◎本刊主筆 劉國偉

?

看各國怎樣把“煤球”做成白的 清潔煤 大氣治理唱主角

◎本刊主筆 劉國偉

位于美國密西西比州坎普縣的碳捕獲和存儲工程，可分離電廠和儲存煤電廠排出的二氧化碳，按計劃于2016年投入運營。來源：維基百科網(wǎng)站

在今年兩會上，環(huán)保部部長陳吉寧說：“過去人們一說到煤炭就感覺很臟，現(xiàn)在要為煤炭正名，煤炭清潔利用其實可以比天然氣更環(huán)保?！泵禾康那鍧嵗弥饕ㄈ济弘姀S的超低排放、燃煤設備的提升改造和民用散煤的管理和煤質的改善等領域?！笆濉逼陂g，煤炭清潔高效利用，對燃煤機組全面實施超低排放和節(jié)能改造，是能源領域的八大重點工程之一。這里，我們先來盤點一下清潔煤技術的國際趨勢和走向。

17世紀后半葉，威爾士和諾森伯蘭郡的煤炭點燃了英國工業(yè)革命的火焰。300多年后的今天，煤炭仍然在人類能源結構中占據(jù)著重要地位，但是煤炭的大量消耗，也給人類帶來了巨大的環(huán)境壓力。目前，煤炭的清潔高效利用已經(jīng)成為各國環(huán)境保護的重要目標，清潔煤（也稱潔凈煤）一詞更是成為空氣污染治理領域的熱詞。

清潔煤概念中外有別

一個世紀以來，“清潔煤”的概念在世界上被多次提及，但其內涵和外延變化很大。

1918年，美國著名煤礦公會領導人弗蘭克·基尼發(fā)表的演說詞里，把清潔煤簡單地稱為“沒有煙塵和雜質”的煤炭。二戰(zhàn)前，美國有些地區(qū)把家庭取暖和做飯用的優(yōu)質無煙煤，稱為清潔煤。20世紀80年代初，美國和加拿大為解決兩國邊境酸雨問題談判時，兩國用清潔煤一詞，來表達用技術控制以減少煤炭污染的理念。

20世紀之初，清潔煤的概念再次發(fā)生變化。2009年以來，國際知名媒體不約而同地把清潔煤解釋為“利用技術手段緩解煤炭使用中（主要指燃煤發(fā)電）排放二氧化碳等溫室氣體的流程或方法”。從中我們可以體會出，發(fā)達國家已經(jīng)把清潔煤概念的核心從污染控制轉向了應對氣候變化。

中國對清潔煤有自己的定義。煤炭在歐美發(fā)達國家主要用于發(fā)電，中國則除了燃煤發(fā)電，還有大量散煤用于取暖和做飯。中國普通民眾最關注的，還是燒煤帶來的顆粒物以及硫、氮氧化物污染，和由此引發(fā)的嚴重霧霾。所以，我國的國情決定了“清潔煤”的概念，涵蓋了從煤炭開采到利用的全過程，是旨在減少排放、提高能效的煤炭加工、燃燒、轉化和污染控制等技術的總稱。

美國致力于“黑煤變綠煤”

作為現(xiàn)代清潔煤概念的發(fā)起國之一，美國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一，目前出產的煤炭基本用于發(fā)電。美國十分重視清潔煤發(fā)電技術的研究，從1986年到2000年期間，美國通過推行清潔煤技術示范計劃，先后建成了5座整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（簡稱IGCC）示范電站，已有13項取得初步商業(yè)化的成果。美國能源部對IGCC示范電站的資助比例均在50%以上，有的高達80%以上。21世紀初小布什總統(tǒng)主政美國后，美能源部拿出了新一輪清潔煤創(chuàng)新發(fā)展計劃（CCPI），致力于近零排放的煤炭發(fā)電廠研究。這種電廠可同時生產電力和氫氣，并進行二氧化碳的分離和儲存，發(fā)電效率達到50%至60%，可實現(xiàn)包括二氧化碳在內的污染物近零排放，并根據(jù)市場需求調節(jié)發(fā)電和制氫的比例。此后的奧巴馬政府也大力發(fā)展清潔能源。從能源戰(zhàn)略角度來看，美國對清潔煤技術的重視程度遠高于日本和歐洲等發(fā)達國家。

