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山西能源可持续发展煤电VS气电《资讯》杨桃

2020-11-23

能源是人类社会发展的支柱产业,在人类终端消费中能源发挥着举足轻重的作用。最近十几年来,我国东北、华北地区秋冬季节持续的雾霾天气引起了人们对环境质量的普遍关注。我国烟尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳等污染物2/3以上的排放量源于煤炭等化石能源的燃烧,煤炭的不清洁利用被认为是雾霾天气出现的最重要因素之一。2010年以来,山西省加强了对全省燃煤电厂排放的控制和监管,分阶段关闭了单机30万kW及以下的非热电燃煤发电机组,由于山西省是电力外输大省,导致省内电力供需矛盾加大。

2016年6月28日,国家能源局和环保部联合发布了《关于印发2016年各省(区、市)煤电超低排放和节能改造目标任务的通知》,山西省30万kW及以上燃煤发电超低排放目标为1602万kW,发展超低排放燃煤发电技术符合国家能源发展战略。与此同时,山西省煤层气、天然气等燃气发电产业得到飞速发展。《山西省“十三五”战略性新兴产业发展规划》确定了2020年末燃气发电产业的战略目标,重点支持燃气热电联产项目建设,把发展煤层气产业摆在了突出位置。

作为煤炭生产和消费大省,不断改善能源结构,合理发展燃煤发电和燃气发电技术,对全省能源转型跨越发展具有重要的社会意义和环境价值。本文介绍了山西省电力能源供应格局,燃煤发电和燃气发电的特点,在污染物排放数据分析的基础上,对如何进一步深化燃煤发电和燃气发电可持续发展提出了相应的建议。

山西省能源及电力能源概况

1.山西省能源供应格局

作为中国重化工基地和传统能源大省,山西省一度形成以煤炭加工转换、矿产品初加工为主导的经济增长结构和高污染、高排放、高能耗的产业发展模式。工业结构的变动和资源禀赋的特征,决定了煤炭在山西省能源供应中处于主导地位。在国内燃气市场高速发展的驱动下,山西省燃气资源的利用水平得以显著提高。除了城市燃气置换增长之外,新兴的工业用气需求也在燃气市场中占有很大的份额。

山西“十三五”规划提出,未来五年将煤炭产量控制在10亿t以内,新能源占一次能源生产总量的比重由原来的5%提高至10%。通过能源供应多元化,高碳能源低碳化的途径推进能源结构的转变,促进能源产业转型升级,已成为山西省能源发展的新常态,并引领我国在能源领域的转型跨越发展。据统计,2015年山西煤炭消费约4亿t,天然气、煤层气等燃气利用量约33亿m3。目前,山西省已初步形成了以煤炭、煤层气、天然气、焦炉煤气制气、煤制气、氢气、页岩气、液化石油气等为基础的多元化、规模化能源供应格局。

2.山西省燃煤发电的现状与趋势

作为煤炭资源大省,得天独厚的资源优势使山西省电力结构长期以来一直以燃煤发电为主,清洁能源占比较小,造成能源结构与经济发展不协调。在环保与节能政策的驱动下,省内34户主力煤电企业已有22户逐步形成了“煤参电、煤控电、电参煤、煤电互参、组建新公司”的煤电联营模式,通过技术改造,完全可以实现现有燃煤发电机组的超低排放。目前超低排放主要是在原有技术基础上进行改造与优化,现有的燃煤发电机组均采取了烟尘控制措施,95%以上燃煤发电机组安装了脱硫装置,55%以上燃煤发电机组安装了脱硝装置,节能减排成果初步显现。

水在燃煤发电过程中起着能量传递和介质冷却的双重作用,节约用水对燃煤发电企业的可持续发展极为重要。燃煤发电生产用水主要可分为热力系统、冷却系统两大类。全膜水处理技术具有出水水质稳定、经济节能的优点,在热力系统锅炉补给水工序中得到广泛应用。冷却系统用水在燃煤发电中占有很大比重,沿海地区利用海水冷却,用水量仅占直流冷却的40%,解决了我国淡水资源短缺的问题,国内需加大冷却材料的研发力度。空冷技术比湿冷技术节水60%——70%,是山西省解决煤电企业缺水问题的有效措施,也是未来节约用水的发展趋势。

煤炭清洁化处理是燃煤发电的重要环节,对煤炭利用率和经济效益具有重要影响。随着国家对燃煤发电环保要求的不断提高,煤炭洗选技术也取得了较为快速的发展,重介质分选机、跳汰机、螺旋分选机等一大批先进设备和新技术投入使用,为煤炭清洁化处理提供了重要保障。但我国在设备制造方面还不够发达,很多大型选煤设备的耐用性和稳定性都不达标,仍然需要进口。在煤炭清洁化处理技术方面,需要借鉴国外先进技术,淘汰关停老、小机组,保证存量机组发电量,全面对新技术、新设备进行推广应用,实现山西省电力产业提效目标。

