山西省燃煤发电与燃气发电分析研究

煤Ｎｏ．２，２０１７　炭加工与综合利用　２５　ＣＯＡＬ　ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ＆ＣＯＭＰＲＥＩ：ＩＥＮＳＩＶＥ　ＵＴＩＬＩＺＡＴＩＯＮ　山西省燃煤发电与燃气发电分析研究　艾燕晖　，郭武杰２　（１．山西建筑工程集团总公司，山西太原０３０００２；　２．山西高碳能源低碳化利用研究设计院有限公司，山西太原０３００００）　摘要：介绍了山西省能源及电力能源供应格局，论述了燃煤发电和燃气发电的特点；在　燃煤发电和燃气发电污染物排放数据分析的基础上，对如何进一步推进燃煤发电和燃气发电可　持续发展提出了相应的建议。　关键词：能源供应；燃煤发电；燃气发电；污染排放　中图分类号：ＴＭ６２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５．８３９７（２０１７）０２。００２５—０４　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　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。　１山西省能源及电力能源概况　１．１　山西省能源供应格局　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３Ｏ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１　６０２　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　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　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　收稿日期：２０１７－０１—１１　ＤＯＩ：１０．１６２００／ｊ．ｃｎｋｉ．１１．２６２７／ｔｄ．２０１７．０２．００６　作者简介：艾燕晖（１９６６一），女，江西高安人，１９９４年毕业于北京科技大学冶金工程专业，工学硕士，山西建筑工程集团总公司项目　工程师。　引用格式：艾燕晖，郭武杰．山西省燃煤发电与燃气发电分析研究［Ｊ】．煤炭加工与综合利用，２０１７（２）：２５．２８．　２６　煤炭加工与综合利用　２０１７年第２期　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Ｈ１３。　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。　１．２　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［２１，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【３］，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％【４】，　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。　１＿３　山西省燃气发电的现状与趋势　我国埋深２　０００　ｍ以浅煤层气地质资源量约　３６．８万亿ｍ　，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Ｈｌ３。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１２０　ＭＷ级煤层气发电机组、　山西大宁３２　ＭＷ级矿井煤层气发电机组［５】、太原　东山华能８６０　ＭＷ级天然气发电机组、太原嘉节　电厂８６０　ＭＷ级天然气发电机等已投产运行；昔　阳１２０　ＭＷ级燃气发电机组、保德燃气１２０　ＭＷ　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。　２燃煤发电和燃气发电的特点　２．１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　２０１７年第２期　艾燕晖，等：山西省燃煤发电与燃气发电分析研究　２７　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　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　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。　２．２燃煤发电污染排放情况　燃煤发电产生的粉尘、ＳＯ　和ＮＯ　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　提高了煤　电企业的准入门槛，采用ＧＢ　１３２２３－－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　～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、ＳＯ，、　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４２　１０２亿ｋＷ・ｈ，在排放达标的情况下，煤电　排放烟尘总量为３１０万ｔ，ＮＯ　８００万ｔ，ＳＯ，８００万　ｔ［９】。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７４　ｔ／亿　ｋＷ・ｈ，ＳＯ２为１９０　ｔ／亿ｋＷ・ｈ，ＮＯ　为１９０　ｔ／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　益的途径，激发企业节能减排的积极性。　２－３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１２０　ＭＷ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ｍ　，基本无ＳＯ　、烟尘排放，ＮＯ　排　放浓度为５０　ｍｇ／ｍ。，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ＳＯ，的２１倍，利用１亿ｒｎ　煤矿瓦斯相当于ＳＯ，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ＳＯ　、烟尘排放，ＮＯ　排放浓　度较低，推广燃气发电技术对减少污染排放弃　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　２８　煤炭加工与综合利用　２０１７年第２期　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。　２．４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７４　ｔ／亿ｋＷ・ｈ，ＳＯ，１９０　ｔ／亿ｋＷ・ｈ，ＮＯ　１１　１　ｔ／亿ｋｗ・ｈ。以１２０　Ｍｗ级发电机组为例，　燃气发电每年比燃煤发电减排烟尘５３２　ｔ，ＳＯ，１　３７４　ｔ，ＮＯｘ　８０１　ｔ。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ＣＯ，量仅为燃煤电　厂的４０％左右。　２．５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、ＳＯ，、　ＮＯ　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。　３结论及建议　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、ＳＯ，、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。　参考文献　［１］Ｘｕ　ＳＣ，Ｈｅ　ＺＸ，Ｌｏｎｇ　ＲＹ．Ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ：ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｕｓｉｎｇ　ＬＭＤＩ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，２０１４，１２７（６）：　１８２—１９３．　［２］刘晔．煤电一体化改革的山西路径研究［Ｊ］．中国煤炭，　２０１５，４１（６）：ｌＯ．１３．　［３】帅伟，莫华．我国燃煤电厂推广超低排放技术的对策建　议［Ｊ］．中国环境管理干部学院学报，２０１５，２５（４）：４９—５２．　［４］李峰．海勒式间接空冷塔性能研究与改造【Ｄ】．北京：华北　电力大学，２００６．　［５】袁彦霞．山西省几种低热值燃料发电技术的应用［Ｊ］．煤炭加　工与综合利用，２０１３（１）：５８—６０．　［６］６　张少华，王东波．洁净煤发电技术探讨分析［Ｊ］＿能源与节能，　２０１２（３）：１３．１６．　［７】江得厚，赵建刚，黄瑜，等．燃气发电的运营特点和应用　前景［Ｊ】．发电设备，２０１１，２５（４）：２９６—２９９．　［８］潘玲颖，麻林巍，周酤，等．２０３０年中国煤电ＳＯ　和Ｎ　排放总量的情况研究［Ｊ】＿动力工程学报，２０１０，３０（５）：　３７８—３８３．　［９］王志轩，潘荔，张晶杰，等．我国燃煤电厂“十二五”大　气污染物控制规划的思考［Ｊ］．环境工程技术学报，２０１１，１　（】）：６３—７】．