毛健雄:煤电可以做到气电排放水平

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中国电力报 中电新闻网记者 彭源长 马建胜

　　毛健雄 清华大学热能工程系教授，曾任清华大学热能工程系副主任，长期从事热能工程和清洁煤燃烧发电技术等方面的教学、科研和国际交流工作，至今已有50多年。他于1993年被聘为英国煤炭科学研究院顾问，1995年被英国DeMontfort大学授予荣誉技术博士学位称号，1999年被选为英国能源学会高级会员。他所从事的主要教学和科研工作包括：燃烧理论和燃烧设备、锅炉设计和洁净煤技术、清洁煤燃烧发电技术、超临界和超超临界燃煤发电技术以及燃煤电站二氧化碳捕获和封存技术等。

　　“煤电可以做到气电的排放水平”

　　中国电力报：您认为雾霾形成的原因是什么？

　　毛健雄：现在全国很多区域产生的大范围雾霾天气，不能完全归罪于煤，煤只是其中的一部分。煤到底在一个地区的大气污染中占有多大比例，要看这个地区的具体情况。雾霾中PM2.5形成的原因很复杂，主要不是燃煤排放的粉尘，另外还有硫氧化物、氮氧化物和酸性气体等其他化石燃料燃烧的排放物，其中氮氧化物可能起着更大的作用。这些污染物在大气中混合产生氧化反应和光化学反应，二次产生气溶胶这种非常微小的颗粒物。而氮氧化物和硫氧化物产生的源头大部分是化石燃料的燃烧和汽车尾气的排放，可能汽车尾气的排放是更主要的。

　　还有一点，因为现在火电厂烟气脱硝主要采用向烟气中喷氨并通过催化来与氮氧化物反应而脱除，而这个过程中有一部分没有反应的氨气会随着烟气排放到大气中，通过光化学反应产生气溶胶。同时氨水的运输、储存和气化过程中也会有一部分泄露。

　　中国电力报：出于环境治理特别是雾霾治理的考虑，现在我国能源结构调整的力度在加大，您如何看待煤炭的前景？

　　毛健雄：中国的能源资源中，煤炭占主体地位。我认为在未来几十年内，煤炭的主体地位难以改变。我们已经是世界第一大能源消费国，电力总装机容量也是世界第一，一次能源消费里面煤炭占70%以上，发电量中火电发电量占70%以上。所以能源结构改变起来很难，因为总量基数太大，煤炭消费的绝对量太大。我认为，到2050年，中国的火电发电量占全部发电量的比重能降到50%以下就不错了。

　　长远来看，煤炭也是世界主要能源。

　　从储量来看，天然气和石油的储量比起煤炭差得很远。我认为未来四五十年内煤仍是中国第一位的能源。

　　中国电力报：您是研究煤炭燃烧的，您认为煤炭如何来清洁利用？

　　毛健雄：从发电来说，现在的环保技术已经可以把煤电做到接近燃气发电的排放水平，把烟尘降到每立方米5毫克以下、氮氧化物降到每立方米50毫克以下，都没有问题。目前上海外高桥三厂（以下简称“外三”）的烟尘排放做到了11毫克/立方米，二氧化硫25毫克/立方米和氮氧化物25毫克/立方米，其实外三还可以做到更低的排放。

　　现在火电厂除尘技术中有一种湿法电除尘器，减排的效果很好，可以达到5毫克/立方米的排放，达到了燃气的排放水平，而且对减少PM2.5的排放也会有一定的作用，现在很多火电厂在电除尘器改造时在考虑采用这种技术。如果要使煤电达到气电的排放标准，选择湿法电除尘技术可能是重要方向。如果从长远考虑，煤电的粉尘排放标准肯定还要更加严格向气电看齐，例如达到5~10毫克/立方米，这样对湿法电除尘技术就应该加以重视，积累经验，降低成本，加以推广。

　　“‘外三’的高低位布置技术是一个重大创新”

　　中国电力报：既然煤炭燃烧可以做到跟天然气一样清洁，那我们现在还有必要大量进口天然气和发展煤制气吗？

　　毛健雄：现在美国的页岩气已经在大规模的生产并且比较便宜，美国的方向也很明显，就是用大量的燃气发电来取代燃煤发电，但现在美国的煤电发电量还是第一，美国要把所有的煤电都搞掉，那是不可能的。从全世界来看，煤电仍是主力电源，煤电发电量占所有发电量的40%以上。澳大利亚90%是煤电，中国是70%，美国是40%。

