中國煤炭清潔燃燒技術路線圖的初步探討

岳光溪 ，周大力 ，田文龍，麻林巍 ，劉青 ，章景皓 ，王志軒，龍輝，廖海燕

（1. 清華大學能源與動力工程系，北京 100084；2. 清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084；3. 清華大學國家電力系統重點實驗室，清華-BP清潔能源研究與教育中心，北京 100084；4. 中國電力企業聯合會，北京 100761；5. 中國電力工程顧問集團有限公司，北京 100120；6. 神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025）

一、前言

（一）中國煤炭利用的結構特點

按發電煤耗法計算，煤炭占2016年中國一次能源消費總量的62%和生產總量的69.8%。在美國、歐洲等許多發達國家，集中式大規模發電是煤炭利用的主導方式（主導意味著至少75%以上）。而中國煤炭利用的結構則更為多元化。如圖1所示[1]，2016年中國統計范圍內的煤炭在最終去向上，僅58.4%用于集中的電、熱生產（發電約52%，供熱約6.4%）；約33%用于工業及建筑業，包括工業鍋爐、窯爐的直接燃燒利用（約17%）和作為鋼鐵生產原料為主的焦炭利用（約16%）；其余約8.6%作為民用散燒煤，并以鄉村生活消費為主。

總體上，燃燒利用還是中國煤炭利用的主導方式（超過80%）。但其中除了用于集中式大規模發電外，還有相當部分用于分散式工業、民用燃料。

（二）發展煤炭清潔燃燒技術的重要意義

從生態環保角度，國家層面有嚴格控制煤炭利用規模、持續降低煤炭在一次能源中占比的長遠預期。例如，國家發展和改革委員會以及國家能源局提出2050年非化石能源占比超過一半[2]。戴彥德等[3]提出的重塑中國能源情景下，2050年非化石能源占比達55%，煤炭占比降至20.1%（按發電煤耗法計算）。在此背景下，當前嚴重的大氣污染問題進一步催化了社會上的“去煤化”浪潮。

但考慮客觀實際，必須意識到近中期煤炭仍是中國的主力能源。過激、過度的“去煤化”會嚴重影響到電、熱等基本能源的供應保障和安全。根據我國國情，近中期要更努力地發展更清潔的煤炭燃燒技術。正如在2015年中央一季度經濟工作會議上，習近平總書記就煤炭清潔利用發表講話指出：“我們正在壓縮煤炭比例，但國情還是以煤為主，在相當長的一段時間內，甚至從長遠來講，還是以煤為主的格局，只不過比例會下降。我們對煤的注意力不要分散。而要考慮煤怎么用好，重點考慮利用新技術解決煤炭清潔燃燒問題”[4]。此外，中國工程院的推動能源生產和消費革命戰略研究提出2050年煤炭占比控制在40%左右[5]，這也是主要從國家能源安全角度考慮的結果。

圖1 2016年我國煤炭直接消費流向圖

二、研究方法

技術路線圖是國際上廣泛采用的，支持戰略規劃發展與實現的工具[6]。近些年，技術路線圖被廣泛應用于公司戰略[7]、科技創新[8]、能源規劃[9]、城市建設[10]等領域。國際能源署2014年推出了技術路線圖指南[11]，提出：路線圖清楚地概述了任務之間的聯系以及近期、中期和長期行動重點。一份完整的技術路線圖包括目標、里程碑、差距和障礙、行動項目、優先事項和時間表等。中國與技術發展相關的五年規劃和戰略文本，也可認為是技術路線圖的國情特色表述形式。一般包含現狀問題、戰略思路和目標、戰略任務和保障措施等。

但目前，國內外關于煤炭清潔燃燒技術路線圖的研究相對缺乏。2015年1月以來，圍繞煤炭清潔燃燒的技術路線圖問題，“煤炭清潔技術發展方向研究及發展路線圖”課題（中國工程院咨詢項目“我國能源技術革命的技術方向和體系戰略研究項目”的課題6）組織了國內煤炭清潔燃燒領域的權威專家，進行了兩年多（到2017年11月）的研討，最終提出了如下關于戰略思路和目標、國內外技術現狀、未來技術方向、重點領域和關鍵技術的認識。

