改革開放40年來，中國走完了西方大多數(shù)國家200多年的工業(yè)化歷程，隨之帶來的是能源消費總量的持續(xù)快速增長，經歷了從能源緊缺到滿足能源需求的完整歷程。煤炭作為中國能源消費的主體，為中國能源安全提供了重要保障。
中國是世界上唯一以煤為主的能源消費大國，煤炭是能源，同時也是化工、冶金等行業(yè)的資源（圖1）。中國遠景煤炭資源總量5.82萬億t，按照目前開發(fā)速度，基本滿足中國經濟社會發(fā)展需求，為國家能源安全提供了堅實保障。然而，煤炭低效、粗放的原始消費方式無法滿足中國對生態(tài)環(huán)境、氣候變化及未來能源消費方式的需求，高效、清潔、低碳開發(fā)利用煤炭已成為共識。中國各大高校、科研院所、企業(yè)圍繞煤炭的高效清潔低碳利用進行了大量研究，取得了很好的成績。燃煤發(fā)電大容量、高參數(shù)機組達到世界先進水平，污染物超低排放應用達到世界領先水平；煤直接液化、煤制烯烴等新型煤炭轉化技術世界領先。
圖1 2017年中國能源消費結構
煤炭高效發(fā)電
中國當前能源供應主要依靠以煤為主的化石能源體系長期難以改變。為了解決大量燃煤引發(fā)的能源環(huán)境問題，緩解以化石能源為主的能源體系及其粗放式發(fā)展與經濟高質量發(fā)展要求不協(xié)調的主要矛盾，發(fā)展煤炭高效發(fā)電技術是中國燃煤領域的長期研究課題。高效燃煤發(fā)電技術常見發(fā)展方向有兩點，其一通過提高傳統(tǒng)火力發(fā)電參數(shù)，使機組達到超超臨界，發(fā)展高經濟性、高效率的高參數(shù)大容量機組；其二在于發(fā)展先進燃煤技術，減少污染物的排放，緩解燃煤能源供應與環(huán)境的矛盾。
新一代高效燃煤發(fā)電技術
新一代高效燃煤發(fā)電技術旨在研究700℃火力發(fā)電成套技術及電力裝備，是具備工程化應用及國內外成套推廣價值的國產自主知識產權的重大電力裝備技術，涉及該成套技術的主機裝備、主要熱力系統(tǒng)、700℃高溫管道材料、關鍵輔機、智能化集成控制技術以及所涉及的全部知識產權管理。20世紀90年代初至2011年，全世界己新建超超臨界機組超過100臺，提高參數(shù)、進一步提高經濟性、降低價格性能比、降低單位能量的排放是現(xiàn)今火電汽輪機的發(fā)展方向。目前世界上還沒有主蒸汽溫度700℃的機組，但國內外對該能級汽輪機材料的研究啟動較早。歐洲、美國關于700℃等級超超臨界燃煤發(fā)電機組的研發(fā)工作在20世紀90年代中期就相繼啟動了相關的大型項目。中國2010年開始啟動國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術開發(fā)計劃，并于2010年7月23日成立700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術創(chuàng)新聯(lián)盟。目前國內以“700℃先進超超臨界燃煤發(fā)電主要設備關鍵技術研究”的國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目為依托開展了700℃超臨界汽輪機材料研究，國內三大汽輪機主機廠均參與該項目，并各自承擔了開發(fā)工作。以上技術前沿所研究的700℃以上高參數(shù)火力發(fā)電技術進展受制于鎳基材料的成熟度及高成本，發(fā)展受阻，工業(yè)化應用仍有較多問題亟待解決。超超臨界機組技術繼承性和可行性較高，在目前以及將來一段時間內，具有較高的效率和較低的建設成本，極具性價比。
超低排放循環(huán)流化床燃煤技術
中國大型燃煤電廠正在推進世界上最嚴格的超低排放標準（NOx<50 mg∙m-3、SO2<35 mg∙m-3），并采用以選擇性催化還原法（SCR）+低溫除塵+石灰石/石膏濕法煙氣脫硫（FGD）+ 濕式電除塵（WESP）的煙氣凈化技術為核心，以鍋爐低氮燃燒為輔的技術路線。現(xiàn)已經在80%以上大型燃煤機組加以推廣。因此燃煤污染的控制重心轉移到中小燃煤工業(yè)鍋爐和民用散煤上。燃煤工業(yè)鍋爐污染控制采用大型燃煤電站的污染控制技術路線無論從投資、運行管理水平、運行成本上均有難于克服的障礙。采用以天然氣代煤或電代煤在實施過程中也遇到了天然氣來源、價格、管網配套方面的阻力。