　　中国要压煤上气，但是不可能把将近9亿千瓦的煤电替代掉，毕竟我们受到天然气资源的限制，而现在燃气发电只有4000万千瓦的规模。换一种思路，如果燃煤电厂能够做到和天然气电厂的排放一样清洁，我们为什么不可以在沿海大城市多搞一些像外三这样的燃煤电厂，它的效率、排放跟燃气电厂至少是一样的，而且能源成本低多了。

　　我并不是反对上天然气发电机组，而是认为节能减排还是要抓煤本身，用天然气是解决不了问题的。

　　当然天然气也有优势，就是天然气发电可以联合循环，能源利用效率可以达到60%，这是煤炭比不了的。因此，如果中国有大量天然气，就可以用来建天然气联合循环电厂，如果天然气的价格跟煤一样，肯定没人去建燃煤电厂。但是现实是我们没有那么多天然气，而且天然气又很贵，所以只能选择煤炭。

　　外三的总经理冯伟忠进行了一系列的技术创新，使外三的供电煤耗降低到276克/千瓦时，达到了世界领先的水平。

　　他还有一个新的方案叫做“高低位分轴布置的汽轮发电机组技术”，运用这项技术，可以利用现有的材料、设备和技术平台，使单位造价在与目前超超临界机组相当的前提下，机组效率再相对提高约5%，使供电效率达到48.9%，并使烟尘排放达到5毫克/立方米、二氧化硫15毫克/立方米、氮氧化物20毫克/立方米。2011年，该技术通过了国内外专家的评审，认为“采用典型的并已有使用业绩的高、中、低压缸模块进行适当的调整、组成的135万千瓦二次再热双轴机组，使用现有的高温材料，可达到目前世界上超超临界机组发电效率的领先水平，技术方案先进、可行”。

　　中国电力报：提高火电厂的效率很难吗？冯伟忠的技术有哪些先进的地方？

　　毛健雄：火电行业有一句话叫“十年磨一克”，如果真正想通过改造把机组效率大幅度地提高，是非常困难的。

　　为了把火电效率进一步大幅度提高，现在世界上欧盟、美国、日本和中国均在开发700摄氏度等级的超超临界发电技 术，这个技术的关键是研发能够在700摄氏度高温下长期安全运行的高温镍基金属材料，但它的价格是现在600摄氏度材料的10倍以上，电厂需要几根近百米长的这种主蒸汽和高温再热蒸汽管道，单就这几根管子的成本就会占整个电厂投资的25%。

　　在未来的几十年内，中国都将会是“以煤为主”，将来二次再热的700摄氏度超超临界机组的应用主战场还是在中国，因为欧洲、美国等发达国家对燃煤火电的需求已经很小了。运用700摄氏度超超临界技术可以将火电净效率从48.9%进一步提高到52%（供电煤耗236克/千瓦时）。欧盟从1998年就开始启动700摄氏度超超临界发电技术的研发，预计其示范厂的投运的时间将是在2020年以后，中国的700摄氏度超超临界示范厂也可能在2020年后建成。一旦700摄氏度超超临界技术的示范取得成功，其在市场上推广的瓶颈就是如何最大限度地缩短必须采用昂贵的镍基合金的主蒸汽和高温再热蒸汽管道的长度。

　　而冯伟忠的高低位布置是一个重大的创新。他的思路是把汽轮发电机组的高　  温高压缸直接布置到锅炉的出口，从而大大缩短了需采用昂贵的700摄氏度耐高温材料管道的长度，为此他解决了由此产生的一系列技术问题，如高温高压管道最短化后热膨胀的吸收和热应力的消除等。

　　此时汽轮发电机组的低压缸还是布置在原来的低位位置采用常规的普通材料管道。这就是用600摄氏度的高温材料去实现700摄氏度的超超临界机组的效率。因为外三汽轮机是西门子的技术，锅炉是阿尔斯通的，所以冯伟忠把他的方案交给这两家做了评估、论证，两家都给予高度评价。西门子火力发电集团产品业务部的专家认为“本技术能大大提高火力发电机组的净效率，是改革高污染发电行业成为低排放绿色产业的唯一机遇”。

