山西煤电工业循环研究

　　本篇文章是由《电力机车与城轨车辆》发表的一篇电力论文，(双月刊)创刊于1978年，由中国南车集团株洲电力机车厂主办。本刊面向铁道干线电力机车、动车组与城市轨道车辆整车、配件和专用材料的研究、制造与运用单位面向相关单位的领导干部、专家学者和工程技术人员面向高等院校和中专学校相关专业师生。主要栏目：专题研究、综述•评论、研究开发、制造技术、检测•试验、他山之石、运用检修、技术动态。

　　【论文摘要】本文在分析山西当前煤电工业现状和存在问题的基础上，以循环经济理念为指导，提出从提高燃煤发电效率、综合利用煤电工业废弃物、实施节水措施等角度解决山西煤电工业存在的问题，从而从技术层面和政策层面把握山西煤电发展循环经济。

　　【论文关键词】煤电工业;火电厂;循环经济

电力机车与城轨车辆

　　经济发展，电力先行，电力工业是国民经济发展中最重要的、关系国计民生的基础能源产业，世界各国在经济发展战略中都把电力工业作为优先发展的重点领域。山西是我国主要的煤电生产大省之一，近年来山西省在大力发展煤电工业，为国民经济发展做出重大贡献的同时，也给本省的生态环境带来了沉重的压力，成为经济发展的一大瓶颈。对于山西煤电工业存在着的高能耗、高污染和低效率的现实情况，全面推行循环经济的生产模式，已成为山西煤电工业进入良性发展的必要措施。

　　一、循环经济基础理论

　　(一)循环经济的内涵

　　循环经济(recycle economy)本质上是一种生态经济。它是以资源能源物料闭合循环利用的经济形态来持续循环产生效益的生产经营形式。它把生态设计、清洁生产、资源综合利用、再生资源回收利用等融为一体，强调节约和有效利用资源，以物质、能量梯次和闭合循环使用为特征，在生产和消费过程中以最小成本追求最大的经济效率和生态效益，是一种新型、先进的经济形态。

　　(二)循环经济的基本原则

　　循环经济遵循“减量化、再使用、再循环、无害化”的行为准则，称之为“3R”原则，每一项原则对于循环经济的成功实践都是必不可少的：

　　1.减量化(Reduce)。循环经济主张从源头减少进入生产和消费领域的物质流和能量流，控制污染物的产生，在经济活动的源头就注意节约资源和减少污染，从而减轻整个社会经济活动对生态环境产生的压力。

　　2.再利用(Reuse)。再利用原则属于过程性方法，目的在于提高产品的利用效率，是延长产品寿命周期最有效办法，通过对所购买的产品进行重复使用，在一定程度上减轻了输入端对物质投入量的需求。资源利用率与环境污染率是成反比关系的：资源利用效率越高，环境污染率就越低，原因是把原来污染了环境的那部分资源综合利用起来了。

　　3.再循环(Recycle)。再循环原则主要通过对废弃物的再生利用和资源化来实现，资源化存在两种方式，一种是原级资源化，即将消费者遗弃的废弃物资源化后形成与原来相同的新产品;第二种是次级资源化，即废弃物被变成不同类型的新产品。

　　二、国内外研究及实施状况

　　(一)国内研究现状

　　从1998年中国开始引入循环经济理念开始，目前我国的循环经济正从宣传示范的启动阶段走向建立政策机制的推动阶段，国内煤电工业循环经济研究理论与实践主要体现在以下四个方面。

　　1.发展整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)[1]

　　IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)是将煤气化和燃气-蒸汽联合循环发电结合起来的一项新型燃煤发电技术。IGCC发电系统有两大分系统构成，即煤的气化、洁净系统和发电系统，其基本原理是将煤炭气化与净化后制成洁净的煤气，形成高温燃气后推动燃气轮机做功，燃气轮排气进入余热锅炉;余热锅炉、气化炉产生的蒸汽再进入汽轮机做功，从而构成一种燃煤联合循环。IGCC发电因其通过煤炭或者固体碳氢化合物的气化，联合循环产生合成煤气或者其他副产品，既能高效地利用煤炭资源，又有很好的环保效果。整体煤气化联合循环发电技术可以把能源利用效率提高到50%～56%，并且减少95%～99%的SO2和NOX的排放。

　　2.对煤矸石进行合理利用

　　首先，利用煤矸石发电。煤矸石电厂与大容量火电厂相比较有着更高的经济效益，作为燃料的煤矸石价格很低，一般折合吨标准煤最多只要40元，因而煤矸石电厂的发电成本相对较低;其次，把煤矸石烧制作为耐火材料的原材料而利用，煤矸石的矿物组成主要是SiO2、AI2O3及一些硅镁的氧化物可以利用煤矸石合成耐火材料碳化硅。另一利用途径是将煤矸石粉碎，制成各种建筑材料。

