要方向。

城市能源結構不同，城市能源消費過程中所產生和排放的污染物將不一樣，對城市環境的影響也將大不相同。因此，城市環境與城市能源結構息息相關。以清潔燃料為主的城市能源結構，對城市環境的影響相對較小，相反，若以煤炭等化石燃料為主的城市能源結構，將會對城市環境產生較大影響。

1.1 我國城市能源結構的現狀及特點

長期以來，煤炭是我國的主體能源和重要的工業原料，在一次能源消費結構中所占比重大。據統計，2013年煤炭消費占我國一次能源消費總量的比重達到了67.5%，石油占比17.79%，天然氣占比5.1%，可再生能源占比1.5%。我國能源結構的特點在一定程度上反映了我國城市能源結構的特點，但由于我國地域遼闊，能源區域分配不均，我國城市能源結構因城市所處地理位置不同，而呈現區域性差異特點，特別是對于我國大中城市而言，大部分大中城市均非產煤地區，同時考慮能源利用對環境的影響，我國大中城市的能源結構特點更趨向于多元化。以深圳為例，深圳的一次能源儲量嚴重匱乏，煤、油、氣全靠外運。在深圳一次能源消費中，石油消費占到50%左右，煤炭消費不到10%，其他能源消費包括天然氣、核能、太陽能、生物質能等新能源約占40%，與目前我國能源結構仍以煤炭為主形成了鮮明的對比，體現了我國城市能源結構多元化的特點。

1.2 城市能源結構與城市環境的關系

我國富煤、缺油、少氣的能源結構特點，決定了煤炭在我國能源生產和消費結構中的重要地位，其在我國城市的能源結構中也占據著主導地位。由于煤炭燃燒時會排放大量的污染物，對城市環境會造成嚴重的影響。有專家學者認為：“中國的城市化、產業化、工業化的大擴張和高生產強度造成能源消費在有限面積上的過于集中、能源結構不夠清潔和環境治理效率低等因素造成了當前日益嚴重的霧霾天氣”。由此可見，我國近幾年嚴重的霧霾天氣，是我國城市能源結構對城市環境影響的一種表現形式，也是我國城市環境污染的一個鮮活實例。

2 我國能源產業政策及城市能源結構調整

2.1 我國能源產業政策及其發展方向

《我國國民經濟和社會發展十二五規劃綱要》明確提出“十二五”時期將積極優化能源結構，合理控制能源消費總量，推動能源生產和利用方式變革。因此，未來我國能源發展必將從偏重保障供給為主，向科學調控能源生產和消費總量轉變；從資源依賴型的發展模式，向科技創新驅動型的發展模式轉變；從嚴重依賴煤炭資源，向綠色、多元、低碳化能源發展轉變；從各種能源品種獨立發展，向多種能源互補與系統的融合協調轉變；從生態環境保護滯后于能源發展，向生態環境保護和能源協調發展轉變；從過度依賴國內能源供應，向立足國內和加強國際合作轉變。該規劃綱要提出：到2015年，我國非化石能源占一次能源消費比重達到11.4%，單位國內生產總值能源消耗比2010年降低16%，單位國內生產總值二氧化碳排放比2010年降低17%。

國家能源局2011年發布了《國家能源科技“十二五”規劃（2011-2015）》，該規劃分析了我國能源科技發展形勢，提出了我國能源發展目標為：圍繞由能源大國向能源強國轉變的總體目標，為能源發展“十二五”規劃實施和戰略性新興產業發展提供技術支撐。通過重大能源技術研發、裝備研制、示范工程實施以及技術創新平臺建設，形成較為完善的能源科技創新體系，突破能源發展的技術瓶頸，提高能源生產和利用效率，在能源勘探與開采、加工與轉化、發電與輸配電以及新能源領域所需要的關鍵技術與裝備上實現自主化，部分技術和裝備達到國際先進水平，提升國際競爭力。此外，國家能源局明確提出，2014年我國非化石能源消費比重將提高到10.7%，天然氣消費比重提高到6.5%，煤炭消費比重降低到65%以下。

