先進發電技術的環保特性分析
摘要：火力發電在中國電力工業中占有非常重要的位置，為保護環境，實現可持續發展，廣泛開展高效的“綠色”發電技術勢在必行，如超臨界發電機組、IGCC、煤炭氣化發電以及最具發展潛力的超臨界水氧化發電技術等，重點分析了這幾種發電新技術的環保優勢。
我國是世界上以煤炭為主要一次能源的國家之一，發電能源構成中，煤電比例大，2004年的全部發電機組中，火電機組的裝機容量占總裝機容量的77.08%。按照國家電力規劃，即使到2020年火電裝機容量仍占全國總裝機容量的60%以上。煤炭在燃燒過程中，排放大量的NOx、二氧化硫、二氧化碳和煙塵，加重了對大氣環境的污染，給我國帶來了一系列生態環境保護問題，如酸雨、溫室效應、浮塵等。并且每年為了防治NOx、SO2、煙塵污染及減緩溫室效應，花費巨大的投資與運行費用。
電力是國家發展的經濟命脈，尤其進入21世紀后，為滿足新世紀國民經濟發展的需要，電力工業必將較快發展。為使電力發展與能源、環境相協調，實現良性循環的目標，解決環境污染制約能源利用和經濟發展的問題，大力發展高效、潔凈的“綠色電力”，追求燃煤機組的高效率和低排放，必將成為本世紀我國電力工業發展的主旋律。在世界發達國家已得到廣泛發展應用的超臨界機組、IGCC(整體煤氣化聯合循環)等火力發電新技術，以及最具發展潛力的超臨界水氧化發電技術，因其高效率和優越的環保性能，必將成為我國21世紀的環保發電技術。
1 超臨界火力發電技術
超臨界直流鍋爐的專利方案，是由捷克人馬克·本生在1919年提出來的，1923年德國西門子公司按他的專利建成了第一臺試驗性超臨界機組。超超臨界鍋爐技術于20世紀90年代初在歐洲問世，是國際上最為先進的燃煤發電技術之一，具有煤耗低、環保性能好、技術含量高的特點[1]。
主蒸汽壓力等于或大于超臨界壓力24.2 MPa，主蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度小于580 ℃的火力發電機組稱超臨界機組，溫度大于580 ℃的稱超超臨界機組。超臨界壓力機組技術是當今世界上一項既成熟又在發展中的火電技術，由于壓力、溫度的提高，其效率較同等容量的亞臨界機組有大幅度提高，具有節能、高效和環保的優勢，為全世界工業化國家廣泛采用，其可用率、可靠性、運行靈活性和機組的壽命等方面已經可以和亞臨界機組相媲美[2]。
從環境效益上來講，節能就是環保。超臨界機組的煤耗降低，由此而排放的SO2、NOX和溫室效應氣體CO2也會成比例地降低，故有較好的環境效益。此外，還可以采用低NOX燃燒器，加設脫硫裝置等來達到日益嚴格的環保要求。我國漳州后石電廠6×600 MW超臨界機組，由于裝設了除塵、脫硫(海水脫硫)、脫硝設備，煙塵、SO2和NOx的排放濃度設計值分別為31、235、205 mg/mN3，都分別低于相應的國家標準排放值，電廠實現達標排放和潔凈發電的目標[3]。
2 整體煤氣化聯合循環（IGCC）發電技術
整體煤氣化聯合循環（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）發電技術，是將煤氣化與聯合循環發電相結合的一種潔凈煤發電技術，是目前世界上最先進、高效率的環保型燃煤發電方式之一。
