中國電力的清潔化之路：干凈的煤炭發(fā)電
2018年，中國全社會用電量達到68499億千瓦時，口徑發(fā)電量69940億千瓦時。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。但如果你跟一個普通人說火力發(fā)電，那么絕大部分人會聯(lián)想到煤炭，黑煙，污染等關鍵詞，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。然而事實并非如此，現(xiàn)在的火力發(fā)電技術遠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、燃氣、煤矸石、生物質(zhì)和垃圾發(fā)電。因此在火力發(fā)電技術的研發(fā)上，主要集中在煤炭發(fā)電。
如何降低煤炭發(fā)電的污染？
思路其實不復雜，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性文件，要求在2020年前完成火力發(fā)電的排放改造。
關鍵詞：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，推動蒸汽輪機旋轉(zhuǎn)再帶動發(fā)電機，這電就來了。
一個關于火力發(fā)電廠的基本知識：鍋爐主蒸汽溫度越高，發(fā)電時浪費的熱耗率就越低。
換個易懂的說法就是，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，減排第二步是進一步降低污染物排放，這個后面展開。
蒸汽溫度越高效率高，那么多高才叫高？
這里就要引入一個概念，水的臨界點，水在臨界點下的壓力和溫度分別是22.129兆帕和374.15攝氏度，在這個狀態(tài)下，液態(tài)水和水蒸氣的密度是相同的，所以才叫臨界點。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個標準大氣壓力，足夠把人壓成......反正肯定看不出來是個人。
如果鍋爐里的水和水蒸氣壓力低于這個臨界點，就叫做亞臨界鍋爐/機組；大于這個壓力自然就是超臨界鍋爐/機組；壓力非常大，大的很厲害，就可以叫超超臨界鍋爐/機組，就是比超臨界還厲害的意思。
幾個工業(yè)大國對超超臨界的起始溫度和壓力有著不同的定義，比如日本認為是24.2兆帕/593攝氏度，丹麥是大于27.5兆帕，我國則是27兆帕/580攝氏度。不過在實際運行過程中，我們國家的超超臨界機組大多是600攝氏度左右的蒸汽溫度。
亞臨界機組到超臨界機組再到超超臨界機組，需要的是系統(tǒng)性的改進和優(yōu)化，從鍋爐到汽輪機到發(fā)電機，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)電機組的時候設定了很高的溫度和壓力指標，結(jié)果因為耐高溫材料不穩(wěn)定等原因，在實際運行過程中降低了這兩項指標，在后續(xù)材料獲得突破之后才陸續(xù)提升發(fā)電機組鍋爐的溫度和壓力值。
從整個超臨界機組在全世界發(fā)展的時間脈絡來看，歐美俄普遍起步于上世紀六十年代，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，按照建設時間不同，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的現(xiàn)代化電廠，外高橋一廠的四臺30萬千瓦亞臨界火電機組在當時就屬于全國電力行業(yè)的標桿機組，各項主要經(jīng)濟和環(huán)保指標都是相當先進的。
雖然中國的第一批超臨界機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：第一個在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)280克/千瓦時以下的供電煤耗率。
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臺發(fā)電機組，從亞臨界到超臨界，再到全球標桿的百萬千瓦級超超臨界機組，一應俱全。
外高橋三廠的2臺百萬千瓦級超超臨界機組在2008年投產(chǎn)，當年就實現(xiàn)煤耗率286克/千瓦時，這一年全國火電機組平均供電煤耗是多少？349克/千瓦時，外三的這兩臺機組在煤耗率上足足整個行業(yè)近20%。
在投產(chǎn)之后，外三電廠組織技術力量繼續(xù)改進攻關，在2013年首次實現(xiàn)276克/千瓦時的煤耗。
在歐美電力行業(yè)，被認為技術最強的燃煤發(fā)電廠是丹麥的Nordjylland電廠3號機組，采用二次再熱超超臨界技術，配合超低溫海水冷卻，實現(xiàn)286克/千瓦時的供電煤耗，這個參數(shù)，比外三電廠落后整整10克/千瓦時，而這已經(jīng)夠得上一個燃煤發(fā)電機組的代差了。
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浪潮，主要分為2個功率檔次：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組就已經(jīng)達到111臺。
如此大規(guī)模的建設超超臨界機組帶來了什么？大量技術老舊，發(fā)電功率和效率雙低的發(fā)電機組被關停，為此還有專門有一個四字詞來形容這件事：“關停并轉(zhuǎn)”。有新機組用了，老的不環(huán)保機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，2010年全國煤電供電煤耗為333克/千瓦時，到了2014年全國煤電供電煤耗減少至319克/千瓦時。到2018全國煤電供電煤耗達到了307克/千瓦時，一個明顯的線性遞減過程。
前面提到，丹麥的Nordjylland電廠3號機組采用了一種叫做二次再熱的技術，這項技術在中國同樣沒有缺席，國電集團在江蘇泰州電廠的2臺百萬千瓦超超臨界燃煤機組就使用了二次再熱技術，供電煤耗多少？265.75克/千瓦時，比外三電廠此前創(chuàng)下的紀錄更低。而且超超臨界二次再熱發(fā)電機組已成為我國新建600～1000MW等級火力發(fā)電機組的首選技術。
另外，超超臨界技術在中國的深度發(fā)展還給舊機組改造帶來了春天，一個比較成功的案例是華潤徐州電廠32萬千瓦燃煤機組，在外高橋三號電廠馮偉忠教授的研究下，實現(xiàn)“高溫亞臨界”技術改造。煤耗率降低至287克/千瓦時，改造過程此處不再贅述.
超低排放
不可否認的是，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?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%。
其次是關停小火電機組，從1997年到2004年，全國關停小火電機組3500萬千瓦，根據(jù)測算，關停5407萬千瓦小火電機組，每年就可以減少二氧化硫排放106萬噸，一個數(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。相關省份比如陜西已經(jīng)規(guī)定，到2020年底前關停所有20萬千瓦以下小火電機組，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組的大規(guī)模建設，先進產(chǎn)能替代落后產(chǎn)能，并且依靠新機組更低的煤炭消耗來拉回建設成本。
在以上兩個舉措之下，中國煤炭火力發(fā)電的污染物排放總量依然很高，因為發(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？
八個字：超低排放改造措施。
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