中國電力的清潔化之路：干凈的煤炭發(fā)電
2018年，中國全社會(huì)用電量達(dá)到68499億千瓦時(shí)，口徑發(fā)電量69940億千瓦時(shí)。在這接近7萬億度的發(fā)電和用電量背后伴隨的是中國電力來源不斷向著清潔化邁進(jìn)的努力，換而言之，我們的用電量以每年8%以上的速度增長，但是這些電反而更干凈了。
中國電力的清潔化通過幾個(gè)維度來展開，包括繼續(xù)降低火力發(fā)電方式的污染、提升清潔能源發(fā)電量占比、大規(guī)模投入發(fā)展開啟人類下一個(gè)世代的終極能源等。
因此本文將分為上中下展開，即第二段涉及到的這三個(gè)部分，因此第一篇首先來講中國的火力發(fā)電。
還是根據(jù)2018年的用電量數(shù)據(jù)，在全國口徑發(fā)電量中，火力發(fā)電量占到70.39%，屬于絕對的大頭。但如果你跟一個(gè)普通人說火力發(fā)電，那么絕大部分人會(huì)聯(lián)想到煤炭，黑煙，污染等關(guān)鍵詞，也就說在大部分人的概念里，我們國家的主要電力來源是不干凈的，是有原罪的，甚至燒煤要比燒油要罪過的多。然而事實(shí)并非如此，現(xiàn)在的火力發(fā)電技術(shù)遠(yuǎn)比人們想象的要干凈的多。
在中國，火力發(fā)電絕大部分是煤炭發(fā)電，極少部分燃油、燃?xì)?、煤矸石、生物質(zhì)和垃圾發(fā)電。因此在火力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)上，主要集中在煤炭發(fā)電。
如何降低煤炭發(fā)電的污染？
思路其實(shí)不復(fù)雜，首先是降低煤炭耗率，用更少的煤發(fā)更多的電；其次是降低燃煤污染物的排放，各種脫硫脫硝措施往上懟，發(fā)電廠排污一超標(biāo)就倒霉一群人，尤其是在2014年之后，還頒布了專門的超低排放指導(dǎo)性文件，要求在2020年前完成火力發(fā)電的排放改造。
關(guān)鍵詞：超臨界、超超臨界
火力發(fā)電的本質(zhì)是燒開水，無論是煤、燃油、天然氣還是生活垃圾，把水燒開了，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，這電就來了。
一個(gè)關(guān)于火力發(fā)電廠的基本知識(shí)：鍋爐主蒸汽溫度越高，發(fā)電時(shí)浪費(fèi)的熱耗率就越低。
換個(gè)易懂的說法就是，開水燒的越燙，整體發(fā)電效率越高，效率越高意味著什么？意味著同樣一度電需要更少的煤炭，煤炭消耗量少了，碳排放和污染物排放總量自然就少了。這是減排的第一步，減排第二步是進(jìn)一步降低污染物排放，這個(gè)后面展開。
蒸汽溫度越高效率高，那么多高才叫高？
這里就要引入一個(gè)概念，水的臨界點(diǎn)，水在臨界點(diǎn)下的壓力和溫度分別是22.129兆帕和374.15攝氏度，在這個(gè)狀態(tài)下，液態(tài)水和水蒸氣的密度是相同的，所以才叫臨界點(diǎn)。就是不管往上還是往下，往左還是往右，密度都一樣大。
22.129兆帕什么概念？218個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，足夠把人壓成......反正肯定看不出來是個(gè)人。
如果鍋爐里的水和水蒸氣壓力低于這個(gè)臨界點(diǎn)，就叫做亞臨界鍋爐/機(jī)組；大于這個(gè)壓力自然就是超臨界鍋爐/機(jī)組；壓力非常大，大的很厲害，就可以叫超超臨界鍋爐/機(jī)組，就是比超臨界還厲害的意思。
