【精彩论文】超低排放燃煤电厂和燃气电厂综合对比

Original 中国电力中国电力 2023-12-18

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徐静馨，朱法华

国电环境保护研究院有限公司

引文信息

徐静馨, 朱法华, 王圣, 等. 超低排放燃煤电厂和燃气电厂综合对比[J]. 中国电力, 2020, 53(2): 164-172，179.

XU Jingxin, ZHU Fahua, Wang Sheng, et al. Comprehensive Comparison of Ultra-low Emission Coal-Fired Power Plants and Gas-Fired Power Plants[J]. Electric Power, 2020, 53(2): 164-172，179.

研究背景

燃煤和燃气发电是中国火力发电的两大主流形式。中国“富煤少气”的能源格局决定了燃煤电厂长期占据中国火电领域的主导地位。自2011 年以来，国家相继出台了一系列严格的环保法规和政策措施，明确要求燃煤电厂在规定期限内实现超低排放，目前我国已建成世界规模最大的清洁高效煤电体系。与此同时，燃气电厂普遍认为比燃煤发电更为清洁高效，中国北方地区大范围推广“煤改气”，甚至有些地方政府要求必须一刀切“煤改气”；然而在实施过程中出现了一系列问题，“煤改气”继续向前推进的方法需更理性。

论文所解决的问题及意义

针对目前超低排放燃煤电厂和燃气电厂在技术、环境、经济方面的评估不足，对于两类电厂到底谁更为高效，更为清洁，更为经济，更符合国内行情等问题尚存在较大争议，文章从发电及污染控制技术、环境效应和经济效益3方面对超低排放燃煤电厂和燃气电厂进行综合对比，其中环境效益分为大气污染排放和其他污染方面，包括煤炭运输过程中煤尘对大气的污染、煤炭燃烧后产生的液、固体废弃物污染，经济效益分为改造和新建成本及发电成本构成，为客观看待两类电厂的优劣提供理论参考，为国家能源局发布的征求《关于解决“煤改气”、“煤改电”等清洁供暖推进过程中有关问题的通知》意见函提供必要的依据和建议。

论文重点内容

1）发电技术对比：燃煤清洁发电技术已经发展成熟，由进口实现了国产化及优化，这些技术包括超超临界燃煤发电技术（USC）、整体煤气化联合循环发电技术（IGCC）、增压循环流化床燃烧技术（PCFB）和循环流化床富氧燃烧（Oxy-fuel）技术。其中USC发电技术最为成熟且普及率高，从2002年开始，仅用4年时间就完成了亚临界―超临界―超超临界发电技术的发展（见图1）。燃气―蒸汽联合循环发电技术是应用最为广泛的燃气发电技术。目前，中国现有运行的燃气电厂以E级燃气轮机为主，循环效率最高能达到60%左右。国家能源局发布的《燃气发电安全监管报告》显示，中国燃气发电核心技术未完全掌握，主要通过引进国外先进技术和设备，导致进口设备价格昂贵，整机检修严重依赖原厂家。

图1 超临界燃煤发电技术的发展进程

2）污染控制技术对比：燃煤电厂污染控制技术也经历了由国外引进―国内完全自主研发―技术国际领先的阶段，实现了超低排放。常规污染物中，目前除尘效率可高达99.99%；脱硫效率可高达99.7%，脱硝效率也已达到90%以上；并形成了颗粒物、SO₂和NO₂的超低排放技术路线。此外，脱除一体化、多污染物协同治理技术也可对非常规污染物如SO₃、Hg等进行协同脱除，脱除率分别达到90%和60%以上。燃气电厂排放的主要污染物为NO_x，脱硝技术通常采用干式低NOx燃烧技术和SCR脱硝系统，但燃机及其配套的低氮燃烧器长期被国外四大制造商垄断，因此，该部分技术主要依靠主机厂家控制和升级。

3）大气污染物排放对比：文章计算了基于标准限值和实际运行两种情况下超低排放燃煤电厂和燃气电厂单位发电量（1 kW·h）排放的污染当量（见表1）。燃气电厂标准干烟气量明显高于燃煤电厂，是燃煤电厂的1.95倍。在标准限值情况下，单位煤电排放的常规污染物污染当量为0.288×10^-3，为气电（0.532×10^-3）排放的54%。在实际运行情况下，与燃气电厂相比，单位煤电排放的常规污染物污染当量（0.156×10^-3）较低，分别为E级（0.198×10^-3）和F级（0.264×10^-3）气电排放的79%和59%；在综合考虑非常规污染物排放下，单位煤电排放的总污染物污染当量（0.227×10^-3）是F级气电排放的86%，略高于E级气电排放。由此可见，超低排放燃煤电厂在实际运行情况下，单位发电量排放的常规污染物污染当量明显低于燃气电厂，总污染物污染当量低于F级气电排放，但略高于E级气电排放。本研究中燃气电厂干烟气量计算时选择的是最为先进的发电效率接近60%的联合循环燃气轮机组，但在实际运行中，大多数燃气电厂发电效率达不到60%，因此，干烟气量远高于5.8 m³/kWh，导致了燃气电厂排放的大气污染物被低估。