與此同時，國務院新聞辦于2012年10月發布了《中國的能源政策（2012）》白皮書，提出我國能源政策的基本內容是堅持“節約優先、立足國內、多元發展、保護環境、科技創新、深化改革、國際合作、改善民生”的能源發展方針，推進能源生產和利用方式變革，構建安全、穩定、經濟、清潔的現代能源產業體系，努力以能源的可持續發展支撐經濟社會的可持續發展。白皮書同時提出，大力發展新能源和可再生能源，是推進能源多元清潔發展、培育戰略性新興產業的重要戰略舉措，也是保護生態環境、應對氣候變化、實現可持續發展的迫切需要。到“十二五”末，我國非化石能源消費占一次能源消費比重將達到11.4%，非化石能源發電裝機比重達到30%。白皮書指出，中國能源必須走科技含量高、資源消耗低、環境污染少、經濟效益好、安全有保障的發展道路，全面實現節約發展、清潔發展和安全發展。中國將堅定地推進能源領域改革，加強頂層設計和總體規劃，加快構建有利于能源科學發展的體制機制，改善能源發展環境，推進能源生產和利用方式變革，保障國家能源安全。

綜上所述，我國能源發展方向將以節能減排、清潔利用、環保低碳、原子經濟為主，走可持續發展的能源發展道路。

2.2 我國城市能源結構調整

大量使用煤炭等化石燃料，是我國城市環境問題產生的主要根源。其中，以煤為主的能源結構、傳統用煤技術造成的污染物大量排放，是我國城市環境污染的主要原因。因此，解決城市環境問題需要從調整城市能源結構入手。

由于中國能源消費結構與世界能源消費結構相比存在較大的調整空間，因此針對城市能源結構調整，可以從以下兩方面著手：一是減少煤炭、燃油等化石燃料作為城市一次能源直接消費的比重，促進煤炭和燃油清潔高效利用；二是加強新能源的研發應用，提高可再生性能源的消費比重。

以深圳為例，深圳市作為我國改革開放的窗口，在能源結構調整和優化方面走在了全國的前列。根據《深圳市低碳發展中長期規劃（2011-2020年）》《深圳新能源產業振興發展規劃（2009-2015年）》和《深圳市節能“十二五”規劃》，深圳將加大天然氣、核能、太陽能、生物質能和風能等清潔能源的利用，提高清潔能源比例。根據該規劃，深圳市2015年將非化石能源占一次能源消費比重降到15%，2020年低于15%，而清潔能源消費比重2015年將提高到50%，2020年提高到60%。以天然氣為例，2013年深圳天然氣消費比重約為8%，到2015年將提高到14%，2020年提高到20%。深圳當前大力發展高效清潔能源，實施以引進天然氣為主的石油替代戰略，拓展天然氣資源供應渠道，目前正加快推進西氣東輸二線翁深支干線項目、深圳LNG項目、城市天然氣高壓輸配管網等前期建設工作。通過能源結構調整和優化，深圳的核電、水電、燃氣在能源消費所占比重逐年提升，對深圳環境質量的改善提供了重要支撐。城市能源結構的優化調整，將有助于深圳率先建成低碳城市，成為我國首個“國家低碳生態示范市”。

從深圳的能源結構調整過程及其取得的顯著成效，可以推知我國城市能源結構發展將向著降低煤炭、石油等化石燃料的消費比例，采用清潔高效的利用方式，同時大力提高清潔能源的使用比例等方向加快發展。

3 我國城市能源結構的調整工程解決方案

3.1 潔凈煤利用工程技術方案

我國煤炭資源豐富的能源結構特點，決定了我國在能源結構調整和優化的過程中，除了加大對新能源的開發利用，增加非化石能源占一次能源消費的比重外，重點要針對我國豐富的煤炭資源利用走出一條清潔、高效、低碳、節能、減排的利用和發展道路。因此，清潔高效的現代煤炭資源綜合利用工程技術方案成為了當前我國城市能源結構調整的一個亮點。