　　3.粉煤灰的综合利用

　　粉煤灰可用于水泥生产的原材料。粉煤灰具有与粘土相类似的化学成分，它可以代替粘土组份进行配料生产水泥。国内已研制出硅酸盐水泥、硅酸三钙水泥、硫酸铝酸钙水泥、低比重油井水泥、早强型水泥等，有的粉煤灰掺量可达75%。由于粉煤灰中含有一定量的未能燃烧的碳粒，所以用粉煤灰配料还能节省燃料。粉煤灰还可以制造粉煤灰烧结砖和粉煤灰免烧砖等墙体材料。另外，粉煤灰具有吸附性，呈多孔蜂窝性组织，具有很大的比表面积，具有固体吸附剂的性能，因此可以用粉煤灰来处理废水。

　　4.脱硫副产品利用

　　从国内综合利用的实践看，脱硫石膏可用于水泥和土壤改良等领域。用石膏制取硫酸的工艺，或将石膏加入回转炉内，再添加其他成分生产水泥熟料。

　　(二)国外研究现状

　　国外关于煤电工业的循环经济研究多从技术层面进行，大力研发煤矸石发电技术，不断降低燃煤发电的煤耗和水耗，同时减少氮氧化物、硫化物和CO2的排放，促进煤电发电的清洁生产。

　　1.发展空冷技术，降低发电机组水耗

　　传统的煤电工业一直是用水大户，仅发电机组冷却用水的冷却塔就持续不断地向大气中排放水蒸汽，消耗冷却水的30%。国外先进的空冷技术以德国GEA公司和比利时哈蒙公司为代表。德国GEA公司的空冷散热器占世界生产量的65%～70%，其空冷技术处于世界领先地位。在欧美和南非国家，大型空冷机组及其技术被广泛采用，节约用水、更好地保护生态环境已成为发达国家电力工业发展过程中被高度重视和深人研究的课题。

　　2.发展循环流化床燃烧技术

　　循环流化床(CFB)燃烧技术是一项近二十年发展起来的清洁煤燃烧技术。它具有燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石炉内脱硫、调峰能力强等突出优点。特别是针对粗颗粒燃料，绝大部分未燃尽的燃料被再循环至炉膛，因而其燃烧效率可与煤粉炉相媲美，通常达到97.5%～99.5%。循环流化床低成本地实现了严格的污染排放指标，同时燃用劣质燃料，在负荷适应性和灰渣综合利用等方面具有综合优势，为煤粉炉的节能环保改造提供了一条有效的途径。国外的先进循环流化床燃烧技术以德国为代表，德国Lurgi公司较早地开发出了采用保温、耐火及防磨材料砌装成筒身的高温绝热式旋风分离器的CFB锅炉。分离器入口烟温在850℃左右。应用绝热旋风筒作为分离器的循环流化床锅炉称为第一代循环流化床锅炉，目前已经商业化。据分析，超临界循环流化床锅炉电厂的效率可达43%～44%。

　　3.发展超临界和超超临界燃煤发电技术

　　参照电力行业标准，超临界机组为主蒸汽压力高于临界压力(一般高于24.0 MPa，低于28.0 MPa)的机组;超超临界机组为主蒸汽压力达到28.0 MPa以上，或主蒸汽温度和(或)再热蒸汽温度为593℃及以上的超临界机组。超超临界机组蒸汽参数愈高，热效率也随之提高。亚临界机组的发电效率约为38%，而超临界机组的发电效率约为41%。

　　4.建立火电厂生态工业园区

　　火电厂生态工业园是以火电厂为核心，利用电、水、热和物质副产品与其他企业联合形成生态产业链，使园区内资源得到最佳配置，废物得到高效利用，环境污染降到最低水平。国外的火电厂生态工业园区发展较早，丹麦的卡伦堡生态工业园是一个以大型火电厂为中心发展网络共生生态工业园的成功例子。以丹麦卡伦堡生态工业园区模式为样板，美国、加拿大、法国等国家也很早就开始了生态工业园区规划和建设实践，并取得丰富经验。其他国家如泰国、印度尼西亚、菲律宾、纳米比亚和南非等发展中国家也正积极兴建生态工业园。

　　三、山西煤电工业存在的问题及原因分析

　　(一)山西煤电发展中存在的问题

　　1.机组参数低、能耗高

　　山西的供电煤耗与世界先进水平相差约40～50g/kW·h，与世界先进水平相比，目前山西省一年发电多耗标准煤约900万吨。山西省火电厂平均装机耗水率比国际先进水平也高出40%。比如，山西阳光发电有限责任公司的供电标准煤耗高达351g/kW·h，比国际先进水平(320克/千瓦时)高出31g/kw·h。