循環(huán)流化床（CFB）燃煤鍋爐由于具備劣質煤適應性強，燃燒過程中可實現(xiàn)較低的污染排放（NOx<200 mg∙m-3、SO2<200 mg∙m-3），在中國工業(yè)燃煤鍋爐中占有較大比例。但現(xiàn)有循環(huán)流化床燃燒技術采用流態(tài)優(yōu)化實現(xiàn)爐內高效脫硫和低氮燃燒的研究處于探索階段，相關的流態(tài)化與燃燒，NO形成與降解，脫硫反應的關聯(lián)機理認識不清。在工程上如何提高物料循環(huán)效率以降低平均循環(huán)物料粒度，以及不同煤種的超低排放等工程關鍵問題需要解決。中國自20世紀90年代即形成了對循環(huán)流化床燃燒的新理論體系，在過去20年，運用該理論重新設計了圖譜的水平風速軸設置計點，發(fā)展了先進的國產循環(huán)流化床鍋爐系列產品，直到世界最大容量超臨界600 MW循環(huán)流化床發(fā)電示范工程。國產循環(huán)流化床燃燒技術以優(yōu)異的性能占領了中國循環(huán)流化床燃煤鍋爐市場，并逐步打入國外市場。
煤炭資源化分級分質利用
基于煤化工的煤氣化、液化技術是指以煤為主要原料經過物理和化學方法將煤炭轉為氣體、液體和固體產品或半產品的過程。煤氣化、液化的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在資源和市場需求2個方面。從資源情況看，中國中西部地區(qū)的煤炭資源比較豐富，發(fā)展煤氣化和煤液化具有經濟效益。從市場需求看，煤化工產品尤其是煤制烯烴、煤制油、天然氣、乙二醇、芳烴等與石化產品一樣具有很大的消費需求，可降低中國經濟發(fā)展對石油、天然氣資源的依賴。傳統(tǒng)煤化工將煤全部轉化為油氣產品，因煤的氫碳比遠低于石油和天然氣，所以需要高溫、高壓、純氧和高耗水。實際上，煤主要由揮發(fā)分和半焦組成，通過簡單加熱就可以變成可燃氣，而可燃氣的碳氫比與石油天然氣碳氫比相當，易于轉化為油氣產品。煤炭資源化分級分質利用技術通過熱解或部分氣化工藝將煤炭所含富氫組分轉化為煤氣和焦油，半焦用于燃燒發(fā)電或者其他用途，實現(xiàn)煤的分級轉化和分級利用，大幅度提高煤的利用價值。
煤氣化與煤液化
煤氣化及液化技術是現(xiàn)代煤化工的基礎，根據(jù)發(fā)展進程分析，煤氣化技術可分為3代。第1代氣化技術為固定床、移動床氣化技術，多以塊煤和小顆粒煤為原料制取合成氣，裝置規(guī)模、原料、能耗及環(huán)保的局限性較大；第2代氣化技術是現(xiàn)階段最具有代表性的改進型流化床和氣流床技術，其特征是連續(xù)進料及高溫液態(tài)排渣；第3代氣化技術尚處于小試或中試階段，如煤的催化氣化、煤的加氫氣化、煤的地下氣化、煤的等離子體氣化、煤的太陽能氣化和煤的核能余熱氣化等。目前，中國的煤氣化工藝由老式的美國聯(lián)合氣體改進公司（UGI）爐塊煤間歇氣化迅速向世界最先進的粉煤加壓氣化工藝過渡，同時國內自主創(chuàng)新的新型煤氣化技術也得到快速發(fā)展。據(jù)初步統(tǒng)計，采用國內外先進大型潔凈煤氣化技術已投產和正在建設的裝置有80多套，50%以上的煤氣化裝置已投產運行。
煤的直接液化（煤變油）法，是以煤為原料，在高溫高壓條件下，通過催化加氫直接液化成烴類化合物，再通過精餾制取汽油、柴油、其他燃料油等成品油。目前，世界各國對煤轉化成液體燃料及化工原料的方法研究進展很快。技術比較成熟的直接液化法有美國氫-煤（H-COAL）法及以兩段催化液化法和氫-煤工藝為基礎提出HTI法、德國新液化工藝（IGOR）法、由日本新能源產業(yè)技術機構NEDO實施NEDOL法。目前，國外尚未達到煤直接液化工業(yè)生產階段，只有中試生產裝置在運行。中國神華集團煤直接液化工業(yè)化大型工藝支持單元（PSU）裝置生產出合格液體燃料，開創(chuàng)了煤直接液化工業(yè)化生產的先河。煤間接液化法，是將煤通過氣化爐生成的氣化氣轉化成合成氣，以合成氣為基礎原料，采用合成工藝路線費-托（F-T）煤液化法轉化為烴類化合物，并通過精餾生產出液體燃料和各種化學品，也稱C1化學產品。近幾年，世界上許多國家十分關注以煤為原料采用魯奇爐、常壓煤粉氣流床氣化爐（K-T爐）、德士古爐等生產氣化氣轉化生產甲醇。中國云南大為焦化公司成功實現(xiàn)以焦爐煤氣為原料生產甲醇，目前在中國已有5套裝置投產。