以煤為燃料的IGCC發電技術先將煤炭在氣化爐中氣化，產生出中熱值或低熱值（相對于天然氣和石油）的合成氣，然后經過凈化處理，把合成氣中的灰分、含硫化合物（如H2S等）等雜質去掉，生成潔凈合成氣后供給燃氣輪機做功，并與蒸汽輪機組合起來，形成聯合循環發電。這種將固體燃料轉化成清潔的氣體燃料的發電技術，既具有聯合循環的高效率，又解決了燃煤所帶來的環境問題，因此成為世界上極有發展前途的一種“綠色發電”方式。其優越的環保性能體現在它對污染物的處理是在能源轉換過程中，在高壓力、高濃度、小流量的煤氣中進行的。它將逐步取代現有的汽輪機電站，成為火電動力的主要發展方向。
燃煤發電造成的污染主要是SO2、NOx和粉塵。由于IGCC系統中采用了脫硫、脫硝和粉塵凈化的措施，大大降低了污染物的排放濃度，其各種污染排放量都遠遠低于國際上先進的環保指標。
（1）IGCC技術在煤氣化產物進入燃氣輪機前必須進行脫硫處理和除塵。氣化中大部分S變成H2S，而除去H2S較容易，并可得到固體硫副產品；脫硫后，可以除去煤氣中98%以上的硫化物(H2S和COS)，與同容量的燃煤電站相比，SO2的排放減少90%以上。即使燃用含7%硫、30%～40%灰的劣質煤，也能達到97%～98%燃燒效率和85%以上固硫率。
（2）在氣化器中，煤中N以NH3、酚或其它有機物形式存在于廢液中，故NOx排放大大減少，NOx排放值等同于天然氣，小于25 mg/mN3。
（3）節能即是環保，由于IGCC電站的熱效率高，與同容量常規火力發電廠相比可減少耗煤量，因而CO2的排放量也相應減少。此外，采取目前成熟的工藝可分離85%以上的CO2[4]。
（4）由于燃氣輪機對入口煤氣的含塵量和含塵濃度有嚴格的限制，比煙氣排放標準要高得多，因此煤氣在進入燃氣輪機前要進行嚴格的除塵(除去煤氣中接近100%的粉塵)。一般IGCC的粉塵排放低于10 mg/mN3，基本不排放粉塵[5]。
國外已投產的部分IGCC電站排放數據見表1。
表1 國外已投運IGCC電站的排放數據
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（5）排渣可以回收利用。氣化爐的排渣（占灰渣總量的90%左右）是以液態方式經水冷卻后排出的，屬惰性無析出渣，可出售用于筑路、制磚等，可進行綜合利用。
被譽為“世界上最清潔的燃煤電站”的冷水電站，脫硫效率為96%～97%（可分離出98.6%的H2S和26.2%的COS），可生產出純度為98%～99%的元素硫作為商品出售；氣化爐燃燒生成的灰份被熔化成灰渣，作為磨料、絕緣材料或筑路材料出售，排水經澄清后一部分用于制備水煤漿，一部分排入蒸發池，處理后形成符合環保標準的廢水，從而使冷水電站成了無廢無害的清潔電站。英國對裝有BLG氣化爐IGCC電站進行可行性研究表明，脫硫率高于99.8%，各種排放遠低于英國標準。
3 煤炭氣化發電技術
煤炭氣化技術是將地下煤炭有控制的燃燒、產生可燃氣體的一種開發清潔能源與化工原料的新技術[6]。這種新技術只提取煤中含能組分，而將灰渣等污染物滯留在井下。煤炭地下氣化技術集建井、采煤、轉化工藝為一體，大大減少了煤炭生產和使用過程中所造成的環境破壞，而且能使煤炭資源的利用率得到極大提高[7]。
煤炭地下氣化技術為報廢礦井的殘留煤柱、難采煤層、高灰、高硫以及不適合開采的煤炭資源或價值較低的劣質礦床的開發利用提供了新途徑，最大限度地利用和節約了日趨減少的煤炭資源。煤炭氣化技術又是煤炭化工合成、煤炭直接/間接液化、IGCC發電技術、燃料電池等高新潔凈煤利用技術的先導性技術和核心技術。其特點如下：
（1）實現清潔生產，確保環境質量
煤炭地下氣化技術集采煤、運輸、氣化、電廠燃用等多工藝為一體，氣化過程中幾乎無廢氣排放，氣化后的灰渣和廢液留于地下，生產用水量少，能從根本上解決傳統的煤炭開采、運輸、地面加工和燃用過程中存在的一系列環境污染問題，具有投資低、效益高、污染少等優點。