幾個(gè)工業(yè)大國對超超臨界的起始溫度和壓力有著不同的定義，比如日本認(rèn)為是24.2兆帕/593攝氏度，丹麥?zhǔn)谴笥?7.5兆帕，我國則是27兆帕/580攝氏度。不過在實(shí)際運(yùn)行過程中，我們國家的超超臨界機(jī)組大多是600攝氏度左右的蒸汽溫度。
亞臨界機(jī)組到超臨界機(jī)組再到超超臨界機(jī)組，需要的是系統(tǒng)性的改進(jìn)和優(yōu)化，從鍋爐到汽輪機(jī)到發(fā)電機(jī)，再到再熱系統(tǒng)，溫度幾十成百度的上升，光是材料這一塊就面臨巨大的挑戰(zhàn)。
比如德國在一開始發(fā)展超臨界發(fā)電機(jī)組的時(shí)候設(shè)定了很高的溫度和壓力指標(biāo)，結(jié)果因?yàn)槟透邷夭牧喜环€(wěn)定等原因，在實(shí)際運(yùn)行過程中降低了這兩項(xiàng)指標(biāo)，在后續(xù)材料獲得突破之后才陸續(xù)提升發(fā)電機(jī)組鍋爐的溫度和壓力值。
從整個(gè)超臨界機(jī)組在全世界發(fā)展的時(shí)間脈絡(luò)來看，歐美俄普遍起步于上世紀(jì)六十年代，中國在這方面起步挺晚的，但已經(jīng)后來居上。
要講超臨界和超超臨界技術(shù)在中國電力行業(yè)的發(fā)展，這里就不得不提到上海外高橋電廠，按照建設(shè)時(shí)間不同，外高橋電廠分為一廠，二廠和三廠。作為全國最早按照新廠新模式建設(shè)的現(xiàn)代化電廠，外高橋一廠的四臺(tái)30萬千瓦亞臨界火電機(jī)組在當(dāng)時(shí)就屬于全國電力行業(yè)的標(biāo)桿機(jī)組，各項(xiàng)主要經(jīng)濟(jì)和環(huán)保指標(biāo)都是相當(dāng)先進(jìn)的。
雖然中國的第一批超臨界機(jī)組落在了和外高橋電廠一江之隔的上海石洞口發(fā)電廠（2*60萬千瓦），但外高橋電廠拿下了更為重要的第一：第一個(gè)在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)280克/千瓦時(shí)以下的供電煤耗率。
如果開車沿著上海外環(huán)從寶山過隧道進(jìn)浦東，出了隧道之后不久就能在你的左側(cè)看到一字排開的外高橋電廠8臺(tái)發(fā)電機(jī)組，從亞臨界到超臨界，再到全球標(biāo)桿的百萬千瓦級超超臨界機(jī)組，一應(yīng)俱全。
外高橋三廠的2臺(tái)百萬千瓦級超超臨界機(jī)組在2008年投產(chǎn)，當(dāng)年就實(shí)現(xiàn)煤耗率286克/千瓦時(shí)，這一年全國火電機(jī)組平均供電煤耗是多少？349克/千瓦時(shí)，外三的這兩臺(tái)機(jī)組在煤耗率上足足整個(gè)行業(yè)近20%。
在投產(chǎn)之后，外三電廠組織技術(shù)力量繼續(xù)改進(jìn)攻關(guān)，在2013年首次實(shí)現(xiàn)276克/千瓦時(shí)的煤耗。
在歐美電力行業(yè)，被認(rèn)為技術(shù)最強(qiáng)的燃煤發(fā)電廠是丹麥的Nordjylland電廠3號機(jī)組，采用二次再熱超超臨界技術(shù)，配合超低溫海水冷卻，實(shí)現(xiàn)286克/千瓦時(shí)的供電煤耗，這個(gè)參數(shù)，比外三電廠落后整整10克/千瓦時(shí)，而這已經(jīng)夠得上一個(gè)燃煤發(fā)電機(jī)組的代差了。
從外三電廠、華能玉環(huán)電廠開始，中國開始了超超臨界組的建設(shè)浪潮，主要分為2個(gè)功率檔次：60萬千瓦和百萬千瓦。截止到2018年底，光是百萬千瓦級超超臨界機(jī)組就已經(jīng)達(dá)到111臺(tái)。