3.山西省燃气发电的现状与趋势

我国埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36.8万亿m3,山西省煤层气储量约占全国总量的1/3,为山西省燃气发电产业的发展提供了便利条件。现有保德、古交、临县、昔阳、寿阳、大宁、长子、沁水等8个区块的煤层气已实现并网,日供气量达到180万m3。山西省内虽然没有天然气资源,但有五条国家级天然气主干管线过境山西,为山西省燃气发电创造了丰富的天然气过境气源条件。

自2010年7月山西省政府提出“气化山西”战略以来,能源企业已成为构建新型电力能源结构的排头兵。山西寿阳120MW级煤层气发电机组、山西大宁32MW级矿井煤层气发电机组、太原东山华能860MW级天然气发电机组、太原嘉节电厂860MW级天然气发电机等已投产运行;昔阳120MW级燃气发电机组、保德燃气120MW级燃气发电机组正在有条不紊推进。燃气发电在氮氧化物排放治理方面,研发出了低氮燃烧技术,正在进一步推广应用。随着全省燃气发电装机规模的不断扩大,山西省以煤电为主的电力能源结构正在悄然发生转变,燃气发电将成为电力行业发展的新经济增长点。

燃煤发电和燃气发电的特点

1.燃煤发电与燃气发电技术

燃煤发电是指将煤炭或者煤矸石等的化学能转化为电能的工艺过程。燃煤发电能量转换过程是煤炭燃烧产生热能,在电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置的作用下转换成电能。燃煤发电机组是燃煤发电的核心设备,主要由燃烧系统、汽水系统、电气系统、控制系统等组成。大容量、超(超)临界燃煤发电机组在热效率和供电煤耗方面有着明显优势,得到了业内人士的普遍青睐。研究表明,超(超)临界机组的热效率达到41%——48%,比同容量亚临界燃煤发电机组的热效率高3%——10%,供电煤耗也明显低于其他机组,未来发展潜力巨大。

燃气发电技术是指利用天然气、煤层气等优质清洁能源发电的技术。燃气联合循环发电技术具有效率高、污染小的优点,是应用最为广泛的燃气发电技术。其工作原理是燃气进入燃气轮机燃烧室燃烧,产生高温高压气流推动透平转子和压气机旋转,带动发电机做功,输出有效功发电;燃气轮机排出的高温气体进入余热锅炉把水加热成高温高压蒸汽,推动蒸汽轮机旋转做功发电。燃气轮机、蒸汽轮机、发电机的转轴相互连接,实现燃气轮机、蒸汽轮机同时推动发电机旋转发电,输出电能。燃气发电机组运行灵活,能够在30%——100%负荷下稳定运行,调峰优势明显。

2.燃煤发电污染排放情况

燃煤发电产生的粉尘、SO2和NOx等污染物严重污染环境,影响人们的正常生活。研究表明,在未来数十年内这些污染物的排放总量依然较大。山西省2003年以后建设的燃煤电厂,提高了煤电企业的准入门槛,采用GB13223—2003《火电厂大气污染物排放标准》。在新一轮的煤电整改过程中,太原二电厂、一电厂等燃煤发电企业已经淘汰了一批落后设备,高效率、大容量、高参数的洁净煤发电机组以及高效率的辅助设备如除尘设备、循环水泵、风机、灰浆泵等已得到应用。高新设备和技术的使用,提高了发电效率,降低了粉尘、SO2、NOx等大气污染物的排放。经过十余年的煤电升级改造,山西省基本达到国家环保部排放标准,但排放总量仍不容乐观。以2015年为例,全国燃煤发电总量42102亿kW•h,在排放达标的情况下,煤电排放烟尘总量为310万t,NOx800万t,SO2800万t。假设山西省刚好达到国家排放的标准,2015年山西省燃煤发电主要污染排放量中烟尘为74t/亿kW•h,SO2为190t/亿kW•h,NOx为190t/亿kW•h。

控制电力产业污染减排是全面建设资源节约型、环境友好型社会的重要内容,需要持续进行。近年来燃煤发电技术在污染排放方面取得了一系列进展,部分企业实现了污染物的超低排放,但仍亟需大范围淘汰产能落后的发电机组和设备,通过引进先进的脱硫、脱硝技术、新工艺和新技术改造传统产业,促进电力产业的转型升级。鼓励保留下来的煤电企业在升级改造过程中向国际标准看齐,不局限于当地政府所规定的节能减排任务,积极追求更高的减排目标。积极探索除尘、脱硫、脱硝减排过程中能使企业获得利益的途径,激发企业节能减排的积极性。