德國技術領先歐盟他國

歐盟國家的清潔煤項目主要體現(xiàn)在常規(guī)能源技術示范方案“兆卡計劃”中。近些年來，歐盟研究開發(fā)的項目有IGCC、煤和生物質及廢棄物聯(lián)合氣化、循環(huán)流化床燃燒（簡稱CFB，當前主流清潔煤燃燒技術）、固體燃料氣化與燃料電池聯(lián)合循環(huán)技術等。在歐盟的支持下，荷蘭和西班牙的兩座IGCC電站早在1994年和1997年就建成并投入運行，參與的國家有荷蘭、德國、西班牙、法國等，IGCC示范電站所采用的技術也全部來自歐盟國家。

在歐盟清潔煤技術應用中，德國的技術領先優(yōu)勢尤為突出。在煤炭燃燒處理上，德國重視煤炭的富氧燃燒，使煤炭燃燒后的氣體中幾乎沒有氮氧化物，只剩下高純度的二氧化碳，然后再通過碳捕獲和存儲（CCS）將二氧化碳注入地層中。2009年，位于德國德累斯頓東北的施瓦茨蓬普發(fā)電廠投入運營，這個示范項目在同類工程中屬世界首例，使用富氧燃燒器燒煤發(fā)電，每年捕獲約10萬噸二氧化碳，隨后將之壓縮，埋藏到200公里外已經(jīng)枯竭的阿爾特馬克天然氣田表面以下3000米的地方。該項目耗資7000萬歐元，能夠輸出12兆瓦的電力和30兆瓦的熱能，以供應1000多戶家庭使用，體現(xiàn)了較高的實用性。

煤炭在發(fā)達國家能源結構中的地位不斷下降，目前主要用于發(fā)電。圖為2015年底英國最后一座深層煤礦凱靈利礦井關閉，礦工們相擁告別。來源：商業(yè)內幕網(wǎng)

碳捕獲和存儲系統(tǒng)運行示意圖。從1到10依次為鍋爐、蒸汽渦輪發(fā)電機、固體顆粒移除、去硫化、冷卻裝置、吸收器、汽提塔、二氧化碳壓縮、注入和存儲來源：美國《連線》雜志官網(wǎng)

核事故讓日本青睞清潔煤

上世紀末，日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）開展了煤炭潔凈高效地轉化為電力及液體和氣體燃料的研究。2010年福島核事故發(fā)生后，為了彌補能源缺口，日本煤炭消費進入新一輪快速增長。2014年日本內閣通過新的《能源基本計劃》，明確了推動煤炭清潔利用和高效發(fā)電的戰(zhàn)略方針，提出要通過老舊電站改造和新電站建設新型發(fā)電技術的推廣，加強IGCC技術研發(fā)。

2015年6月，日本成立由政產學各界組成的“促進新一代火力發(fā)電技術協(xié)會”，開始舉全國之力推動下一代火力發(fā)電清潔高效利用技術的開發(fā)。按照日本經(jīng)濟產業(yè)省公布的技術路線圖，日本將在2020年初期掌握IGCC技術，將煤炭整體轉化為氣體進行燃燒，使二氧化碳排放量減少約兩成。在2025年掌握煤氣化燃料電池聯(lián)合發(fā)電技術（IGFC）技術，該技術可利用煤炭中的氫元素進行燃料電池發(fā)電，從而使二氧化碳排放量減少約三成。

中印清潔煤技術急起直追

美國在1986年3月推出的清潔煤技術示范計劃（CCTDP）來源：國家核電——《“十三五”潔凈煤領域發(fā)展動態(tài)》

清潔煤項目在發(fā)達國家遍地開花，以中國和印度為首的發(fā)展中國家也正急起直追。與發(fā)達國家主要用于發(fā)電相比，發(fā)展中國家更多地把煤炭用于供暖，除了碳排放造成的溫室效應，顆粒物及硫、氮化合物的污染控制，更是發(fā)展中國家的當務之急。