如此大規(guī)模的建設(shè)超超臨界機(jī)組帶來了什么？大量技術(shù)老舊，發(fā)電功率和效率雙低的發(fā)電機(jī)組被關(guān)停，為此還有專門有一個(gè)四字詞來形容這件事：“關(guān)停并轉(zhuǎn)”。有新機(jī)組用了，老的不環(huán)保機(jī)組自然就可以停用了。
在數(shù)據(jù)上同樣可以看出成效， 2008年全國煤電供電煤耗為349克/千瓦時(shí)，2010年全國煤電供電煤耗為333克/千瓦時(shí)，到了2014年全國煤電供電煤耗減少至319克/千瓦時(shí)。到2018全國煤電供電煤耗達(dá)到了307克/千瓦時(shí)，一個(gè)明顯的線性遞減過程。
前面提到，丹麥的Nordjylland電廠3號機(jī)組采用了一種叫做二次再熱的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)在中國同樣沒有缺席，國電集團(tuán)在江蘇泰州電廠的2臺(tái)百萬千瓦超超臨界燃煤機(jī)組就使用了二次再熱技術(shù)，供電煤耗多少？265.75克/千瓦時(shí)，比外三電廠此前創(chuàng)下的紀(jì)錄更低。而且超超臨界二次再熱發(fā)電機(jī)組已成為我國新建600～1000MW等級火力發(fā)電機(jī)組的首選技術(shù)。
另外，超超臨界技術(shù)在中國的深度發(fā)展還給舊機(jī)組改造帶來了春天，一個(gè)比較成功的案例是華潤徐州電廠32萬千瓦燃煤機(jī)組，在外高橋三號電廠馮偉忠教授的研究下，實(shí)現(xiàn)“高溫亞臨界”技術(shù)改造。煤耗率降低至287克/千瓦時(shí)，改造過程此處不再贅述.
超低排放
不可否認(rèn)的是，火力發(fā)電所產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物和其他顆粒物曾經(jīng)確實(shí)是造成我國空氣污染的重要源頭，尤其是在山西、內(nèi)蒙一帶，當(dāng)?shù)夭粌H鏟煤，也是火力發(fā)電廠的聚集地。尤其在冬天開始供暖之后，燃煤所帶來的污染尤其嚴(yán)重。
因此，控制污染物排放一直是中國火力發(fā)電行業(yè)的工作重心，措施主要分為三部分，首先是降低煤炭含硫量，從1990年開始，全國燃煤電廠開始改燒低硫煤，到2000年，火電廠煤炭含硫量從十年前的1.2%降低到1%，減少16.7%。
其次是關(guān)停小火電機(jī)組，從1997年到2004年，全國關(guān)停小火電機(jī)組3500萬千瓦，根據(jù)測算，關(guān)停5407萬千瓦小火電機(jī)組，每年就可以減少二氧化硫排放106萬噸，一個(gè)數(shù)據(jù)參照是2010年全國煤炭火力電廠的二氧化硫排放總量是520萬噸。相關(guān)省份比如陜西已經(jīng)規(guī)定，到2020年底前關(guān)停所有20萬千瓦以下小火電機(jī)組，這一舉措的搭配就是上一章節(jié)提到的百萬千瓦級超超臨界機(jī)組的大規(guī)模建設(shè)，先進(jìn)產(chǎn)能替代落后產(chǎn)能，并且依靠新機(jī)組更低的煤炭消耗來拉回建設(shè)成本。
在以上兩個(gè)舉措之下，中國煤炭火力發(fā)電的污染物排放總量依然很高，因?yàn)榘l(fā)電總量太大了，在其他發(fā)電方式發(fā)電量沒有上來的情況下，火電還得繼續(xù)挑大梁，那污染物控制怎么辦？
八個(gè)字：超低排放改造措施。
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