3.1.1 潔凈煤IGCC方案

20世紀70年代以來，整體煤氣化聯合循環發電系統（IGCC）為世界公認的具有發展前途的潔凈煤發電技術之一。美國、歐洲許多國家和地區，把發展IGCC技術提高到戰略需要的高度來資助、規劃和立法。從1984年第一代Cool Water IGCC電站問世，經過十年開發建造了三座具有第二代水平的IGCC電站。作為技術更先進的第三代IGCC旨在逐步完善使以化石燃料為基礎的發電系統實現零排放為目標的發電技術。美國和歐盟分別建設的Transport Gasifier和Hypogen第三代IGCC示范電站將于2014年和2015年完成建設和示范運行。

IGCC主要技術采用煤（或渣油、石油焦等）作為燃料，經過氣化爐將其轉化為粗煤氣，并經除塵、脫硫等凈化工藝，使之成為潔凈的煤氣供給燃氣輪機燃燒做功。燃氣輪機排氣余熱和氣化島顯熱回收熱量經余熱鍋爐加熱鍋爐給水產生過熱蒸汽，帶動蒸汽輪機發電，從而實現煤氣化聯合循環發電過程。

典型的IGCC系統流程見圖1。

圖1 典型IGCC系統流程圖

IGCC將煤氣化、煤氣凈化和聯合循環發電技術有機結合在一起，具有高效率、清潔、節水、適應燃料性廣，易于實現多聯產等優點，可針對性解決煤炭直燃方式帶來的問題。IGCC與其他燃煤發電技術相比，除了效率高、排放少外，還有一個特別重要的優勢—CO2的捕集，這對于當前建設低碳城市具有重要的戰略意義?！秶抑虚L期科學技術發展規劃綱要（2006-2020年）》和《國家能源科技“十二五”規劃（2011-2015）》明確鼓勵開發以煤氣化為基礎的IGCC聯合循環發電技術，促進煤炭的清潔高效利用，降低環境污染。

3.1.2 潔凈煤合成天然氣方案

天然氣是化石能源中最清潔的能源，有關測算表明，天然氣的二氧化碳排放量比煤炭低43%，比石油低28%。以深圳市為例，僅2012年，深圳市共計供應各類天然氣28億多立方米，相當于替代重油約277萬噸，減少二氧化碳排放量165萬噸，減少二氧化硫排放1.1萬噸，減少氮氧化物排放約2900噸，減少PM2.5排放1300噸。據預測，到2015年，世界天然氣產量將超過石油，天然氣的開發和利用正在引領全球能源結構變革。特別是近年來，隨著能源結構低碳化的發展，我國天然氣利用的步伐不斷加快，天然氣在能源結構中的比例不斷上升。2003年我國天然氣在一次能源結構中占比還只有2.5%，到2012年已經上升到5.2%。根據規劃，到2015年天然氣在我國一次能源消費中的比例將達到7.5%。因此，采用潔凈煤技術，將我國豐富的煤炭資源轉化成清潔的天然氣，是我國城市能源結構調整的另一條重要途徑。《國家能源科技“十二五”規劃（2011-2015）》明確提出要加快煤制天然氣技術的開發，進行單系列13～20億立方米/年的煤制天然氣示范工程的建設。

典型的煤制合成天然氣流程見圖2。

圖2 典型的煤制合成天然氣流程圖

3.1.3 潔凈煤制氫氣方案

氫氣作為一種能量載體，具有非常優異的性能，一方面其燃燒值遠比烴類和醇類高，約為汽油或天然氣的2.7倍，煤的3.5倍；另一方面，氫氣直接燃燒產物為水，不存在碳排放和污染問題，被認為是最綠色低碳的清潔能源。由于氫能的諸多優點，美國、日本和歐洲等發達國家都從國家可持續發展和安全戰略的高度，制定了長期的氫能源發展戰略，氫氣已被越來越廣泛地作為清潔能源使用。因此擴大氫氣生產資源、開發新的制氫工藝以及改進現有制氫工藝，受到人們的普遍關注。