3.燃气发电污染排放情况

以山西寿阳煤层气热电联产项目为例,项目一期工程为120MW煤层气联合循环发电机组,年发电量7.23亿kW•h。通过采用高空排放措施,污染物经过远距离输送、稀释、扩散,对项目附近环境影响甚微,使生态环境得到有效保护。项目能够取代部分分散供热小锅炉,具有良好的环境效益,符合国家节能环保政策。每年可减排煤矿瓦斯5亿m3,基本无SO、烟尘排放,NO排放浓度为50mg/m3,项目各排放指标和国家允许排放指标见表1。根据国家能源局提供的数据,煤矿瓦斯温室效应是SO2的21倍,利用1亿m3煤矿瓦斯相当于SO2减排150万t。由此推算,项目每年可以减排二氧化碳750万t。加快煤矿瓦斯(煤层气)开发,提高利用率,可大幅度降低温室气体排放,保护生态环境。

表1 寿阳煤层气发电机组污染物排放状况

从燃气发电各污染物排放指标可以看出,燃气发电机组基本无SO2、烟尘排放,NOx排放浓度较低,推广燃气发电技术对减少污染排放和雾霾防治具有重要意义。我国二、三线城市大型集中供热系统没有形成规模,供热主要依靠分散的小锅炉与家用小炉具,布局散乱、热效率低,既浪费能源,又加剧环境污染。随着社会经济的快速发展,建筑面积增加,给城市热源和管网增加了很大的负担,现有热源和管网无法满足今后增加的供热需求,严重制约了城市的发展。燃气热电联产作为一种重要节能技术,不仅能产生电能还能产生热能,是一种高效率的能源利用形式,具有节约能源、改善环境的综合效益,可以考虑在山西省甚至全国进一步推广应用。

燃煤发电与燃气发电的污染排放比较

对比燃煤发电和燃气发电的污染物排放数据可以发现,燃气机组发电具有显著的环保优势。与燃煤发电相比,燃气发电机组平均可减排烟尘74t/亿kW•h,SO2190t/亿kW•h,NOx111t/亿kW•h。以120MW级发电机组为例,燃气发电每年比燃煤发电减排烟尘532t,SO21374t,NOx801t。这对于山西省甚至全国加快煤电节能减排改造具有显著的示范效应。此外,同等发电量下,燃气发电技术排放的CO2量仅为燃煤电厂的40%左右。

发展燃煤发电与燃气发电的优劣分析

山西省发展燃煤发电的优势在于煤炭储量丰富,煤种多,煤炭运输成本较低。通过燃煤发电污染排放数据分析不难看出,山西省燃煤发电污染排放即使全部达到国家标准,累计排放量依然庞大,对生态环境造成严重影响。空冷技术节水效果明显,是山西解决煤电企业缺水问题的有效措施。随着国家对环保要求的进一步提高,煤电企业需要投入大量的资金用于节能减排,但是相关优惠政策滞后,在上网电价不变而电煤价格上涨的情况下,如果补贴不到位,企业难以拿出更多精力减排。

山西省煤层气储量丰富,又有五条国家级天然气主干管线过境山西,是山西省发展燃气发电产业的一大优势。燃气发电机组运行灵活,能够在30%——100%负荷下稳定运行,调峰优势明显。采用低氮燃烧等措施后,燃气发电烟尘、SO2、NOx等污染物减排,对项目附近环境影响甚微,能够有效保护生态环境。燃气发电成本较高,缺乏经济竞争力是燃气发电大规模发展的瓶颈。为提高企业燃气发电的积极性,可适当提高燃气发电的上网电价。鉴于燃气发电企业的环保贡献,相关部门可在税收和政策方面给予一定倾斜。

山西省燃煤发电与燃气发电的可持续发展需解决好煤炭与燃气之间的关系,根据山西省煤炭资源禀赋,大力推广现有燃煤发电机组进行超低排放以及余热梯级利用。空冷技术废水接近零排放,是山西省煤电企业节约用水的发展趋势。煤炭清洁化处理技术改造,需要借鉴国外经验,淘汰关停老、小机组,保证存量机组发电量,实现山西省电力产业提效目标。同时,整合省内煤层气、天然气等燃气资源,鼓励在人口密集的地区优先建设一批燃气发电和燃气热电联产项目,补充部分燃煤发电关闭的供电供热缺口,并在全省有条件的地区进一步推广应用。建议适当加大气电替代煤电比重,提高山西省燃气利用率,减少烟尘、SO2、NOx等污染物的排放,推动山西省及我国能源利用和发电方式的革新。

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