印度將近2/3的電力來自煤炭，有報告預測，直到2030年，燃煤電廠仍將是印度能源結構的主導力量。2001年，印度建過一座53兆瓦的IGCC示范電站。印度電力部長皮尤什·葛亞爾表示，從2017年開始印度所有新建燃煤電廠將使用清潔煤技術，到2022年將清潔煤的比例提升到24%。但是印度在這方面有很大的資金缺口。

煤炭大量消耗給中國環(huán)境帶來巨大壓力，可以說清潔煤技術是解決中國能源問題的必然選擇。在清潔煤成為今年兩會熱詞之前，我國“十二五”期間已經(jīng)在高性能煤電機組、循環(huán)流化床、分級燃燒（可大大減少氮氧化物生成）和碳捕獲存儲等方面，取得了重大進展。華能集團在天津的IGCC電站示范工程于2012年建成，這是中國首座煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站，但是也面臨要克服運行不穩(wěn)定和成本高的問題。國內還有多個地區(qū)計劃建設IGCC電站。

值得一提的是上海外高橋第三發(fā)電廠，其被國際能源署贊為“世界上最清潔的火電廠”。美國工程機械師協(xié)會學術論壇執(zhí)行主席也公開表示，外高橋第三發(fā)電廠的成就證明了“世界上最好的在網(wǎng)燃煤發(fā)電廠在中國”。按照我國最新實施的、比歐美更嚴格的《火電廠大氣污染物排放標準》，外三電廠的排放遠低于“史上最嚴”新國標，其發(fā)電效率也已超過了美國。

2020年，全國機組均要超低排放

德國施瓦茨蓬普發(fā)電廠是世界首個使用富氧燃燒煤炭之后捕獲和存儲二氧化碳的清潔煤工程。來源：西門子公司官網(wǎng)

NEDO（新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構）在日本清潔煤技術研究中發(fā)揮了重要作用。來源：中日環(huán)境論壇2015文件《日本清潔煤技術研究今后的發(fā)展》

2015年12月2日國務院常務會議決定，在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放和節(jié)能改造，使所有現(xiàn)役電廠每千瓦時平均煤耗低于310克、新建電廠平均煤耗低于300克。這個決定標志著，煤電超低排放的政策和標準，在國家層面獲得認可和大力推廣。

2016年1月15日，環(huán)保部、國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合召開了加快推進全國煤電超低排放和節(jié)能改造動員大會，全面部署煤電超低排放和節(jié)能改造工作。國家發(fā)改委副主任、國家能源局局長努爾·白克力指出，加快推進煤電超低排放和節(jié)能改造，是保障我國能源安全的必然選擇……要明確目標，形成共識，把對東部地區(qū)的要求擴展到全國有條件地區(qū)，東部地區(qū)的改造任務提前到2017年前完成，中、西部地區(qū)也要分別在2018年前、2020年前完成。到2020年，全國具備條件的機組都將達到超低排放。環(huán)保部部長陳吉寧表示，全面實施煤電超低排放和節(jié)能改造，是一項重要的國家專項行動。面對時間緊、要求高、任務重的客觀形勢，各地要切實將如期完成改造任務作為完成約束性減排目標的“壓艙石”，作為推進環(huán)境質量改善的硬任務，毫不動搖地抓緊抓實抓出成效。

在未來相當長時期內，煤炭消費仍然是中國能源消費的大頭，也是世界很多國家能源結構中不可或缺的主力軍。清潔煤技術可以說是下一場環(huán)境技術革命中的重頭戲，中外科技人員的多年努力已經(jīng)讓我們看到了曙光。

在中國，清潔煤技術涵蓋了從煤炭開采到使用的5個方面。來源：國家核電——《“十三五”潔凈煤領域發(fā)展動態(tài)》

（本文寫作中參考了國家核電的《“十三五”潔凈煤領域發(fā)展動態(tài)》、中日環(huán)境論壇《日本清潔煤技術研究今后的發(fā)展》等文獻以及聯(lián)合國、世界核能協(xié)會、美國《連線》雜志、中國國家能源局等網(wǎng)站信息，在此一并致謝。）