　　2.环境污染严重

　　山西电力的构成中约80%以上是煤电，在电源结构方面今后相当长的时间内将继续维持燃煤机组为主的基本格局。众所周知，火力发电厂的锅炉是大气中污染物排放的主要来源。煤炭燃烧过程中排放的污染物引起负面效应：烟灰排放引起空气中悬浮颗粒增多;二氧化硫和氮氧化物排入大气后会引起局部地区酸雨;二氧化碳和甲烷等温室气体的排放会引起全球气候变暖等。

　　3.资源浪费严重

　　山西煤系地层中共生、伴生的矿产资源分布广泛且种类繁多，如铝土矿、硫铁矿、高岭土、耐火粘土、甲烷及稀有元素镓、锗等。由于种种原因，这些矿产资源还没有得到综合开发利用。同时煤炭工业在采煤过程和洗煤过程中排放大量的含碳量较低的煤矸石，造成大量可回收分类利用的煤矸石被废弃;另一方面，山西目前依然存在大量的小火电机组，这些机组设备老化、技术落后、效益低下，造成煤耗的增大。

　　(二)造成当前局面的原因

　　1.机组容量不合理，燃煤发电总体效率低下

　　截至2010年底，山西省发电装机容量达到4700万千瓦，其中外送电装机容量1515万千瓦，其中，10万千瓦以下机组的装机容量占12.32%。据统计，一台30万千瓦发电机组，每发电1千瓦时的煤耗约为330克标准煤，一台60万千瓦超临界发电机组每发电1千瓦时的煤耗为300克标准煤，而13.5万千瓦及以下机组每发电1千瓦时煤耗为350至400克，比30万千瓦机组约多煤耗15%，比60万千瓦超临界机组约多煤耗26%。在热效率方面，60万千瓦超临界机组的电厂热效率达41%，30万千瓦机组电厂的热效率为38%左右，而13.5万千瓦及以下机组电厂的热效率都在35%以下。

　　2.煤电工业的废弃物没有合理利用

　　煤电工业产生的废弃物有煤矸石、粉煤灰和硫化物等，这些物质大多都有一定的回收利用价值，如果不加以利用不仅造成很大浪费，而且更重要的是引起严重的环境污染。

　　3.水资源紧缺，制约煤电工业发展

　　山西是以煤电和冶金为主的重工业经济结构，电力、冶金、煤炭、化工和机械行业的取水量占到全省规模以上工业取水量的90.9%。废水排放量逐年增加，而目前的处理能力还不到一半，大部分未经处理的污水直接排人河道或渗入地下，污染由点向面扩展，使90%以上的河道遭受污染，近80%的河流已丧失水体自净功能。另外，山西对煤炭的大量开发造成水资源的破害，平均开采一吨煤要排漏水2.5吨，致使地下水位下降，动态平衡破坏，地表塌陷，泉水减少，同时还污染河道，使水资源和生态环境受到严重破坏。

　　四、促进山西煤电工业发展循环经济的主要措施

　　促进山西煤电工业发展循环经济，需要企业与政府职能部门共同以循环经济为指导核心思想，大力推行循环经济战略措施。具体来说，山西煤电工业发展循环经济主要有以下几方面措施。

　　(一)提高燃煤发电效率(减量化Reduce)

　　1.发展整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)

　　加快整体煤气化联合循环电站建设，采用IGCC技术改造现有中小火电机组，促进火电产业技术升级。整体煤气化联合循环发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统，既有高发电效率，又有极好的环保性能。同样是传统煤炭能源，IGCC集高发电效率和环保性能于一体，弥补了煤炭利用单项技术难以同时满足效率、成本和环保等多方面的不足，因此，IGCC应当成为山西煤电工业未来发展的主要方向。

　　2.继续实施“上大压小”，提高机组整体容量

　　通常，发电机组单机容量越大，发电效率越高。如前所述，山西煤电系统中，10万千瓦以下机组的装机容量占12.32%，因此，山西省有必要进一步加大实施“上大压小”的措施，提高发电机组的整体容量，促进超临界循环流化床发电技术、超超临界燃煤发电技术等高效洁净的燃煤发电技术大规模商业化。

　　(二)综合利用煤电工业的废弃物(再利用Reuse)

　　1.对煤矸石进行综合利用

　　在目前世界能源紧缺的情况下，在诸多煤矸石综合利用途径中，煤矸石发电是经济效益和社会效益最好的一种途径。对于煤矸石中碳的含量大于20%的，因其发热量高而宜作为燃料发电。对于铝硅比大于0.5的煤矸石，铝含量高，硅含量低，其矿物含量以高岭石为主，可作为制作高级陶瓷、煅烧高岭土及分子筛选的原料。对于含硫量大于6%的煤矸石可用作回收硫精矿。