表1 基于标准限值和实际运行下超低排放燃煤电厂和燃气

电厂单位发电量（1kW·h）排放的污染当量对比

主要指标	超低排放燃煤电厂	燃气电厂
E级	F级
标准干烟气排放量/(m³·(kW·h)^–¹)	2.97	5.8
标准限值情况	单位发电量(1 kW·h)排放的常规污染物污染当量	0.288×10^-3	0.532×10^-3
实际运行情况	单位发电量(1 kW·h)排放的常规污染物污染当量	0.156×10^-3	0.198×10^-3	0.264×10^-3
单位发电量(1 kW·h)排放的非常规污染物污染当量	0.071×10^-3	－	－
单位发电量(1 kW·h)排放的总污染物污染当量	0.227×10^-3	0.198×10^-3	0.264×10^-3

4）其他污染方面对比：燃煤电厂对环境的影响还包括在煤炭运输过程煤尘对大气的污染和煤炭燃烧后液、固体废弃物对环境的污染。目前煤炭运输主要使用铁路敞车，一般采用车厢加盖或篷布遮盖防尘和洒水防尘法。废水排放处理一般采用化学絮凝沉降法、微生物法、烟气废热利用等；通过利用旁路烟道及旁路喷雾干燥技术可达到脱硫废水零排放。固体废弃物能用于综合利用。煤炭燃烧后产生的液、固体废弃物均利用有效技术和方法得到了较好的控制和处理，对环境影响已较小，还能为超低排放燃煤电厂所在城市提供必需的建筑材料、筑路材料等，从而变废为宝。燃气电厂与燃煤电厂相比，不需要铁路运输原燃料，发电后会产生废水和少量固体废弃物。但由于中国城市化进程加剧，需要大量水泥等建筑材料进行基础建设。若一刀切“煤改气”或只建设燃气电厂，将导致所在城市基础建设的原材料短缺，需要远距离公路运输。汽车是机动车大气污染排放的主要贡献者，京津冀、长三角和珠三角地区以柴油为主的公路运输仍占据主导地位，重型货车成为京津冀地区NOx排放的重要污染源，会对环境带来更大的影响。

5）改造和新建成本对比：超低排放机组改造、“煤改气”项目改造和新建燃气蒸汽联合循环机组的总工程静态投资成本及其构成如下（见图2）。2×300 MW、2×660 MW和2×1000 MW超低排放燃煤机组改造的单位投资分为为207.9、189.4和163 元/kW。另外，国际上采用9F型机组的燃气电厂的单位造价大约为2 421 元/kW，中国引进的9F型机组单位造价为3090～4096 元/kW，新建燃气蒸汽联合循环机组的总投资达到20亿元以上。由此可见，改造或新建总投资费中，超低排放燃煤机组改造的费用最低，其次是“煤改气”项目改造，新建燃气蒸汽联合循环机组的费用最高。

图2 超低排放机组改造、“煤改气”项目改造和新建燃气蒸汽

联合循环机组总工程静态投资成本及其构成

6）发电成本构成对比：超低排放燃煤电厂和燃气电厂的发电成本构成如下（见图3）。执行超低排放的燃煤电厂的发电成本为0.466 元/kWh，燃气电厂的发电成本为0.932 元/kWh，由此可见超低排放燃煤发电的成本是气电的50%，燃煤发电成本远小于气电。

图3 超低排放燃煤电厂和燃气电厂的发电成本构成

研究结论

文章对超低排放燃煤电厂和燃气电厂从发电与污染控制技术、环境效应和经济效益3方面进行了对比，结果如下：

（1）从发电和污染控制技术看，超低排放燃煤电厂已完全自主研发生产，整体技术已跨入国际先进水平；燃气电厂仍采取进口的方式，需加快掌握燃气轮机制造的关键技术；

（2）从环境效应看，超低排放燃煤电厂在气、液、固等常规污染物排放上均达到有效控制，对环境影响已较小，当燃煤发电标准煤耗不大于全国平均水平时比燃气电厂更清洁；

（3）从经济效益看，超低排放燃煤电厂继续保持相对于燃气电厂较大的发电经济优势。

对于国家能源局发布征求的意见函，仍应坚持各地宜煤则煤、宜气则气，结合当地资源，不应一刀切“煤改气”或大跃进建设“煤改气”或燃气电厂。目前超低排放燃煤电厂在技术、环保、经济、效率上均不亚于燃气电厂，在少气的城市可采用超低排放燃煤电厂，在采暖期既能保障供暖需求，又能保障清洁供暖。煤电超低排放是中国能源安全的战略选择，是能源革命的重要内容。

主要作者介绍

第一作者：徐静馨，女，博士后，从事大气污染控制和电力环境保护的研究。

E-mail: xjx_0718@163.com。

通讯作者：朱法华，男，高级工程师（教授级），长期从事电力环境保护科研工作。

E-mail: zhufahua@vip.sina.com。

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