毛健雄清華大學(xué)熱能工程系教授，曾任清華大學(xué)熱能工程系副主任，長期從事熱能工程和清潔煤燃燒發(fā)電技術(shù)等方面的教學(xué)、科研和國際交流工作，至今已有50多年。他于1993年被聘為英國煤炭科學(xué)研究院顧問，1995年被英國DeMontfort大學(xué)授予榮譽技術(shù)博士學(xué)位稱號，1999年被選為英國能源學(xué)會會員。他所從事的主要教學(xué)和科研工作包括：燃燒理論和燃燒設(shè)備、鍋爐設(shè)計和潔凈煤技術(shù)、清潔煤燃燒發(fā)電技術(shù)、超臨界和超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)以及燃煤電站二氧化碳捕獲和封存技術(shù)等。
清華大學(xué)熱能工程系教授——毛健雄
“煤電可以做到氣電的排放水平”
記者：您認(rèn)為霧霾形成的原因是什么?
毛健雄：現(xiàn)在全國很多區(qū)域產(chǎn)生的大范圍霧霾天氣，不能完全歸罪于煤，煤只是其中的一部分。煤到底在一個地區(qū)的大氣污染中占有多大比例，要看這個地區(qū)的具體情況。霧霾中PM2.5形成的原因很復(fù)雜，主要不是燃煤排放的粉塵，另外還有硫氧化物、氮氧化物和酸性氣體等其他化石燃料燃燒的排放物，其中氮氧化物可能起著更大的作用。這些污染物在大氣中混合產(chǎn)生氧化反應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)，二次產(chǎn)生氣溶膠這種非常微小的顆粒物。而氮氧化物和硫氧化物產(chǎn)生的源頭大部分是化石燃料的燃燒和汽車尾氣的排放，可能汽車尾氣的排放是更主要的。
還有一點，因為現(xiàn)在火電廠煙氣脫硝主要采用向煙氣中噴氨并通過催化來與氮氧化物反應(yīng)而脫除，而這個過程中有一部分沒有反應(yīng)的氨氣會隨著煙氣排放到大氣中，通過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣溶膠。同時氨水的運輸、儲存和氣化過程中也會有一部分泄露。
記者：出于環(huán)境治理特別是霧霾治理的考慮，現(xiàn)在我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的力度在加大，您如何看待煤炭的前景?
毛健雄：中國的能源資源中，煤炭占主體地位。我認(rèn)為在未來幾十年內(nèi)，煤炭的主體地位難以改變。我們已經(jīng)是世界大能源消費國，電力總裝機容量也是世界，一次能源消費里面煤炭占70%以上，發(fā)電量中火電發(fā)電量占70%以上。所以能源結(jié)構(gòu)改變起來很難，因為總量基數(shù)太大，煤炭消費的量太大。我認(rèn)為，到2050年，中國的火電發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重能降到50%以下就不錯了。
長遠(yuǎn)來看，煤炭也是世界主要能源。
從儲量來看，天然氣和石油的儲量比起煤炭差得很遠(yuǎn)。我認(rèn)為未來四五十年內(nèi)煤仍是中國位的能源。
記者：您是研究煤炭燃燒的，您認(rèn)為煤炭如何來清潔利用?
