先进发电技术的环保特性分析
摘要：火力发电在中国电力工业中占有非常重要的位置，为保护环境，实现可持续发展，广泛开展高效的“绿色”发电技术势在必行，如超临界发电机组、IGCC、煤炭气化发电以及最具发展潜力的超临界水氧化发电技术等，重点分析了这几种发电新技术的环保优势。
我国是世界上以煤炭为主要一次能源的国家之一，发电能源构成中，煤电比例大，2004年的全部发电机组中，火电机组的装机容量占总装机容量的77.08%。按照国家电力规划，即使到2020年火电装机容量仍占全国总装机容量的60%以上。煤炭在燃烧过程中，排放大量的NOx、二氧化硫、二氧化碳和烟尘，加重了对大气环境的污染，给我国带来了一系列生态环境保护问题，如酸雨、温室效应、浮尘等。并且每年为了防治NOx、SO2、烟尘污染及减缓温室效应，花费巨大的投资与运行费用。
电力是国家发展的经济命脉，尤其进入21世纪后，为满足新世纪国民经济发展的需要，电力工业必将较快发展。为使电力发展与能源、环境相协调，实现良性循环的目标，解决环境污染制约能源利用和经济发展的问题，大力发展高效、洁净的“绿色电力”，追求燃煤机组的高效率和低排放，必将成为本世纪我国电力工业发展的主旋律。在世界发达国家已得到广泛发展应用的超临界机组、IGCC(整体煤气化联合循环)等火力发电新技术，以及最具发展潜力的超临界水氧化发电技术，因其高效率和优越的环保性能，必将成为我国21世纪的环保发电技术。
1 超临界火力发电技术
超临界直流锅炉的专利方案，是由捷克人马克·本生在1919年提出来的，1923年德国西门子公司按他的专利建成了第一台试验性超临界机组。超超临界锅炉技术于20世纪90年代初在欧洲问世，是国际上最为先进的燃煤发电技术之一，具有煤耗低、环保性能好、技术含量高的特点[1]。
主蒸汽压力等于或大于超临界压力24.2 MPa，主蒸汽温度或再热蒸汽温度小于580 ℃的火力发电机组称超临界机组，温度大于580 ℃的称超超临界机组。超临界压力机组技术是当今世界上一项既成熟又在发展中的火电技术，由于压力、温度的提高，其效率较同等容量的亚临界机组有大幅度提高，具有节能、高效和环保的优势，为全世界工业化国家广泛采用，其可用率、可靠性、运行灵活性和机组的寿命等方面已经可以和亚临界机组相媲美[2]。
从环境效益上来讲，节能就是环保。超临界机组的煤耗降低，由此而排放的SO2、NOX和温室效应气体CO2也会成比例地降低，故有较好的环境效益。此外，还可以采用低NOX燃烧器，加设脱硫装置等来达到日益严格的环保要求。我国漳州后石电厂6×600 MW超临界机组，由于装设了除尘、脱硫(海水脱硫)、脱硝设备，烟尘、SO2和NOx的排放浓度设计值分别为31、235、205 mg/mN3，都分别低于相应的国家标准排放值，电厂实现达标排放和洁净发电的目标[3]。
2 整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术
整体煤气化联合循环（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）发电技术，是将煤气化与联合循环发电相结合的一种洁净煤发电技术，是目前世界上最先进、高效率的环保型燃煤发电方式之一。
以煤为燃料的IGCC发电技术先将煤炭在气化炉中气化，产生出中热值或低热值（相对于天然气和石油）的合成气，然后经过净化处理，把合成气中的灰分、含硫化合物（如H2S等）等杂质去掉，生成洁净合成气后供给燃气轮机做功，并与蒸汽轮机组合起来，形成联合循环发电。这种将固体燃料转化成清洁的气体燃料的发电技术，既具有联合循环的高效率，又解决了燃煤所带来的环境问题，因此成为世界上极有发展前途的一种“绿色发电”方式。其优越的环保性能体现在它对污染物的处理是在能源转换过程中，在高压力、高浓度、小流量的煤气中进行的。它将逐步取代现有的汽轮机电站，成为火电动力的主要发展方向。
