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构建节能型低成本的“超低排放”技术

文章来源:中国科技新闻网   文章作者:本站编辑   更新时间:2017-02-13    
 燃煤电厂大气污染物“近零排放”成为近一年来能源、电力行业广泛热议和争议的话题。国内外并没有公认的燃煤电厂大气污染物“近零排放”的定义,实际行业内多种表述共存,如“近零排放”、“趋零排放”、“超低排放”、“超净排放”、“超洁净排放”、“低于燃机标准排放”等等。2014年9月,国家发改委、环保部、国家能源局联合下达的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》中明确规定东部地区新建燃煤机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值(即烟尘不超过10毫克/立方米,二氧化硫不超过35毫克/立方米、氮氧化合物不超过50毫克/立方米)。

  目前我国煤电厂执行的大气污染物排放标准已经是“史上最严”、“世界最严”。奇怪的是,近期不少发电企业却主动请缨、自我加压,不断投入大量改造资金,要做到 “近零排放”甚至“零排放”,需投入巨额资金。以2×1000MW电厂为例,投资增加3-5亿元,仅湿式电除尘改造,就动辄近亿。而某些新建电厂已按“近零排放”进行建设,为数不少的现役燃煤机组已列入“近零排放”改造计划,科研管理部门抓紧攻关、环保产业界紧紧跟进、媒体持续跟踪、专家学者纷纷解读、宏观经济调控部门也正在研究是否把“近零排放”纳入到宏观决策之中……

  目前提出“近零排放”主要有两个背景:一是“雾霾”肆虐使得环境污染已经成为举国关注的社会问题,而燃烧产生的氮氧化物是雾霾的最大根源。近年来中国大面积雾霾的其中一个重要原因是巨量的煤炭消耗和长期积累的集中爆发。减少煤炭的大气污染物排放显然是治理雾霾的一个重要措施。由于资源禀赋的特点和能源成本的制约,以煤为主的能源结构相当长时间内难以改变,煤电在煤炭的消费中占比50%以上。因此,煤电的清洁化和高效化就成为中国经济可持续发展的战略选择和落脚点。对于电力企业来说,为火电争取空间也是为自己的发展争取空间。

  从煤炭着手来改善环境无可非议,但是燃煤电厂近零排放对环境治理是不是真有必要、经济上是否划算、有没有更好的选择等,是否可持续发展,还有必要厘清一些重要问题。

  上海外高桥第三发电有限责任公司(简称外三)是国内首批国产百万千瓦火力发电工程之一,项目可行性研究工作始于2002年,当时中国正处于经济快速发展期,上海电网的用电需求逐年持续攀升,电力供应严重短缺,同时中国火力发电技术还处于较落后的阶段,机组多为较低参数的中、小机组,效率低下,污染排放较严重,环保标准落后。

  外三的难能可贵之处是早在工程基建期间,在中国的火电装机水平均较低,对节能减排还未如目前高度重视的时期,工程建设者就前瞻性地以“绿色、环保”为建设目标,秉承“节能就是环保”的设计理念,在全面消化引进国外先进发电技术的基础上,瞄准世界最先进的火力发电技术,围绕“节能减排”目标,提前研究和实施创新课题,对当代世界超超临界火力发电技术进行了一系列的创新和优化。工程建成投产当年(2008年),就在平均负荷率75%的情况下,创造了平均运行供电耗287.44克/千瓦时的世界纪录,在世界上竖起了新的标杆。它的成功,对在建的和已建的火力发电厂提供了很好的示范。工程建成后,全年年平均供电煤耗仅为我国火电厂平均煤耗的82%,相当于电厂18%的发电量是“零能耗”和“零排放”。不仅缓解了中国经济发达地区-上海2002年以来电力供应严重短缺的局面,为确保电网安全做出了贡献,更重要的是它引领了中国火电机组节能减排的潮流,《华尔街日报》在2010年3月10日的报道中称“世界最高效的燃煤发电厂在上海”。

  外三一直坚持走一条有中国特色的节能型低成本环保之路。两台机组投产后,基于当时我国每年装机总量达80GW-100GW,其中煤电比例高达75%,且国家环保标准(烟尘100毫克/立方米,二氧化硫200毫克/立方米、氮氧化合物450毫克/立方米)比较落后的情况,预计煤电的环保压力会增大,提高环保标准是大趋势。因此,外三将技术创新的重点转向了环保方向。但是,由于传统的环保技术存在着“三高”困局,即“高标准”对应“高投资、高能耗及高运行成本”,这并不符合绿色和可持续发展的理念,这也必然导致企业效益和社会效益的矛盾和冲突。为破解这一困局,外三总经理冯伟忠独创的节能和低成本型超低排放系列技术却打破了这一规律,未雨绸缪研发了包括零能耗脱硫、高效节能型电除尘、节能型全天候脱硝、脱硝催化剂高效延寿等一系列世界首创的重大节能减排新技术,并在机组投产后通过每年机组检修的机会予以实施,从而使两台机组的煤耗逐年大幅下降,环保水平不断提高,仅过了短短三年,其煤耗就在自身投产时的世界最好水平的基础上又下降了11克/千瓦时,这相当于在机组投产后所开展的一系列技术创新,又将其综合技术水平在世界之巅再向前推进了一代!与此同时,其污染物的排放值也大幅下降。目前,其综合排放水平不但远优于号称史上最严的新版国家标准,甚至优于燃气轮机的排放标准,遥遥领先于世界。与全国平均水平相比,机组投运4年,节标煤200多万吨,等于节约了1台1000MW级燃煤机组的全年煤量,减排万余吨的二氧化硫、氮氧化物,因此其节能和环保意义巨大。2014年10月9日外三被国家能源局授予全国唯一的“国家煤电节能减排示范基地”。2015年10月,外三被国际电力界权威杂志,美国《电力杂志》评为世界“顶级燃煤电厂”。