毛健雄：從發(fā)電來說，現(xiàn)在的環(huán)保技術(shù)已經(jīng)可以把煤電做到接近燃?xì)獍l(fā)電的排放水平，把煙塵降到每立方米5毫克以下、氮氧化物降到每立方米50毫克以下，都沒有問題。目前上海外高橋三廠(以下簡稱“外三”)的煙塵排放做到了11毫克/立方米，二氧化硫25毫克/立方米和氮氧化物25毫克/立方米，其實外三還可以做到更低的排放。
現(xiàn)在火電廠除塵技術(shù)中有一種濕法電除塵器，減排的效果很好，可以達到5毫克/立方米的排放，達到了燃?xì)獾呐欧潘剑覍p少PM2.5的排放也會有一定的作用，現(xiàn)在很多火電廠在電除塵器改造時在考慮采用這種技術(shù)。如果要使煤電達到氣電的排放標(biāo)準(zhǔn)，選擇濕法電除塵技術(shù)可能是重要方向。如果從長遠(yuǎn)考慮，煤電的粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)肯定還要更加嚴(yán)格向氣電看齊，例如達到5~10毫克/立方米，這樣對濕法電除塵技術(shù)就應(yīng)該加以重視，積累經(jīng)驗，降低成本，加以推廣。
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外三”的高低位布置技術(shù)是一個重大創(chuàng)新
記者：既然煤炭燃燒可以做到跟天然氣一樣清潔，那我們現(xiàn)在還有必要大量進口天然氣和發(fā)展煤制氣嗎?毛健雄：現(xiàn)在美國的頁巖氣已經(jīng)在大規(guī)模的生產(chǎn)并且比較便宜，美國的方向也很明顯，就是用大量的燃?xì)獍l(fā)電來取代燃煤發(fā)電，但現(xiàn)在美國的煤電發(fā)電量還是，美國要把所有的煤電都搞掉，那是不可能的。從全世界來看，煤電仍是主力電源，煤電發(fā)電量占所有發(fā)電量的40%以上。澳大利亞90%是煤電，中國是70%，美國是40%。
中國要壓煤上氣，但是不可能把將近9億千瓦的煤電替代掉，畢竟我們受到天然氣資源的限制，而現(xiàn)在燃?xì)獍l(fā)電只有4000萬千瓦的規(guī)模。換一種思路，如果燃煤電廠能夠做到和天然氣電廠的排放一樣清潔，我們?yōu)槭裁床豢梢栽谘睾４蟪鞘卸喔阋恍┫裢馊@樣的燃煤電廠，它的效率、排放跟燃?xì)怆姀S至少是一樣的，而且能源成本低多了。
我并不是反對上天然氣發(fā)電機組，而是認(rèn)為節(jié)能減排還是要抓煤本身，用天然氣是解決不了問題的。
當(dāng)然天然氣也有優(yōu)勢，就是天然氣發(fā)電可以聯(lián)合循環(huán)，能源利用效率可以達到60%，這是煤炭比不了的。因此，如果中國有大量天然氣，就可以用來建天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠，如果天然氣的價格跟煤一樣，肯定沒人去建燃煤電廠。但是現(xiàn)實是我們沒有那么多天然氣，而且天然氣又很貴，所以只能選擇煤炭。
外三的總經(jīng)理馮偉忠進行了一系列的技術(shù)創(chuàng)新，使外三的供電煤耗降低到276克/千瓦時，達到了世界的水平。
他還有一個新的方案叫做“高低位分軸布置的汽輪發(fā)電機組技術(shù)”，運用這項技術(shù)，可以利用現(xiàn)有的材料、設(shè)備和技術(shù)平臺，使單位造價在與目前超超臨界機組相當(dāng)?shù)那疤嵯拢瑱C組效率再相對提高約5%，使供電效率達到48.9%，并使煙塵排放達到5毫克/立方米、二氧化硫15毫克/立方米、氮氧化物20毫克/立方米。2011年，該技術(shù)通過了國內(nèi)外專家的評審，認(rèn)為“采用典型的并已有使用業(yè)績的高、中、低壓缸模塊進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、組成的135萬千瓦二次再熱雙軸機組，使用現(xiàn)有的高溫材料，可達到目前世界上超超臨界機組發(fā)電效率的水平，技術(shù)方案先進、可行”。
記者：提高火電廠的效率很難嗎?馮偉忠的技術(shù)有哪些先進的地方?
