文 鄭楚光

常規(guī)能源的新挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施

文 鄭楚光

我國能源面臨著利用效率偏低、能源安全形勢(shì)嚴(yán)峻、能源供應(yīng)成本提高的巨大挑戰(zhàn)。因此，能源產(chǎn)業(yè)的改革勢(shì)在必行，清潔、低碳、高效、安全是能源革命的主要目標(biāo)。

化石能源是我國能源消費(fèi)的主要組成部分，其中尤以煤炭為最。當(dāng)前，我國能源面臨著利用效率偏低、能源安全形勢(shì)嚴(yán)峻、能源供應(yīng)成本提高的巨大挑戰(zhàn)。因此，能源產(chǎn)業(yè)的改革勢(shì)在必行，清潔、低碳、高效、安全是能源革命的主要目標(biāo)。

煤炭是我國的重要能源，在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比約為64%，而且以煤為主的能源結(jié)構(gòu)將長期不會(huì)改變。煤炭既是中國能源供應(yīng)的重要支撐，也是中國能源安全的重要保障。能源消費(fèi)絕對(duì)量的大幅增加和以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致我國環(huán)境污染日益加重。環(huán)境污染、生態(tài)破壞、氣候變化已經(jīng)成為壓在中國頭上的三座環(huán)境大山。

近年來，我國在污染排放控制方面取得了顯著的成果，其中以電力行業(yè)對(duì)煙塵、二氧化硫、氮氧化物等常規(guī)污染物的控制，效果尤為顯著。2014年，中國開始實(shí)施《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》，實(shí)施更為嚴(yán)格的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，即新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度，基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，而這一標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)高于國際標(biāo)準(zhǔn)。但同時(shí)，霧霾、汞和CO2等非常規(guī)污染物的排放依然形勢(shì)嚴(yán)峻，影響嚴(yán)重。我國每年汞排放量約占全球總排放量的1/3 以上，其中燃煤電站排放的燃煤汞貢獻(xiàn)了85%以上的份額。另外，我國CO2排放量已位居世界第一，排放總量超過美國與歐洲的總和。綜上，控制燃燒氣體中非常規(guī)污染物的排放是當(dāng)前一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

細(xì)顆粒物脫除技術(shù)

細(xì)顆粒物（PM2.5）富含大量有毒、有害物質(zhì)，在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。我國細(xì)顆粒物的排放量從2006年的1803萬噸增長到了2012年的2087萬噸。從對(duì)我國大氣中細(xì)顆粒物源解析結(jié)果來看（圖1），細(xì)顆粒物一次排放量中，燃煤排放約占25%。從我國的煤炭使用情況來看，燃煤電廠耗煤量最大，所以燃煤電廠煙氣中細(xì)顆粒物治理成為大氣顆粒物污染治理與研究的焦點(diǎn)。

針對(duì)燃煤電廠顆粒物的排放控制，國際上常采用干式靜電除塵器和袋式除塵器來控制燃煤顆粒物。然而，常規(guī)電除塵對(duì)于細(xì)顆粒物，尤其是對(duì)0.1-1μm細(xì)顆粒的脫除效率較低，因此在傳統(tǒng)除塵器前設(shè)置預(yù)處理階段，使細(xì)顆粒物通過物理的或化學(xué)的作用團(tuán)聚成較大顆粒后加以清除，已成為除塵技術(shù)研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)問題。

細(xì)顆粒物團(tuán)聚促進(jìn)技術(shù)具有投資少、成本低等優(yōu)勢(shì)，在不改變現(xiàn)有除塵設(shè)備和參數(shù)的前提下，不增加大型設(shè)備、不需大量投資的基礎(chǔ)上，提供了一種最佳效率/成本比的顆粒物排放和煙塵黑度控制方法。該技術(shù)通過在燃后區(qū)，利用化學(xué)團(tuán)聚理論，增加顆粒之間的液橋力和固橋力，促進(jìn)細(xì)顆粒物團(tuán)聚，使細(xì)顆粒物團(tuán)聚成較大顆粒團(tuán)，以提高靜電除塵器對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效率，達(dá)到用袋式除塵器置換靜電除塵器才能達(dá)到的目標(biāo)，甚至超過袋式除塵器的除塵效率，達(dá)到國家頒布的最新顆粒物排放環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。我國能源以燃煤發(fā)電為主，具有上千座燃煤發(fā)電廠，該技術(shù)在發(fā)電行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。2016年12月，在國電集團(tuán)豐城電廠300MW機(jī)組進(jìn)行的化學(xué)團(tuán)聚現(xiàn)場示范，實(shí)現(xiàn)了煙塵的超低排放，并通過中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)鑒定，整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖1.全國人為源細(xì)顆粒物排放清單

汞及痕量有害元素的排放與控制

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署2013年的報(bào)告指出，2010年中國由燃煤引起的汞釋放量達(dá)254噸，約占亞洲東部和東南部的75%，占全球汞釋放總量的1/3。由燃煤釋放的汞主要來源于電力和工業(yè)生產(chǎn)。其他有害微量重金屬元素如砷、鉛、鎘、氟等的排放形勢(shì)也很嚴(yán)峻。然而，由于人們對(duì)細(xì)顆粒物和有害微量元素的排放規(guī)律和抑制機(jī)理的探索和認(rèn)識(shí)最為膚淺，對(duì)有害微量重金屬元素相關(guān)的排放法規(guī)還很寬松或尚屬空白。