在城市能源結構調整中，氫氣可以作為石化行業的合成原料氣，電子、玻璃等行業的保護氣，也可做成氫燃料電池系統，供燃料電池汽車等使用。《深圳新能源產業振興發展規劃（2009-2015年）》明確提出：“關注氫能和海洋能開發利用等新興產業發展，增強產業發展后勁。”因此，氫能作為城市能源結構調整的一種可行手段已開始被人們所關注。

國內外制取氫氣（不包括工業廢氣中回收氫氣）的主要方法有以下四種：1）天然氣（含石腦油、重油、煉廠氣和焦爐氣等）蒸汽轉化制氫氣；2）煤（含焦炭和石油焦等）轉化制氫氣；3）甲醇或氨裂解制氫氣；4）水電解制氫氣。在這四種方法中，煤制氫氣的成本最低，技術也相對成熟可靠。因此，采用潔凈煤技術制取氫氣將成為我國城市能源結構調整的另一個新的發展方向。

典型的煤制氫氣流程見圖3。

圖3 典型的煤制氫氣流程圖

3.2 城市垃圾氣化循環經濟方案

3.2.1 垃圾氣化技術及其特點

隨著我國城市化進程的加快、城市數量的增多、城市規模的擴大和城市人口的膨脹，城市垃圾的產生量和堆積量都在迅速地增長。2004年，我國的城市垃圾產量首次超越美國，達到1.52億噸，躍居世界第一位。據不完全統計，2012年，全國年垃圾清運總量已達到1.71億噸，隨著我國城鎮化進程的加快，預計2015年我國城市垃圾年產量將達1.79億噸，2020年將突破2億噸，達到2.1億噸。城市垃圾已成為制約我國城市發展的主要因素之一。在以科學發展觀為統領，以人為本推進和諧社會建設的新形勢下，實現我國城市垃圾的減量化、無害化和資源化，是當前我國城市實施可持續發展急需解決的迫切問題。

從生態角度看，城市垃圾是一種污染源，但從資源角度看，城市垃圾是地球上唯一正在增長的資源。4～7噸的城市垃圾燃燒所產生的熱量相當于1噸標煤燃燒的能量。以垃圾發電為例，如果我國能將垃圾分類處理并充分有效地用于發電，每年將節省3500萬～4500萬噸煤炭資源?！秶夷茉纯萍肌笆濉币巹潱?011-2015）》明確提出：“開發城市垃圾、生物質與煤共氣化新技術。”《深圳新能源產業振興發展規劃（2009-2015年）》顯示深圳垃圾發電裝機規模達到7萬千瓦，并提出“重點發展垃圾焚燒發電”，將垃圾發電作為深圳新能源發展的一個重要產業給予支持。能源結構調整方面，為進一步推動深圳“國家低碳發展試驗區”建設，在第二屆城市電網技術管理國際研討會上，深圳市政府提出深圳低碳城市建設思路和優化能源結構需求，應大力推動資源循環利用。為此，深圳市將投資92億元進行四大重點項目的建設，其中之一就是建設深圳東部垃圾焚燒電廠（5100噸/天）項目。因此，城市垃圾的循環利用將是我國城市能源結構調整的一個重要發展方向。