燃煤发电造成的污染主要是SO2、NOx和粉尘。由于IGCC系统中采用了脱硫、脱硝和粉尘净化的措施，大大降低了污染物的排放浓度，其各种污染排放量都远远低于国际上先进的环保指标。
（1）IGCC技术在煤气化产物进入燃气轮机前必须进行脱硫处理和除尘。气化中大部分S变成H2S，而除去H2S较容易，并可得到固体硫副产品；脱硫后，可以除去煤气中98%以上的硫化物(H2S和COS)，与同容量的燃煤电站相比，SO2的排放减少90%以上。即使燃用含7%硫、30%～40%灰的劣质煤，也能达到97%～98%燃烧效率和85%以上固硫率。
（2）在气化器中，煤中N以NH3、酚或其它有机物形式存在于废液中，故NOx排放大大减少，NOx排放值等同于天然气，小于25 mg/mN3。
（3）节能即是环保，由于IGCC电站的热效率高，与同容量常规火力发电厂相比可减少耗煤量，因而CO2的排放量也相应减少。此外，采取目前成熟的工艺可分离85%以上的CO2[4]。
（4）由于燃气轮机对入口煤气的含尘量和含尘浓度有严格的限制，比烟气排放标准要高得多，因此煤气在进入燃气轮机前要进行严格的除尘(除去煤气中接近100%的粉尘)。一般IGCC的粉尘排放低于10 mg/mN3，基本不排放粉尘[5]。
国外已投产的部分IGCC电站排放数据见表1。
表1 国外已投运IGCC电站的排放数据
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（5）排渣可以回收利用。气化炉的排渣（占灰渣总量的90%左右）是以液态方式经水冷却后排出的，属惰性无析出渣，可出售用于筑路、制砖等，可进行综合利用。
被誉为“世界上最清洁的燃煤电站”的冷水电站，脱硫效率为96%～97%（可分离出98.6%的H2S和26.2%的COS），可生产出纯度为98%～99%的元素硫作为商品出售；气化炉燃烧生成的灰份被熔化成灰渣，作为磨料、绝缘材料或筑路材料出售，排水经澄清后一部分用于制备水煤浆，一部分排入蒸发池，处理后形成符合环保标准的废水，从而使冷水电站成了无废无害的清洁电站。英国对装有BLG气化炉IGCC电站进行可行性研究表明，脱硫率高于99.8%，各种排放远低于英国标准。
3 煤炭气化发电技术
煤炭气化技术是将地下煤炭有控制的燃烧、产生可燃气体的一种开发清洁能源与化工原料的新技术[6]。这种新技术只提取煤中含能组分，而将灰渣等污染物滞留在井下。煤炭地下气化技术集建井、采煤、转化工艺为一体，大大减少了煤炭生产和使用过程中所造成的环境破坏，而且能使煤炭资源的利用率得到极大提高[7]。
煤炭地下气化技术为报废矿井的残留煤柱、难采煤层、高灰、高硫以及不适合开采的煤炭资源或价值较低的劣质矿床的开发利用提供了新途径，最大限度地利用和节约了日趋减少的煤炭资源。煤炭气化技术又是煤炭化工合成、煤炭直接/间接液化、IGCC发电技术、燃料电池等高新洁净煤利用技术的先导性技术和核心技术。其特点如下：
（1）实现清洁生产，确保环境质量
煤炭地下气化技术集采煤、运输、气化、电厂燃用等多工艺为一体，气化过程中几乎无废气排放，气化后的灰渣和废液留于地下，生产用水量少，能从根本上解决传统的煤炭开采、运输、地面加工和燃用过程中存在的一系列环境污染问题，具有投资低、效益高、污染少等优点。
（2）减缓地表变形，保护生态环境