毛健雄：火電行業(yè)有一句話叫“十年磨一克”，如果真正想通過改造把機組效率大幅度地提高，是非常困難的。
為了把火電效率進一步大幅度提高，現(xiàn)在世界上歐盟、美國、日本和中國均在開發(fā)700攝氏度等級的超超臨界發(fā)電技術(shù)，這個技術(shù)的關(guān)鍵是研發(fā)能夠在700攝氏度高溫下長期安全運行的高溫鎳基金屬材料，但它的價格是現(xiàn)在600攝氏度材料的10倍以上，電廠需要幾根近百米長的這種主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道，單就這幾根管子的成本就會占整個電廠投資的25%。
在未來的幾十年內(nèi)，中國都將會是“以煤為主”，將來二次再熱的700攝氏度超超臨界機組的應(yīng)用主戰(zhàn)場還是在中國，因為歐洲、美國等發(fā)達國家對燃煤火電的需求已經(jīng)很小了。運用700攝氏度超超臨界技術(shù)可以將火電凈效率從48.9%進一步提高到52%(供電煤耗236克/千瓦時)。歐盟從1998年就開始啟動700攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)的研發(fā)，預(yù)計其示范廠的投運的時間將是在2020年以后，中國的700攝氏度超超臨界示范廠也可能在2020年后建成。一旦700攝氏度超超臨界技術(shù)的示范取得成功，其在市場上推廣的瓶頸就是如何大限度地縮短必須采用昂貴的鎳基合金的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的長度。
而馮偉忠的高低位布置是一個重大的創(chuàng)新。他的思路是把汽輪發(fā)電機組的高溫高壓缸直接布置到鍋爐的出口，從而大大縮短了需采用昂貴的700攝氏度耐高溫材料管道的長度，為此他解決了由此產(chǎn)生的一系列技術(shù)問題，如高溫高壓管道短化后熱膨脹的吸收和熱應(yīng)力的消除等。
此時汽輪發(fā)電機組的低壓缸還是布置在原來的低位位置采用常規(guī)的普通材料管道。這就是用600攝氏度的高溫材料去實現(xiàn)700攝氏度的超超臨界機組的效率。因為外三汽輪機是西門子的技術(shù)，鍋爐是阿爾斯通的，所以馮偉忠把他的方案交給這兩家做了評估、論證，兩家都給予高度評價。西門子火力發(fā)電集團產(chǎn)品業(yè)務(wù)部的專家認(rèn)為“本技術(shù)能大大提高火力發(fā)電機組的凈效率，是改革高污染發(fā)電行業(yè)成為低排放綠色產(chǎn)業(yè)的機遇”。
據(jù)我所知，該項目的初步可行性研究也已于2013年12月審查完畢，目前已完全具備條件在外三廠擴建端的現(xiàn)有場地上開展示范性項目建設(shè)。遺憾的是，馮偉忠的方案已經(jīng)提出來五年了，本來大家希望在“十二五”期間可以看到一臺這種世界上效率高、排放低的燃煤示范機組，但是因為上海燃煤火電項目限批的原因，現(xiàn)在還在等待。
“提率是降低碳排放的根本”
記者：既然有這么好的率低排放的煤電技術(shù)，為什么沒有推廣開來?
毛健雄：實際上馮偉忠的一系列創(chuàng)新技術(shù)現(xiàn)在正在逐漸推廣，我覺得對一個新的創(chuàng)新事物要有一個認(rèn)識的過程，據(jù)我了解，現(xiàn)在越來越多的的電力公司正在和馮偉忠和外三合作，例如華潤電力和神華集團就已經(jīng)和外三簽訂了技術(shù)合作的協(xié)議。
一系列合作項目正在進行之中。
記者：為什么先進的煤電技術(shù)出現(xiàn)在外三?