垃圾焚燒發電可實現垃圾的減量化、減少占地、創造一定的經濟效益，目前已逐漸成為經濟發達地區和城市處理垃圾的首選方式。但垃圾焚燒也帶來了一系列問題：1）由于焚燒溫度不高，容易產生二英和呋喃等致癌物質；2）焚燒產生的飛灰和殘渣中富含有毒有害重金屬物質，容易造成地下水源污染；3）焚燒產生大量煙氣，碳排放量大。目前由于垃圾焚燒產生的環保問題和人們所擔心二次污染問題，引發了不少“群體事件”。如2007年6月北京六里屯垃圾發電廠受到了強大的民意阻力而被當時的國家環?？偩志o急叫停；2009年10月，江蘇吳江為反對垃圾焚燒廠投產，萬人街頭抗議；2014年5月，杭州余杭區中泰鄉九峰村村民為反對垃圾焚燒發電廠項目選址九峰村，五千余人聚集并和警方發生沖突，推翻警用車輛，堵塞省道和高速公路。

垃圾氣化技術是近年來發展起來的一種垃圾處理新技術，與一般垃圾焚燒技術不同，采用垃圾氣化技術處理垃圾，幾乎能將垃圾中的有機物完全氣化并轉化成合成氣（主要為CO和H2），并進一步加以利用（燃燒供熱、發電、制取天然氣、制取氫氣等），而無機物則可變成無害的玻璃體灰渣，進一步綜合利用，可實現垃圾處理過程污染物的近“零排放”。垃圾氣化技術較之垃圾焚燒技術除了能真正將垃圾做到無害化處理外，最重要的是能將垃圾當成一種可再生資源進行利用，除了能進行供熱和發電外，還可用于生產天然氣、氫氣、油品等化工產品，真正做到垃圾處理的資源化利用。

表1為日本兩個采用垃圾氣化技術建設垃圾發電廠的廢氣排放情況，表2為其中1個工廠垃圾氣化后熔渣重金屬溶出檢測結果。

表1 日本2個垃圾氣化發電廠廢氣排放情況

表2 日本垃圾氣化發電廠熔渣重金屬溶出檢測結果 （單位：mg/L）

從表1和表2可以看出，垃圾氣化發電廠排放的廢氣和廢渣均遠低于標準限值，表明其具有良好的環保特性。

3.2.2 城市垃圾氣化技術工程方案

城市垃圾氣化技術工程技術方案路線如圖4。

圖4 城市垃圾氣化技術工程化路線圖

從圖4可知，城市垃圾經過進料系統輸送至垃圾氣化爐，在高溫下發生氣化反應，生成以CO和H2為主的合成氣，經凈化處理后可用于發電或生產化工產品，而垃圾經氣化后生成的殘渣為玻璃體，對環境無污染，經過分選系統，還可將其中的金屬物質分離出來，加以利用，玻璃體渣也可用于鋪路或生產玻璃棉等進一步綜合利用。

對當前世界范圍內的已工業化應用的垃圾氣化技術進行分析研究發現，該技術在垃圾處理領域起步雖晚，但技術先進、發展很快，可以很好地避免填埋、堆肥、焚燒出現的問題，已逐漸成為當前垃圾處理領域的主流發展技術，處于快速推廣和應用階段。據調查了解，當前國內外主要采用垃圾氣化技術已經建立了近20個垃圾氣化工廠（含示范裝置）。因此，垃圾氣化技術將逐步取代垃圾焚燒技術，成為我國城市垃圾處理技術的重點發展對象，城市垃圾氣化循環經濟方案也將擁有廣闊的發展空間。

4 城市能源結構技術方案前景及趨勢分析

4.1 城市能源結構政策分析和前景預測

目前，國家尚未出臺專門的城市能源結構調整政策文件，但從《我國國民經濟和社會發展“十二五”規劃綱要》和《國家能源科技“十二五”規劃（2011-2015）》等規劃文件中可以看出，國家已意識到能源結構調整的必要性和緊迫性，特別是2013年以來，城市霧霾由華北蔓延至半個中國的國土，更加讓我國堅定決心，在能源結構調整方面必須進行一番作為。據了解，我國已啟動《國家能源發展戰略》編制工作，提出我國能源發展的總體方略和戰略圖，各主要城市也根據自身城市發展需要，紛紛出臺城市能源結構調整的相關政策性文件。以深圳為例，從2009年起，深圳市已相繼出臺了《深圳新能源產業振興發展規劃（2009-2015年）》《深圳市低碳發展中長期規劃（2011-2020年）》和《深圳市節能“十二五”規劃》等能源領域的規劃性文件，提出并加快了城市能源結構調整，滿足城市的快速發展需求。

