看各國怎樣把“煤球”做成白的 清潔煤 大氣治理唱主角

◎本刊主筆 劉國偉

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看各國怎樣把“煤球”做成白的 清潔煤 大氣治理唱主角

◎本刊主筆 劉國偉

位于美國密西西比州坎普縣的碳捕獲和存儲(chǔ)工程，可分離電廠和儲(chǔ)存煤電廠排出的二氧化碳，按計(jì)劃于2016年投入運(yùn)營。來源：維基百科網(wǎng)站

在今年兩會(huì)上，環(huán)保部部長陳吉寧說：“過去人們一說到煤炭就感覺很臟，現(xiàn)在要為煤炭正名，煤炭清潔利用其實(shí)可以比天然氣更環(huán)保。”煤炭的清潔利用主要包括燃煤電廠的超低排放、燃煤設(shè)備的提升改造和民用散煤的管理和煤質(zhì)的改善等領(lǐng)域。“十三五”期間，煤炭清潔高效利用，對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，是能源領(lǐng)域的八大重點(diǎn)工程之一。這里，我們先來盤點(diǎn)一下清潔煤技術(shù)的國際趨勢和走向。

17世紀(jì)后半葉，威爾士和諾森伯蘭郡的煤炭點(diǎn)燃了英國工業(yè)革命的火焰。300多年后的今天，煤炭仍然在人類能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要地位，但是煤炭的大量消耗，也給人類帶來了巨大的環(huán)境壓力。目前，煤炭的清潔高效利用已經(jīng)成為各國環(huán)境保護(hù)的重要目標(biāo)，清潔煤（也稱潔凈煤）一詞更是成為空氣污染治理領(lǐng)域的熱詞。

清潔煤概念中外有別

一個(gè)世紀(jì)以來，“清潔煤”的概念在世界上被多次提及，但其內(nèi)涵和外延變化很大。

1918年，美國著名煤礦公會(huì)領(lǐng)導(dǎo)人弗蘭克·基尼發(fā)表的演說詞里，把清潔煤簡單地稱為“沒有煙塵和雜質(zhì)”的煤炭。二戰(zhàn)前，美國有些地區(qū)把家庭取暖和做飯用的優(yōu)質(zhì)無煙煤，稱為清潔煤。20世紀(jì)80年代初，美國和加拿大為解決兩國邊境酸雨問題談判時(shí)，兩國用清潔煤一詞，來表達(dá)用技術(shù)控制以減少煤炭污染的理念。

20世紀(jì)之初，清潔煤的概念再次發(fā)生變化。2009年以來，國際知名媒體不約而同地把清潔煤解釋為“利用技術(shù)手段緩解煤炭使用中（主要指燃煤發(fā)電）排放二氧化碳等溫室氣體的流程或方法”。從中我們可以體會(huì)出，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)把清潔煤概念的核心從污染控制轉(zhuǎn)向了應(yīng)對(duì)氣候變化。

中國對(duì)清潔煤有自己的定義。煤炭在歐美發(fā)達(dá)國家主要用于發(fā)電，中國則除了燃煤發(fā)電，還有大量散煤用于取暖和做飯。中國普通民眾最關(guān)注的，還是燒煤帶來的顆粒物以及硫、氮氧化物污染，和由此引發(fā)的嚴(yán)重霧霾。所以，我國的國情決定了“清潔煤”的概念，涵蓋了從煤炭開采到利用的全過程，是旨在減少排放、提高能效的煤炭加工、燃燒、轉(zhuǎn)化和污染控制等技術(shù)的總稱。

美國致力于“黑煤變綠煤”

作為現(xiàn)代清潔煤概念的發(fā)起國之一，美國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一，目前出產(chǎn)的煤炭基本用于發(fā)電。美國十分重視清潔煤發(fā)電技術(shù)的研究，從1986年到2000年期間，美國通過推行清潔煤技術(shù)示范計(jì)劃，先后建成了5座整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（簡稱IGCC）示范電站，已有13項(xiàng)取得初步商業(yè)化的成果。美國能源部對(duì)IGCC示范電站的資助比例均在50%以上，有的高達(dá)80%以上。21世紀(jì)初小布什總統(tǒng)主政美國后，美能源部拿出了新一輪清潔煤創(chuàng)新發(fā)展計(jì)劃（CCPI），致力于近零排放的煤炭發(fā)電廠研究。這種電廠可同時(shí)生產(chǎn)電力和氫氣，并進(jìn)行二氧化碳的分離和儲(chǔ)存，發(fā)電效率達(dá)到50%至60%，可實(shí)現(xiàn)包括二氧化碳在內(nèi)的污染物近零排放，并根據(jù)市場需求調(diào)節(jié)發(fā)電和制氫的比例。此后的奧巴馬政府也大力發(fā)展清潔能源。從能源戰(zhàn)略角度來看，美國對(duì)清潔煤技術(shù)的重視程度遠(yuǎn)高于日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家。