　　据我所知，该项目的初步可行性研究也已于2013年12月审查完毕，目前已完全具备条件在外三厂扩建端的现有场地上开展示范性项目建设。遗憾的是，冯伟忠的方案已经提出来五年了，本来大家希望在“十二五”期间可以看到一台这种世界上效率最高、排放最低的燃煤示范机组，但是因为上海燃煤火电项目限批的原因，现在还在等待。

　　“提高效率是降低碳排放的根本”

　　中国电力报：既然有这么好的高效率低排放的煤电技术，为什么没有推广开来？

　　毛健雄：实际上冯伟忠的一系列创新技术现在正在逐渐推广，我觉得对一个新的创新事物要有一个认识的过程，据我了解，现在越来越多的的电力公司正在和冯伟忠和外三合作，例如华润电力和神华集团就已经和外三签订了技术合作的协议。一系列合作项目正在进行之中。

　　中国电力报：为什么最先进的煤电技术出现在外三？

　　毛健雄：冯伟忠这个人也算是个奇人，他初中都没毕业，从电厂当学徒工出身，全部是自学，数理化和各种专业理论，包括英文，他在国际会议上可以用英文发言，所以他不仅具有燃煤火电厂机、炉、电的整个系统的全面经验，而且有深厚的理论基础，他的每一个创新都以理论为指导，但又不墨守成规，而是敢于和善于逆向思维，或叫创新思维，想人之不敢想。他深知在火电厂不能只靠大胆，凡事必须非常科学、有根据、有把握。他的每一个技术创新都亲自做计算机模拟，模拟的计算机软件都是他自己设计的，因此他年年创新，个个成功。外三的厂用电率只有2%，这是不得了的，他搞了一个集中调频的创新，不是一个马达用一个调频器，而是用与主汽轮机抽汽驱动一个调频汽轮发电机组来对全厂的马达进行集中调频，又多发了电，又节了能。冯伟忠的成功，还在于他的十分刻苦和付出，我到过外三厂多次，厂里的同志告诉我，他是全厂早上第一个到厂，晚上最后一个离厂的人，他从来没有星期天和节假日。他是厂长兼党委书记，白天他要对全厂的高效，安全和低排放的运行进行指挥、领导和管理，他的创新工作全是在晚上下班后和节假日进行的。当然，冯伟忠的创新能够把外三变成一个安全、高效和低排放的先进燃煤火电厂，还因为他有一个非常好的团队和一个理解和支持他的上海申能公司的领导。

　　中国电力报：未来碳排放将是煤电无法回避的问题，您认为从技术创新的角度如何解决这个问题？

　　毛健雄：解决二氧化碳问题，第一步应该是最大限度地提高煤电的效率，这样就把煤电排放的二氧化碳降到最低。

　　第二步才是二氧化碳捕集和封存技术也就是CCS，但是这个技术是一个高成本和高能耗的技术。就拿效率来说，火电厂如果采用CCS系统，就会把现有效率吃掉10%，所以有一句玩笑话--“辛辛苦苦50年，一下回到解放前”，就是煤电效率从30%提高到40%用了50年，CCS一上马，50年白搞了。同时由于中国煤电的体量又很大，在中国大规模采用CCS来减排二氧化碳的前景以及如何采用现在还很难说。

　　现在联合国对全球二氧化碳排放的控制目标是不使全球平均气温上升超过2摄氏度，中国现在已经是世界上最大的二氧化碳排放国，不管怎么说，二氧化碳排放控制是中国煤电将来面临的一个巨大挑战。

　　即使将来必须采用CCS技术，那么基础也应该是高效的煤电。如果本来效率就很低，再使用CCS就很难搞下去。所以从这个角度来讲，今天最大限度地提高火电厂的效率，不仅是为了今天的节能减排，也是为了将来减排二氧化碳打基础。所以今后中国的火电厂，除了少数的热电联产之外，必须走冯伟忠的道路，当然，随着技术的进步，CCS本身的能耗也会降低。

　　如果现在全国火电效率都提高到外三现有的水平，甚至于到高低位布置的水平，则煤电每度电产生的二氧化碳会降低20~35%，效率越高，每度电产生的二氧化碳越少。现在美国的环保标准已经有了二氧化碳的排放限制要求，欧洲则早就有了，将来若干年内如果中国也有这方面的要求，中国的火电效率将迎来一个大幅提高的过程，因为环境政策标准是驱动一切环保技术发展的动力。

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