（2）減緩地表變形，保護生態環境
潔凈煤氣化工藝在環境保護方面不僅做到了潔凈、安全、無污染或最小污染的排放達標，而且可以減緩地表變形。因為在探明的煤炭資源中，有一部分可能積埋在建、構物等下面，常規的煤炭開采會帶來地表塌陷、區域環境遭到破壞等問題。煤炭地下氣化技術正是減緩地表變形的有效技術。據國內煤炭地下氣化工業性實驗和分析，采用煤炭地下氣化可將地表下沉減少約40%～50%，對于保護生態環境和國土資源，都具有十分重要的社會意義。
4 超臨界水氧化發電技術超臨界水氧化技術(Supercritical Water Oxidation，SCWO)是一種能夠徹底氧化分解有機物的新型技術。在通常狀態下，水是以氣態、液態或固態形式存在著，如果將水的溫度和壓力升高到臨界點(臨界點處：溫度為374 ℃，壓力為22.05 MPa)以上，水將以一種新的流體態——超臨界態存在。超臨界態不同于氣、固、液三態，該狀態下的水稱為超臨界水。超臨界水的性質發生了很大的變化，其密度、粘度、熱導率、介電常數、離子積、擴散系數、溶劑化性能都不同于通常狀態下的水，具有低粘度、高擴散性、幾乎無界面擴散阻力等特性。它可與有機物、空氣（或氧氣）按照任意比例混合于同一相中，而無機化合物尤其是鹽較難溶解于其中。同時，高溫也加速了反應的進行，可以在很短的時間內高效地將有機物氧化降解[8]。
碳氫化合物在超臨界水中，與空氣(或氧)和水均相混合，開始自發氧化，無需外界供熱，在很短的反應停留時間內，被迅速氧化成CO2和H2O；雜原子轉變為酸、鹽和氧化物；化合物中的磷、硫轉化成相應的磷酸鹽和硫酸鹽，氮轉化為氮氣[10]。
（1）NOx的生成與排放
有研究表明，超臨界水氧化反應過程中，當反應溫度控制在700 ℃以下時，不會有NOx生成[9]。
（2）SO2的生成與排放
化合物中的硫轉化成硫酸根，在反應物中加入堿化劑（NaOH或Ca(OH)2），當氧化開始，就會生成Na2SO4或CaSO4等硫酸鹽，而硫酸鹽在超臨界水中溶解度很低，容易析出，然后通過汽固分離裝置分離出來。所以不會有SO2排放到環境中[10]。
（3）灰塵雜質的分離排除
由于大部分灰塵雜質不溶于超臨界水，所以在分離器中會很容易的被分離出來。但是也要考慮鹽類在設備中容易沉淀，造成系統的堵塞。
（4）CO2分離與排除
由于該技術的空氣過量系數為1，且氣體產物中沒有SO2、NOx生成，排出氣體中僅有N2、CO2和少量水蒸氣，CO2濃度高便于分離回收，為CO2利用或減排提供了條件。
（5）二惡英的生成問題
燃料在氧化過程中勢必釋放出二惡英，但是采用超臨界水氧化技術，在壓力30 MPa、溫度673 K的條件下，以過氧化氫（其質量分數為0.02%）、空氣或氧氣作為氧化劑，反應停留時間30 min時，二惡英的分解率分別達到了99.7%、97.4%和98.5%，相信隨著反應溫度的提高，二惡英的分解會更加徹底[11]。
5 結 語
超臨界與超超臨界機組、IGCC、煤炭氣化發電等火力發電新技術，在世界發達國家已得到廣泛發展及應用，其中超臨界火力發電、煤炭氣化發電在我國也開展了大量的工作，IGCC技術已在煙臺電廠引進示范項目。而最具發展潛力的超臨界水氧化煤炭發電技術，因其高效率和優越的環保性能，也必將成為我國未來的主要環保發電技術。
參考文獻
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