圖2.全國人為源大氣重金屬排放清單

近年來，我國的重金屬排放量逐年增加。2010年的汞、砷、鉛、鉻、鎘等重金屬排放量是2000年總排放量的3倍左右。其中，煤燃燒是重金屬排放的主要來源之一，約占38%～73% （圖2）。我國的燃煤汞污染控制面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前的以脫硝、除塵及脫硫等設(shè)備的協(xié)同脫除不能滿足燃煤汞控制的要求，迫切需要單項(xiàng)脫汞技術(shù)儲(chǔ)備。因此，這些煤中有害元素分布富集機(jī)理的研究，不僅可以解決有害元素污染控制技術(shù)發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，而且通過煤利用過程中有害元素遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題的研究以及防控技術(shù)的研發(fā)，能使我國在煤中有害元素環(huán)境污染控制方面形成明顯特色優(yōu)勢(shì)。這也為今后建立燃煤電站砷、鎘、鈹、鈾、鉛、氟等微量元素的排放標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)，發(fā)展微量元素的協(xié)同脫除技術(shù)。

目前，國內(nèi)外汞排放控制技術(shù)的研究主要集中在三個(gè)方面：燃燒前脫汞、燃燒中脫汞和燃燒后煙氣脫汞，其中以燃燒后脫汞技術(shù)的研究最為廣泛?；钚蕴繃娚浼夹g(shù)是國際上公認(rèn)最有效的燃煤煙氣汞釋放控制技術(shù)，但運(yùn)行成本太高，而且會(huì)導(dǎo)致灰中碳含量增加，影響其商業(yè)化應(yīng)用。

利用具有磁性的鐵氧化物或者飛灰磁選分離，得到具有磁性的吸附劑并循環(huán)利用，以及利用催化劑氧化脫除煙氣中的元素汞，將催化劑在特定氣氛下進(jìn)行再生，是目前脫汞的研究方向。針對(duì)現(xiàn)有汞吸附劑價(jià)格昂貴、適應(yīng)性差等問題，需要研發(fā)可再生高效汞吸附劑及其活化制備技術(shù)、噴射裝置與控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、可工業(yè)應(yīng)用的汞脫除技術(shù)，形成可再生吸附劑噴射脫汞及活化再生的完整工藝流程。

碳捕集封存利用

碳捕集利用與封存(簡稱CCUS)被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)化石能源利用過程中減排二氧化碳的唯一途徑，也是實(shí)現(xiàn)能源變革的戰(zhàn)略性支撐技術(shù)之一。政府間氣候變化專門委員會(huì)（簡稱IPCC）認(rèn)為，沒有CCUS技術(shù)，將很難完成碳減排任務(wù)。從“十一五”開始，我國政府高度重視應(yīng)對(duì)氣候變化和二氧化碳減排工作，在CCUS領(lǐng)域先后部署了“973”“863”“國家科技支撐計(jì)劃”等一系列重點(diǎn)研究任務(wù)。

燃燒前、富氧燃燒、燃燒后捕集CO2是目前主流的三種方法。其中，富氧燃燒技術(shù)具有相對(duì)成本低、易規(guī)?；?、適于存量機(jī)組改造等諸多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最可能大規(guī)模推廣和商業(yè)化的CCUS技術(shù)之一。該技術(shù)用高純度的氧代替助燃空氣，同時(shí)采用煙氣循環(huán)調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)的介質(zhì)流量和傳熱特性，可獲得高達(dá)90%～95%體積濃度的富含CO2的煙氣，從而以較小的代價(jià)冷凝壓縮后實(shí)現(xiàn)CO2的永久封存，是一種易于為電力工業(yè)界所接受的大規(guī)模捕集CO2的新型燃煤發(fā)電技術(shù)。與此同時(shí)，煙氣再循環(huán)使得燃燒裝置的排煙量大為減少（僅為傳統(tǒng)方式的1/4～1/5），從而大大減少排煙損失，鍋爐熱效率得以顯著提高。此外，這種新型燃燒方式還具有高效脫硫、脫硝的效能，可望成為一種污染物綜合排放低的環(huán)境友好型的燃燒方式。從經(jīng)濟(jì)角度看，雖然氧燃燒系統(tǒng)中需要增加花費(fèi)較高的空分裝置，但由于無需增加昂貴的煙氣凈化裝置，節(jié)省了凈化成本，加之CO2的資源化利用，因此在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

目前，華中科技大學(xué)在富氧燃燒的研發(fā)領(lǐng)域具有引領(lǐng)優(yōu)勢(shì)，已完 成 了“0.3MW-3MW-35MW-200MW”的技術(shù)放大路線圖，實(shí)現(xiàn)了“富氧燃燒-空氣燃燒兼容”的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)理念。

未來煤燃燒的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)的挑戰(zhàn)和使命，是對(duì)于燃煤釋放的非常規(guī)污染物排放的控制。應(yīng)開展煤燃燒排放區(qū)域大氣顆粒物和重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，探索相應(yīng)的健康風(fēng)險(xiǎn)模型，建立相應(yīng)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，有針對(duì)性地制定干預(yù)措施；研究控制技術(shù)實(shí)施前后大氣顆粒物和重金屬人群健康風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際情況，論證控制技術(shù)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)和人群健康的影響。

鄭楚光：華中科技大學(xué)教授