倪維斗：中國煤炭清潔高效利用之路

能源和環境是當今人類面臨的兩大問題，倪維斗，這位清華大學教授、中國工程院院士在公開發表的演講——《中國煤炭清潔高效利用之路》中提出：未來，單一技術和技術組合難以解決能源困局，系統整合和戰略規劃才是關鍵。

倪維斗教授在2017國際工程科技發展戰略高端論壇上發表演講

煤炭的貢獻不可忽視

以煤為主是符合我國資源稟賦的不可變化的事實，其他替代能源只能是輔助能源，而不能成為主力。

中國的發展，尤其是改革開放以來巨大的進步，煤起了巨大的作用。而今，由於環境的影響，尤其是PM2.5霧霾的污染，人們把罪魁禍首指向煤的利用，當年的功臣被妖魔化，變成老鼠過街人人喊打，變成飛鳥盡，良弓藏，狡兔死，走狗烹。把屁股板全打在煤身上，實際上這是很冤枉的，不能真正解決問題。

我國這麼多的人口，都希望過現代化的生活，社會要不斷發展，技術在不斷進步，能源需求越來越大，2016年我國能源消耗總量已達43.6億噸標準煤，在我國缺油、少氣的資源條件下，靠什麼能源來滿足？

除煤炭外，其他能源潛力不大

天然氣

現在很多人把希望寄託在天然氣身上，中俄燃氣(中國和俄羅斯的天然氣合作供應協議)380億立方米，相當於2700萬噸標準煤；我國的天然氣儲量為3600億立方米，相當於2.6億噸標準煤，已是極限。目前天然氣的用量是煤的1/20，遠期來看，天然氣的用量仍將只是煤的1/15。

核電

2016年的裝機量是3364萬千瓦，年發電量為2133億千瓦時，佔全部發電總量的3.5%。規劃2020年裝機5800萬千瓦，到2030年裝機1.2億千瓦，發電8000億千瓦時，摺合來看是1億標準煤。鈾資源的貧乏，100萬千瓦機組建堆時首次要339噸鈾，每年還要補充15噸鈾235和鈾238，鈾進口依存度已超過90%。核電不能成為我國能源發展主要方式，只能是補充方式。

水電

來看水電，7億千瓦的理論藴藏量裝機，技術可開發不到5.5億千瓦，而經濟可開發4億千瓦。2016年發電量1.19萬億千瓦時，相當於約2.15億噸標準煤。水電裝機容量已達3.32億千瓦，開發度已達到了75%，剩下的1億千瓦中包含有雅魯藏布江的藴藏量，實際開發方面存在國際問題。水能只佔全世界按人口平均的25%，風電、太陽能只佔能源消費總量的幾個百點。

天然氣、核電、水電、風電、太陽能等發電量加起來≈7.0億噸標準煤，這相比2016年我國40多億煤的能源消耗，是個小數。山西內蒙一帶的幾千億噸煤才是我國能源的根本保障。

能源和環境形勢嚴峻

中國能源系統根本特點：以煤為主，人口多。2010–2050年預測累計煤炭消費≈1000*108 tce，煤仍是主力能源。2014年我國人均能源消費量約為3.1 tce/a，遠低於美、德、法、日等國，預計2030年我國人均能源消費量4 tce/a（預計人口14億）。（tce/a：每年標準當量煤）

我國在2030年後大幅度減排CO2主要還是靠煤的清潔低碳利用！

我國一次能源消費佔全球能源消費的22.9%。2015年，全球能耗是1990年的1.6倍，而中國已經是1990年的4.4倍。2015年一次能源對外依存度15.8%，其中原油61.7%，天然氣30.1%，煤炭4.9%。

中國能源生產和消費結構：以煤為主！

我國能源系統亟待解決兩大問題

1、傳統發展方式難以為繼

以高耗能、尤其耗煤為主換取發展，造成嚴重的生態環境影響；由於技術路徑鎖定效應（行為習慣、思想意識、體制機制、基礎設施、既有產能），這種方式仍有較大的慣性。

2、新的發展方式尚未形成

油氣的發展面臨國內資源不足和國際價格波動等問題，受到一定限制；核和可再生能源發展困難重重，供應過剩（棄風棄光等）、電網接納、經濟性等；節能面臨缺乏投資、環保意識不強、基礎設施和產能鎖定等一系列挑戰。

能源系統將較長時間處於新舊發展方式並行的發展狀態，推進能源系統的革命對整個社會的創新（體制、意識、技術、基礎設施等）提出了巨大挑戰。

單一技術和技術組合難以解決能源困局，如何通過權衡取捨，精心組合和安排這些手段，以求系統性、最佳地解決問題——系統整合和戰略規劃。在煤的利用上做文章，走煤的清潔、高效、低碳利用之路。