三、研究結果

（一）戰略思路和目標

發展煤炭清潔燃燒技術的戰略思路和目標為：一方面要吸收國外的經驗，盡量將煤炭集中到便于實現清潔燃燒的大規模發電領域。同時也必須考慮我國國情和國策，高度重視在中小容量燃煤裝置中應用高效、清潔和低成本的技術。

這一方面是參考了歐美等發達國家煤炭主要用于大規模集中發電的經驗，另一方面也是出于對國情國策的考慮：近年來煤電行業的環保努力已經對大氣污染減排做出了突出貢獻，煤炭環保工作的焦點已經轉移到了工業和民用燃煤上。

（二）國內外技術現狀

截至2016年10月，圍繞六類煤炭清潔燃燒相關技術的國內外技術現狀的調研結果為：

（1）燃煤工業鍋爐：約85%為鏈條爐，平均單爐容量低，裝備總體水平差，運行效率低，平均熱效率僅為60%～65%，比國際先進水平低20%，并缺乏有效的污染物控制手段。

（2）民用散煤（一產、三產和生活部門）：比較而言，國內技術基礎較為薄弱，甚至連民用散煤的統計數據都難以取得一致認識。

（3）超超臨界技術：中國600 ℃一次再熱機組的供電煤耗和供電效率已經世界領先；600 ℃二次再熱機組全球約25臺，中國已投運6臺；650 ℃機組全球僅俄羅斯開發了1臺SKR-100機組；700 ℃機組全球尚在研發，國內也已開展科研項目。

（4）煤電污染物控制技術：在大氣污染物控制上，中國總體已經達到世界先進水平，有些方面甚至領先；在廢水控制上與國外基本相當，但廢水零排放尤其是脫硫廢水零排放相對落后；在固體廢物控制上，粉煤灰和脫硫石膏的大宗綜合利用世界先進，但高附加值精細化利用相對落后。

（5）煤電深度節水技術：在褐煤取水方面，國內外均處于研發示范階段。國內已在10個以上火電機組開展技術應用論證。在煙氣水回收方面，冷凝水回收技術已在瑞典Karlskoga熱電廠實際運行，國內有4臺660 MW超超臨界機組開展工程設計。膜法水回收已在國外燃氣電站實現商業化應用，國內仍處于研究階段。

（6）碳捕獲和封存/碳捕獲、利用和封存（CCS/CCUS）技術：國際上大部分技術不同程度地處于理論研究、試驗研究、工業示范和小范圍商業性運作階段，尚處于“特定條件下經濟可行”階段。國內在二氧化碳的運輸管道建設上、化學鏈燃燒等前沿技術的基礎研究上，與美國等發達國家相比還較為落后。

總體上看，中國在超超臨界、煤電深度節水和煤電廢物控制等技術領域已處于世界先進甚至領先的水平，雖然仍有部分技術和關鍵設備需要進一步研發或改進。與此同時，在燃煤工業鍋爐、民用散煤和CCS/CCUS等方面，亟待縮小與國外技術發展的差距。

（三）未來技術方向

基于上述現狀和技術需求，現提出未來技術方向如下：

（1）燃煤工業鍋爐：推動工業鍋爐向大型化、智能化發展，提高自動化水平。鼓勵企業使用節能型低排放循環流化床鍋爐、尾部煙氣脫硫/除塵/脫氮一體化的鏈條爐等先進適用的清潔高效燃煤工業鍋爐技術。與此同時，通過以氣代煤、以電代煤以及深度挖掘工業余熱利用和廢棄物循環等減少工業鍋爐的燃煤量。

（2）民用散煤：深入推進優質煤/潔凈型煤集約化生產、銷售、使用。建立集中生產配送系統，包括生產配煤中心、供應網絡、農村配送體系、先進民用爐具供應平臺等。推廣民用解耦燃燒技術。與此同時，因地制宜推進以氣代煤、以電代煤和以可再生能源代煤。

（3）超超臨界技術：繼續發展完善和推廣應用初參數為600 ℃/610 ℃/620 ℃，單機容量為1 000 MW級的二次再熱超超臨界機組；加快研發和應用適用于600 ℃、二次再熱超超臨界燃煤機組的高低位錯落布置技術；盡快開展650 ℃機組的研究和示范工作，并及時推廣應用；開發700 ℃機組耐熱合金材料，對700 ℃機組的關鍵部件進行試驗驗證，開發700 ℃機組的主要設備和輔助設備，爭取建設700 ℃超超臨界機組示范工程，全面掌握700 ℃超超臨界機組技術。