從相關資料分析，我國城市能源結構調整將以降低煤炭、石油等化石燃料的消費比例，采用清潔高效的利用方式，同時大力提高清潔能源的使用比例等方向加快發展。同時，由于我國能源消費結構與世界能源消費結構相比存在較大的調整空間，因此我國城市能源結構調整的發展前景一片光明。

4.2 城市能源結構調整工程技術方案目標及其發展前景

城市能源結構調整的工程技術方案目標，無疑是要解決當前嚴重的城市環境污染問題和城市發展所面臨的能源瓶頸問題，解決城市發展、城市能源利用和城市環境三者之間存在的矛盾問題，構建一個和諧、健康、低碳、環保、可持續發展的美好城市。

隨著城市能源結構調整的深入進行，先進的工程技術方案將以其優異的產品特性和成熟的技術水平，成為我國城市能源結構調整的一種可靠的解決方案。以城市垃圾氣化制取合成天然氣的工程技術方案為例，將城市垃圾當成一種可再生能源，通過先進的城市垃圾氣化技術，生產清潔的合成天然氣，作為煤碳和石油等高污染化石燃料的替代燃料使用，不但能夠有效解決城市垃圾帶來的環境污染，滿足城市垃圾100%得到“減量化、無害化、資源化”處理的要求，而且可以將垃圾變廢為寶，提高城市垃圾綜合利用的比例，創造可觀的經濟效益，提升城市的節能減排和低碳環保水平，促進社會和經濟的可持續發展。因此，以潔凈煤利用工程技術方案和城市垃圾氣化循環經濟方案等為代表的先進的工程技術方案在城市能源結構調整中的發展和應用前景十分看好，具有廣闊的發展和應用空間。

5 結語

城市環境問題是當前制約城市發展的一個主要影響因素，而城市能源結構調整是解決城市環境問題的一條有效途徑。因此，城市能源結構調整的成敗關乎著一個城市能否健康、穩定和可持續發展，關乎著城市人民的福祉。推動城市能源結構調整和優化，著力建設低碳、環保和創新型城市，是當前城市發展的主要議題。采用合理可行、先進可靠的工程技術方案，是進行當前城市能源結構調整和優化重要而有效的一項技術手段。

[1] 程龍飛.調整城市能源結構，改善區域空氣質量[J].環境科學與管理，2007，32（10）：4-7.

[2] 韓文科，朱松麗，高翔，姜克雋.從大面積霧霾看改善城市能源環境的緊迫 性[J].價格理論與實踐，2013（4）：27-29.

[3] 鐘玲，盧振蘭.城市能源結構與大氣污染類型的變化研究[J].綠色科技，2012（6）：179-181.

[4] 趙敏.發展清潔能源推進節能減排[J].化學工程與裝備，2010（7）：134-136.

[5] 中華人民共和國國務院.我國國民經濟和社會發展十二五規劃綱要[Z].2011-3.

[6] 中華人民共和國國家能源局.國家能源科技“十二五”規劃（國能科技[2011]395號）[Z].2011-12.

[7] 中華人民共和國國務院新聞辦公室.中國的能源政策（2012）[Z].2012-10.

[8] 趙嘉博，劉小軍.潔凈煤技術的研究現狀及進展[J].露天采礦技術，2011（1）： 66-69.

Engineering Resolving Scenario of Urban Energy Structure Adjustment in China

LIANG Yong-huang, WEI Tao, ZHANG Zong-fei, XIA Wu

X321

A

1006-5377（2015）04-0033-06