煤炭清潔高效轉化如何實現？

1.先進的燃煤發電技術

一是採用先進的燃煤發電技術，進一步提高能效，減少排放。如：上海外高橋第三發電廠。

該廠當前的實際運行性能，在全年平均負荷率為75%～81%的條件下，其實際全年平均供電煤耗（包括脱硫和脱硝）276gce/kWh，折算到額定負荷下的供電煤耗為264gce/kWh，全年平均實際供電效率（包括脱硫和脱硝）為44.5%，折算至額定負荷工況，則供電效率應為46.5%。而2015年全國發電平均煤耗 318gce/kWh。排放濃度：粉塵排放7.55mg/m3；二氧化硫17.7mg/m3；氮氧化物15.19mg/m3，已經達到了氣體燃料的排放指標。

對比原世界運行效率最高的丹麥Nordjylland電廠3號411MW兩次再熱、低温海水冷卻機組，2009年供電煤耗（不含供熱）286.08gce/kWh（淨效率42.93%），平均發電負荷率89%。摺合75%負荷率下的供電煤耗288.48gce/kWh。應該説，我國的燃煤發電技術是走在世界前列的。

但減排的根本問題是CO2的捕捉與處理，這是上海外高橋第三發電廠模式所不能處理的問題。

2.整體煤氣化聯合循環 IGCC

IGCC即整體煤氣化聯合循環（Integrated Gasification Combined Cycle），是將煤氣化技術和聯合循環相結合的動力系統。華能公司在天津建成了一套200MW級的IGCC電站。

華能天津IGCC電站示範項目（已投運）鳥瞰圖

IGCC技術把潔淨的煤氣化技術與高效的燃氣──蒸汽聯合循環發電系統結合起來，既有高發電效率，又有極好的環保性能，是一種有發展前景的潔淨煤發電技術。IGCC系統的供電效率為41%，捕捉CO2較容易，但由於單位裝機投資較大，所以，以氣化為基礎的IGCC只用於發電在經濟上有較大問題，暫不適合推廣。

IGCC發電技術流程示意圖

3.煤基多聯產能源系統技術

煤基多聯產是指利用從單一的設備（氣化爐）中產生的"合成氣"（主要成分為CO+H2），來進行跨行業、跨部門的生產，以得到多種具有高附加值的化工產品、液體燃料（甲醇、F-T合成燃料、二甲醇、城市煤氣、氫氣）、以及用於工藝過程的熱和進行發電等。

多聯產可以實現煤炭的多維度梯級利用，其應用過程相互耦合，實現能量流、物質流等總體優化。做到了氫碳比合理優化利用，儘量減少“無謂”的化學放熱過程，並實現熱量的梯級利用、壓力潛力和物質的充分利用。

另外，電力與化工在運行中可起相互調峯的作用。通過過程集成，聯產系統可以在能量利用上獲得收益。與單產系統相比，並聯系統中獲得的節煤收益甚微；而串聯繫統的節煤效果顯著，特別是串聯無變換系統，節煤率能夠達到8%。

此外，伴隨單元技術進步，如高温合成氣淨化、離子膜分離製氧、1700攝氏度燃氣輪機及水煤漿預熱等技術，多聯產能效可以進一步地提升。

多聯產是綜合解決我國能源問題的重要方案。

1、有助於緩解能源總量要求

聯合生產多種產品，效率提高可以減少總量需求；採用高硫煤拓展了煤炭資源的利用。

2、有助於緩解液體燃料短缺

可以大規模地生產甲醇、二甲醚、F-T合成油和氫等替代燃料，緩解石油進口壓力。

3、徹底解決燃煤污染問題

完全消除常規燃煤污染物排放，重金屬等痕量污染物脱除更經濟。用甲醇來採暖、小鍋爐、窯爐，可大幅度減少散煤燃燒。

4、有助於解決快速城市化引起的小城鎮和農村潔淨能源問題

為具有天然氣管道的城鎮提供城市煤氣，煤制DME可以作為LPG的補充或替代物，很可能是小城鎮尤其是住宅高度分散的農村地區的重要解決方案。

5、滿足未來減排CO2的需要

煤氣化系統可以以較小的成本捕捉CO2。在煤的清潔高效利用方面電化共軌有很大潛力，是煤炭發展的重要方向。

總之，依託最先進的節能和環保技術，煤炭完全可以更清潔，與環境更友好，更符合科學可持續發展的理念，我們應重新審視對煤電的認識，放心地在城市建設真正的綠色煤電。

（來源：神華集團北京低碳研究所）