（4）煤電污染物控制技術：在廢棄物控制上，發展更高性能、更經濟的新型污染物控制技術和多污染協同控制技術；在廢水控制上，發展脫硫廢水的“常規處理+預處理+蒸發結晶”技術；在固體廢物控制上，發展利用脫硫石膏改良土壤（已成功改造20萬畝）、高鋁粉煤灰生產氧化鋁等。發展脫硫石膏和粉煤灰的精細化利用，生產高附加值產品。

（5）煤電深度節水技術：在空冷電廠廣泛應用干除灰、干除渣、輔機空冷等成熟技術；建設600 MW機組褐煤取水和煙氣取水示范工程，并推廣應用。

（6）CCS/CCUS技術：繼續開展捕獲、利用技術的研發和示范；盡快推進二氧化碳運輸管道體系建設和區域源匯匹配的全流程工業示范。

（四）重點領域和關鍵技術

結合經濟、社會發展趨勢，在上述方向中進一步凝練出的重點領域為：①優化終端燃煤，在控制工業鍋爐和民用散煤的燃煤使用規模的基礎上，迅速提高燃煤工業鍋爐的能效和排放性能，大力提升民用散煤的煤質和利用水平；②提高煤電效率，以高效超超臨界技術為主攻方向；③煤電靈活調峰，在保證鍋爐燃燒效率的同時，一定程度上解決電力調峰問題；④發展綠色煤電，實現煤電廢氣超低排放、廢水近零排放、固體廢物全部綜合利用，促進煤電深度節水，推進煤電低碳化技術攻關。

圍繞上述重點領域的關鍵技術包括：①先進燃煤工業鍋爐，民用優質清潔煤炭和爐具；②二次再熱超超臨界、汽輪發電機組新型布置技術、650 ℃及700 ℃超超臨界機組研發示范；③熱電解耦運行、電站運行優化技術；④煤電深度節水、廢氣超低排放、廢水零排放、固體廢物大規模利用技術；⑤二氧化碳管網建設和捕獲/利用先進技術；⑥加強系統集成，探索近零碳排放、清潔高效、節約資源的全新一代煤電技術。

四、技術路線圖

在上述認識基礎上，最終繪制的2050年前煤炭清潔燃燒技術路線圖，如圖2所示。其核心是要圍繞四大重點領域，分階段推進各類關鍵技術的科技攻關、示范推廣和產業化。此外，為在2050年前實現新一代綠色煤電技術的顛覆式創新，從現在起就應加強圍繞耦合CCS/CCUS、可靈活調峰以及集成其他先進技術的近零碳排放、清潔高效、節水的新型綠色煤電技術及系統的基礎性研究。

五、實施建議

為促進技術路線圖實施，現提出五條戰略建議：

（1）加強宣傳，使全社會充分認識到煤炭對于我國能源安全的基礎性作用。避免過度“去煤化”和“談煤色變”可能帶來的潛在重大風險。

（2）規劃引領，切實提高煤炭用于集中發電和供熱的比重。通過五年規劃目標引導，使煤炭用于集中發電和供熱的比重2030年至少高于65%，2050年達到75%以上，從用煤結構上保障清潔化。

圖2 2050年前煤炭清潔燃燒技術路線圖

（3）加快在中小型燃煤工業鍋爐中應用一批新型循環流化床技術，從源頭控制工業燃煤污染。通過相對簡易的工程措施和無需改變煤種，實現低監管要求的、穩定可靠的燃煤工業鍋爐清潔化（尤其是100 t/h以下規模）。

（4）加快在民用散燒領域推廣一批優質型煤和專用爐具，減少民用源的分散式污染排放。

（5）重視基礎研究，加快推進一批面向未來的綠色煤電技術顛覆式創新的國家重點研發專項。

六、結論和展望

本文對中國煤炭清潔燃燒技術的重要意義以及技術路線圖相關的若干重要問題進行了初步探討，提出了面向2050年前的煤炭清潔燃燒技術路線圖以及促進技術路線圖實施的五條戰略建議。

總體來看，本文雖然對煤炭清潔燃燒技術路線圖提出了相對系統的分析和建議。但考慮到中國能源長期發展和能源技術創新所面臨的諸多不確定性，希望在今后研究中能夠進一步發展完善和不斷更新該技術路線圖，以促進煤炭清潔燃燒技術的健康發展和可持續發展。