德國技術(shù)領(lǐng)先歐盟他國

歐盟國家的清潔煤項(xiàng)目主要體現(xiàn)在常規(guī)能源技術(shù)示范方案“兆卡計(jì)劃”中。近些年來，歐盟研究開發(fā)的項(xiàng)目有IGCC、煤和生物質(zhì)及廢棄物聯(lián)合氣化、循環(huán)流化床燃燒（簡稱CFB，當(dāng)前主流清潔煤燃燒技術(shù)）、固體燃料氣化與燃料電池聯(lián)合循環(huán)技術(shù)等。在歐盟的支持下，荷蘭和西班牙的兩座IGCC電站早在1994年和1997年就建成并投入運(yùn)行，參與的國家有荷蘭、德國、西班牙、法國等，IGCC示范電站所采用的技術(shù)也全部來自歐盟國家。

在歐盟清潔煤技術(shù)應(yīng)用中，德國的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢尤為突出。在煤炭燃燒處理上，德國重視煤炭的富氧燃燒，使煤炭燃燒后的氣體中幾乎沒有氮氧化物，只剩下高純度的二氧化碳，然后再通過碳捕獲和存儲(chǔ)（CCS）將二氧化碳注入地層中。2009年，位于德國德累斯頓東北的施瓦茨蓬普發(fā)電廠投入運(yùn)營，這個(gè)示范項(xiàng)目在同類工程中屬世界首例，使用富氧燃燒器燒煤發(fā)電，每年捕獲約10萬噸二氧化碳，隨后將之壓縮，埋藏到200公里外已經(jīng)枯竭的阿爾特馬克天然氣田表面以下3000米的地方。該項(xiàng)目耗資7000萬歐元，能夠輸出12兆瓦的電力和30兆瓦的熱能，以供應(yīng)1000多戶家庭使用，體現(xiàn)了較高的實(shí)用性。

煤炭在發(fā)達(dá)國家能源結(jié)構(gòu)中的地位不斷下降，目前主要用于發(fā)電。圖為2015年底英國最后一座深層煤礦凱靈利礦井關(guān)閉，礦工們相擁告別。來源：商業(yè)內(nèi)幕網(wǎng)

碳捕獲和存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖。從1到10依次為鍋爐、蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)、固體顆粒移除、去硫化、冷卻裝置、吸收器、汽提塔、二氧化碳?jí)嚎s、注入和存儲(chǔ)來源：美國《連線》雜志官網(wǎng)

核事故讓日本青睞清潔煤

上世紀(jì)末，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）開展了煤炭潔凈高效地轉(zhuǎn)化為電力及液體和氣體燃料的研究。2010年福島核事故發(fā)生后，為了彌補(bǔ)能源缺口，日本煤炭消費(fèi)進(jìn)入新一輪快速增長。2014年日本內(nèi)閣通過新的《能源基本計(jì)劃》，明確了推動(dòng)煤炭清潔利用和高效發(fā)電的戰(zhàn)略方針，提出要通過老舊電站改造和新電站建設(shè)新型發(fā)電技術(shù)的推廣，加強(qiáng)IGCC技術(shù)研發(fā)。

2015年6月，日本成立由政產(chǎn)學(xué)各界組成的“促進(jìn)新一代火力發(fā)電技術(shù)協(xié)會(huì)”，開始舉全國之力推動(dòng)下一代火力發(fā)電清潔高效利用技術(shù)的開發(fā)。按照日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省公布的技術(shù)路線圖，日本將在2020年初期掌握IGCC技術(shù)，將煤炭整體轉(zhuǎn)化為氣體進(jìn)行燃燒，使二氧化碳排放量減少約兩成。在2025年掌握煤氣化燃料電池聯(lián)合發(fā)電技術(shù)（IGFC）技術(shù)，該技術(shù)可利用煤炭中的氫元素進(jìn)行燃料電池發(fā)電，從而使二氧化碳排放量減少約三成。

中印清潔煤技術(shù)急起直追

美國在1986年3月推出的清潔煤技術(shù)示范計(jì)劃（CCTDP）來源：國家核電——《“十三五”潔凈煤領(lǐng)域發(fā)展動(dòng)態(tài)》

清潔煤項(xiàng)目在發(fā)達(dá)國家遍地開花，以中國和印度為首的發(fā)展中國家也正急起直追。與發(fā)達(dá)國家主要用于發(fā)電相比，發(fā)展中國家更多地把煤炭用于供暖，除了碳排放造成的溫室效應(yīng)，顆粒物及硫、氮化合物的污染控制，更是發(fā)展中國家的當(dāng)務(wù)之急。