毛健雄：馮偉忠這個人也算是個奇人，他初中都沒畢業(yè)，從電廠當(dāng)學(xué)徒工出身，全部是自學(xué)，數(shù)理化和各種專業(yè)理論，包括英文，他在國際會議上可以用英文發(fā)言，所以他不僅具有燃煤火電廠機、爐、電的整個系統(tǒng)的全面經(jīng)驗，而且有深厚的理論基礎(chǔ)，他的每一個創(chuàng)新都以理論為指導(dǎo)，但又不墨守成規(guī)，而是敢于和善于逆向思維，或叫創(chuàng)新思維，想人之不敢想。他深知在火電廠不能只靠大膽，凡事必須非常科學(xué)、有根據(jù)、有把握。他的每一個技術(shù)創(chuàng)新都親自做計算機模擬，模擬的計算機軟件都是他自己設(shè)計的，因此他年年創(chuàng)新，個個成功。外三的廠用電率只有2%，這是不得了的，他搞了一個集中調(diào)頻的創(chuàng)新，不是一個馬達用一個調(diào)頻器，而是用與主汽輪機抽汽驅(qū)動一個調(diào)頻汽輪發(fā)電機組來對全廠的馬達進行集中調(diào)頻，又多發(fā)了電，又節(jié)了能。馮偉忠的成功，還在于他的十分刻苦和付出，我到過外三廠多次，廠里的同志告訴我，他是全廠早上個到廠，晚上后一個離廠的人，他從來沒有星期天和節(jié)假日。他是廠長兼黨委書記，白天他要對全廠的，安全和低排放的運行進行指揮、領(lǐng)導(dǎo)和管理，他的創(chuàng)新工作全是在晚上下班后和節(jié)假日進行的。當(dāng)然，馮偉忠的創(chuàng)新能夠把外三變成一個安全、和低排放的先進燃煤火電廠，還因為他有一個非常好的團隊和一個理解和支持他的上海申能公司的領(lǐng)導(dǎo)。
記者：未來碳排放將是煤電無法回避的問題，您認(rèn)為從技術(shù)創(chuàng)新的角度如何解決這個問題?
毛健雄：解決二氧化碳問題，步應(yīng)該是大限度地提高煤電的效率，這樣就把煤電排放的二氧化碳降到低。
第二步才是二氧化碳捕集和封存技術(shù)也就是CCS，但是這個技術(shù)是一個高成本和高能耗的技術(shù)。就拿效率來說，火電廠如果采用CCS系統(tǒng)，就會把現(xiàn)有效率吃掉10%，所以有一句玩笑話--“辛辛苦苦50年，一下回到解放前”，就是煤電效率從30%提高到40%用了50年，CCS一上馬，50年白搞了。同時由于中國煤電的體量又很大，在中國大規(guī)模采用CCS來減排二氧化碳的前景以及如何采用現(xiàn)在還很難說。
現(xiàn)在聯(lián)合國對全球二氧化碳排放的控制目標(biāo)是不使全球平均氣溫上升超過2攝氏度，中國現(xiàn)在已經(jīng)是世界上大的二氧化碳排放國，不管怎么說，二氧化碳排放控制是中國煤電將來面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。
即使將來必須采用CCS技術(shù)，那么基礎(chǔ)也應(yīng)該是的煤電。如果本來效率就很低，再使用CCS就很難搞下去。所以從這個角度來講，今天大限度地提高火電廠的效率，不僅是為了今天的節(jié)能減排，也是為了將來減排二氧化碳打基礎(chǔ)。所以今后中國的火電廠，除了少數(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)之外，必須走馮偉忠的道路，當(dāng)然，隨著技術(shù)的進步，CCS本身的能耗也會降低。
如果現(xiàn)在全國火電效率都提高到外三現(xiàn)有的水平，甚至于到高低位布置的水平，則煤電每度電產(chǎn)生的二氧化碳會降低20~35%，效率越高，每度電產(chǎn)生的二氧化碳越少。現(xiàn)在美國的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有了二氧化碳的排放限制要求，歐洲則早就有了，將來若干年內(nèi)如果中國也有這方面的要求，中國的火電效率將迎來一個大幅提高的過程，因為環(huán)境政策標(biāo)準(zhǔn)是驅(qū)動一切環(huán)保技術(shù)發(fā)展的動力。
編輯部：