洁净煤气化工艺在环境保护方面不仅做到了洁净、安全、无污染或最小污染的排放达标，而且可以减缓地表变形。因为在探明的煤炭资源中，有一部分可能积埋在建、构物等下面，常规的煤炭开采会带来地表塌陷、区域环境遭到破坏等问题。煤炭地下气化技术正是减缓地表变形的有效技术。据国内煤炭地下气化工业性实验和分析，采用煤炭地下气化可将地表下沉减少约40%～50%，对于保护生态环境和国土资源，都具有十分重要的社会意义。
4 超临界水氧化发电技术超临界水氧化技术(Supercritical Water Oxidation，SCWO)是一种能够彻底氧化分解有机物的新型技术。在通常状态下，水是以气态、液态或固态形式存在着，如果将水的温度和压力升高到临界点(临界点处：温度为374 ℃，压力为22.05 MPa)以上，水将以一种新的流体态——超临界态存在。超临界态不同于气、固、液三态，该状态下的水称为超临界水。超临界水的性质发生了很大的变化，其密度、粘度、热导率、介电常数、离子积、扩散系数、溶剂化性能都不同于通常状态下的水，具有低粘度、高扩散性、几乎无界面扩散阻力等特性。它可与有机物、空气（或氧气）按照任意比例混合于同一相中，而无机化合物尤其是盐较难溶解于其中。同时，高温也加速了反应的进行，可以在很短的时间内高效地将有机物氧化降解[8]。
碳氢化合物在超临界水中，与空气(或氧)和水均相混合，开始自发氧化，无需外界供热，在很短的反应停留时间内，被迅速氧化成CO2和H2O；杂原子转变为酸、盐和氧化物；化合物中的磷、硫转化成相应的磷酸盐和硫酸盐，氮转化为氮气[10]。
（1）NOx的生成与排放
有研究表明，超临界水氧化反应过程中，当反应温度控制在700 ℃以下时，不会有NOx生成[9]。
（2）SO2的生成与排放
化合物中的硫转化成硫酸根，在反应物中加入碱化剂（NaOH或Ca(OH)2），当氧化开始，就会生成Na2SO4或CaSO4等硫酸盐，而硫酸盐在超临界水中溶解度很低，容易析出，然后通过汽固分离装置分离出来。所以不会有SO2排放到环境中[10]。
（3）灰尘杂质的分离排除
由于大部分灰尘杂质不溶于超临界水，所以在分离器中会很容易的被分离出来。但是也要考虑盐类在设备中容易沉淀，造成系统的堵塞。
（4）CO2分离与排除
由于该技术的空气过量系数为1，且气体产物中没有SO2、NOx生成，排出气体中仅有N2、CO2和少量水蒸气，CO2浓度高便于分离回收，为CO2利用或减排提供了条件。
（5）二恶英的生成问题
燃料在氧化过程中势必释放出二恶英，但是采用超临界水氧化技术，在压力30 MPa、温度673 K的条件下，以过氧化氢（其质量分数为0.02%）、空气或氧气作为氧化剂，反应停留时间30 min时，二恶英的分解率分别达到了99.7%、97.4%和98.5%，相信随着反应温度的提高，二恶英的分解会更加彻底[11]。
5 结 语
超临界与超超临界机组、IGCC、煤炭气化发电等火力发电新技术，在世界发达国家已得到广泛发展及应用，其中超临界火力发电、煤炭气化发电在我国也开展了大量的工作，IGCC技术已在烟台电厂引进示范项目。而最具发展潜力的超临界水氧化煤炭发电技术，因其高效率和优越的环保性能，也必将成为我国未来的主要环保发电技术。
参考文献
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[11] 孟令辉，许银华，黄玉东．国外超临界水氧化法在有机危险废物处理上的应用[J]．化工环保，2000，20(5):16-18．
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