印度將近2/3的電力來自煤炭，有報(bào)告預(yù)測，直到2030年，燃煤電廠仍將是印度能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)力量。2001年，印度建過一座53兆瓦的IGCC示范電站。印度電力部長皮尤什·葛亞爾表示，從2017年開始印度所有新建燃煤電廠將使用清潔煤技術(shù)，到2022年將清潔煤的比例提升到24%。但是印度在這方面有很大的資金缺口。

煤炭大量消耗給中國環(huán)境帶來巨大壓力，可以說清潔煤技術(shù)是解決中國能源問題的必然選擇。在清潔煤成為今年兩會(huì)熱詞之前，我國“十二五”期間已經(jīng)在高性能煤電機(jī)組、循環(huán)流化床、分級(jí)燃燒（可大大減少氮氧化物生成）和碳捕獲存儲(chǔ)等方面，取得了重大進(jìn)展。華能集團(tuán)在天津的IGCC電站示范工程于2012年建成，這是中國首座煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站，但是也面臨要克服運(yùn)行不穩(wěn)定和成本高的問題。國內(nèi)還有多個(gè)地區(qū)計(jì)劃建設(shè)IGCC電站。

值得一提的是上海外高橋第三發(fā)電廠，其被國際能源署贊為“世界上最清潔的火電廠”。美國工程機(jī)械師協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)論壇執(zhí)行主席也公開表示，外高橋第三發(fā)電廠的成就證明了“世界上最好的在網(wǎng)燃煤發(fā)電廠在中國”。按照我國最新實(shí)施的、比歐美更嚴(yán)格的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，外三電廠的排放遠(yuǎn)低于“史上最嚴(yán)”新國標(biāo)，其發(fā)電效率也已超過了美國。

2020年，全國機(jī)組均要超低排放

德國施瓦茨蓬普發(fā)電廠是世界首個(gè)使用富氧燃燒煤炭之后捕獲和存儲(chǔ)二氧化碳的清潔煤工程。來源：西門子公司官網(wǎng)

NEDO（新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)）在日本清潔煤技術(shù)研究中發(fā)揮了重要作用。來源：中日環(huán)境論壇2015文件《日本清潔煤技術(shù)研究今后的發(fā)展》

2015年12月2日國務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定，在2020年前，對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，使所有現(xiàn)役電廠每千瓦時(shí)平均煤耗低于310克、新建電廠平均煤耗低于300克。這個(gè)決定標(biāo)志著，煤電超低排放的政策和標(biāo)準(zhǔn)，在國家層面獲得認(rèn)可和大力推廣。

2016年1月15日，環(huán)保部、國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合召開了加快推進(jìn)全國煤電超低排放和節(jié)能改造動(dòng)員大會(huì)，全面部署煤電超低排放和節(jié)能改造工作。國家發(fā)改委副主任、國家能源局局長努爾·白克力指出，加快推進(jìn)煤電超低排放和節(jié)能改造，是保障我國能源安全的必然選擇……要明確目標(biāo)，形成共識(shí)，把對(duì)東部地區(qū)的要求擴(kuò)展到全國有條件地區(qū)，東部地區(qū)的改造任務(wù)提前到2017年前完成，中、西部地區(qū)也要分別在2018年前、2020年前完成。到2020年，全國具備條件的機(jī)組都將達(dá)到超低排放。環(huán)保部部長陳吉寧表示，全面實(shí)施煤電超低排放和節(jié)能改造，是一項(xiàng)重要的國家專項(xiàng)行動(dòng)。面對(duì)時(shí)間緊、要求高、任務(wù)重的客觀形勢，各地要切實(shí)將如期完成改造任務(wù)作為完成約束性減排目標(biāo)的“壓艙石”，作為推進(jìn)環(huán)境質(zhì)量改善的硬任務(wù)，毫不動(dòng)搖地抓緊抓實(shí)抓出成效。

在未來相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)，煤炭消費(fèi)仍然是中國能源消費(fèi)的大頭，也是世界很多國家能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的主力軍。清潔煤技術(shù)可以說是下一場環(huán)境技術(shù)革命中的重頭戲，中外科技人員的多年努力已經(jīng)讓我們看到了曙光。

在中國，清潔煤技術(shù)涵蓋了從煤炭開采到使用的5個(gè)方面。來源：國家核電——《“十三五”潔凈煤領(lǐng)域發(fā)展動(dòng)態(tài)》

（本文寫作中參考了國家核電的《“十三五”潔凈煤領(lǐng)域發(fā)展動(dòng)態(tài)》、中日環(huán)境論壇《日本清潔煤技術(shù)研究今后的發(fā)展》等文獻(xiàn)以及聯(lián)合國、世界核能協(xié)會(huì)、美國《連線》雜志、中國國家能源局等網(wǎng)站信息，在此一并致謝。）