  从2009年开始-,“外三”先后进行大量投入研发并实施了包含“零能耗脱硫技术”,“节能型全天候脱硝技术”,“低氧燃烧及低NOX排放技术”,“电除尘器系统优化技术”,等多项兼顾节能与环保的重大技术,并在“外三”的机组上先后投入使用。

  2009年-2013年“外三”先后开发及实施的主要技术有:

  1)零能耗脱硫技术

  2)电除尘系统优化技术

  3)低氧燃烧及低NOX排放技术

  4)节能型全天候脱硝技术

  5)低排放高水分劣质煤掺烧技术

  6)脱硫扩容增效技术

  伴随着以上一系列新的重要技术创新在“外三”机组上的分步实施,“外三”的供电能耗水平(或发电净效率)和大气污染物排放浓度水平逐年显著下降。

  从2009年开始“外三”的实际平均供电煤耗在2008年287克/千瓦时的基础上持续大幅下降。2013年在负荷率78.15%的情况下,两台机组实际平均供电煤耗达到276.82 克/千瓦时。外三2015年在年平均负荷率为72%的情况下,两台机组实际平均供电煤耗完成277.33克/千瓦时;SO2、NOx及粉尘的实际平均排放浓度分别为14.82mg/m3、17.97mg/m3及7.21mg/m3(滤膜法为0.60 mg/m3),所有环保指标均由地方环保局24小时在线监测,其综合排放水平已赶超天然气发电机组。

  2014年初,上海市环境保护局紧急下发了“关于开展燃煤电厂污染物深度治理试点工作的通知(沪环保总[2014]162号)”,要求外三深入开发污染物深度治理潜力,在确保污染物达标排放的基础上,消除石膏雨污染,开展技术研究和试点示范工作。

  为响应环保局的号召,外三在目前的排放水平上进一步挖掘机组排放持续下降的空间。2014年至今外三正在执行和实施的大气污染物深度治理项目如下:

  1) 全新回热式GGH“石膏雨”防治技术

  2) 中温省煤器(低低温电除尘)技术

  3) 除雾器优化改造

  外三始终坚持构建节能型低成本“超低排放”环保之路,至2015年年底,以上三项深化改造项目在#8机组上实施后,公司二氧化硫、氮氧化物及烟尘排放浓度最低也可以下降到6mg/m³、9mg/m³及5 mg/m3,但是综合考虑经济性,2015年度外三公司二氧化硫、氮氧化物平均排放浓度控制在20 mg/m³以内,烟尘平均排放浓度控制在10 mg/m³左右,环保指标在上海地区综合排名第一,已经远优于新的国家标准甚至达到和超过燃气轮机的排放标准。

  中国工程院院士倪维斗表示:“中国的能源结构决定着国家低碳绿色发展的重点,应当尽可能地将煤电的能耗和排放降低,外三有这样的技术引领绿色煤电新的方向。”而国内其他推行“近零排放”的电厂成本上的问题可能还不止如此。从投资成本上来看,据环境保护部初步估算,对现役火电机组进行脱硫、脱硝和除尘改造的费用高达2000亿-2500亿元。但如果需要政府买单,或者通过销售电价往下游消费者传导,那这笔账就很有必要谨慎地算清楚。因此,这种“高投入、高成本、高耗能”的改造方式引起了业界专家的质疑,中国电力企业联合会秘书长王志轩在新近发表的《煤电近零排放不科学》一文中提出了不同的观点,他指出 “近零排放”不仅在技术上并没有重大创新,在环境效益和经济效益的投入产出比也太低。

  燃煤电厂的近零排放也不能解决二氧化碳问题。目前,所谓的“近零排放”是针对二氧化硫、氮氧化物、烟尘等大气污染物而言的,衡量标准是使得燃煤机组的二氧化碳排放量小于同等发电量下燃气机组水平,并不能减少二氧化碳的排放,所以并不是真正意义的近零排放。虽然现阶段由于雾霾的压力,环境治理问题的重要性可能在一定程度上超过了低碳议题,但是这并非意味着低碳议题不再重要。如果二氧化碳与全球气候变暖的关系是成立的,那从全球社会更长期的视角来看,低碳发展才是关乎全体人类生存的主题。与燃煤电厂二氧化碳排放密切相关的指标是供电煤耗或机组净效率,目前燃煤电厂的“近零排放”不仅不能对二氧化碳进行减排,而且与碳减排相反。事实上,今年7月1日起开始实施的国家环保新标准,已是世界上最严的。在这基础上进一步达到燃气轮机排放标准,环保边际效益很小,且现在一般的“近零排放”没有任何的技术突破,仅仅是常规环保设备的堆砌,需花费巨额的投资,增加更多的环保设备,使得发电机组厂用电率和等效能耗显著上升,从而又进一步增加了二氧化碳的排放。真正的清洁煤炭减排技术,不能以能耗和碳排放为代价。

  总的来说,不计成本追求燃煤电厂的近零排放意义不大,大面积推广更是需要综合考虑其对环境治理的必要性和经济可行性,并在经济效益上与其他治理方案进行综合比较。因此,某些发电企业“主动”“近零排放”的主要原因并非是为了环保,而是为了企业自身的利益而进行的一场特殊的煤电“保卫战”,是为了生存发展,并避免更大损失而提出并实施的一种竞争性战术。这种为了避免更大的损失或者为了获取局部的利益,而采取不科学、不合理且不可持续的发展对全社会造成损失的做法是值得深思。

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