分級分質多聯(lián)產
近年來，國家先后多次發(fā)布相關規(guī)劃及政策，鼓勵基于熱解過程的煤炭資源化分級分質利用技術的研究開發(fā)及工程示范，旨在促進技術發(fā)展及推廣應用。目前，基于熱解的煤炭資源化分級分質利用工藝主要有油-氣-半焦聯(lián)產工藝和油-氣-熱-電聯(lián)產工藝。油-氣-半焦聯(lián)產工藝通常采用低灰優(yōu)質煤，產生油氣同時聯(lián)產大量半焦。半焦通常經冷卻外送，主要用于冶煉、化工原料及清潔燃料等。油-氣-熱-電聯(lián)產工藝將煤熱解和半焦燃燒直接耦合，在煤燃燒利用前先通過熱解提取油氣，熱半焦直接送鍋爐燃燒發(fā)電供熱。該工藝燃料適應性廣，同時避免了半焦冷卻、儲存和運輸環(huán)節(jié)，系統(tǒng)熱效率高，被認為是煤炭利用的革命性方向，近年來在國內外得到廣泛關注。國外代表性工藝有日本石川島播磨重工業(yè)（IHI）雙流化床多聯(lián)產工藝、英國克蘭菲爾德大學的油頁巖多聯(lián)產系統(tǒng)及韓國科學與技術高等學院的內循環(huán)煤氣化燃燒工藝等；國內浙江大學、中國科學院、清華大學及國家電網公司北京動力經濟研究所等單位開發(fā)了基于移動床、流化床及下行床等的煤熱解燃燒多聯(lián)產工藝。上述工藝已經進行了大量實驗室研究，并部分完成了工業(yè)試驗，浙江大學和中國科學院等已完成煤處理量2~40 t/h煤熱解燃燒工業(yè)試驗研究，驗證了該工藝的可行性，具備工業(yè)示范及推廣應用能力。
目前，中國每年用于燃燒利用的煤炭超過25億t耗煤（90%以上為煙煤和褐煤）所含揮發(fā)份可制取相當于3900億m3合成天然氣或3億t石油（2011年中國石油天然氣集團公司進口2.5億t）。如制取清潔燃氣替代現(xiàn)有工業(yè)鍋爐燃煤，可替代目前國內的工業(yè)鍋爐燃煤，工業(yè)鍋爐效率由65%提升至85%，節(jié)煤率18%，節(jié)約工業(yè)鍋爐燃煤約1.5億t，年減排83% SO2、39% NOx、83%煙塵、18% CO2。
由此可見，推廣應用煤炭分級轉化綜合利用技術適合中國的國情和特色，充分體現(xiàn)煤炭既是能源又是資源的理念，既可對現(xiàn)有近8億kW燃煤電廠進行分級利用改造，又可適用于新建電廠，可應用于高效清潔發(fā)電、替代工業(yè)鍋爐燃煤、運輸燃料替代和煤化工等領域，對于中國清潔高效煤炭發(fā)電、油氣等資源替代、大幅度節(jié)能減排、循環(huán)經濟等具有重要戰(zhàn)略意義。
燃煤污染物超低排放
中國重點區(qū)域單位面積煤炭消費強度高，散燒煤量大且燃燒效率低、污染治理難度大，導致單位面積污染物排放強度也遠高于全國平均水平及美國、日本等發(fā)達國家水平，發(fā)達國家的大氣污染防治經驗可借鑒但是難以復制。京津冀、長三角、珠三角等重點地區(qū)的煤炭消費強度約為全國平均的4.92倍、美國的15.7倍。目前，中國已在大氣污染治理技術研發(fā)方面取得了顯著的進展，多項關鍵共性技術取得突破，有效支撐了各重點行業(yè)大氣污染物排放標準的制定、修訂和實施，減少了主要大氣污染物的排放，并在一定程度上遏制中國空氣質量持續(xù)惡化的局面。圍繞當前空氣質量改善的需求，針對工業(yè)源、移動源、面源等主要大氣污染源，中國正經歷從末端污染控制為主，向全過程污染治理轉變，從單一污染物排放控制向多種污染物系統(tǒng)協(xié)同控制轉變，從污染物達標排放向深度治理轉變，并逐步構建源頭削減—過程控制—末端治理的全過程大氣污染治理技術體系，以支撐實現(xiàn)大氣污染物治理能力的全面提升。
污染物控制
SO2控制方面，發(fā)展了石灰石/石灰-石膏濕法、煙氣循環(huán)流化床法、海水法等脫硫技術，其中石灰石/石灰-石膏濕法煙氣脫硫技術在中國已投運燃煤脫硫機組中占90%以上份額，其脫硫效率一般可達95%以上。針對當前量大面廣的石灰石/石灰-石膏濕法脫硫機組難以滿足環(huán)保新要求的現(xiàn)狀，國內外科研單位、環(huán)保骨干企業(yè)等深入研究了濕法煙氣脫硫的強化傳質與多種污染物協(xié)同脫除機理，并在50~1000 MW燃煤機組上實現(xiàn)了示范應用，脫硫效率突破了99%，SO2排放濃度可低于20 mg/m3。高效脫硫關鍵技術也在鋼鐵燒結機、玻璃爐窯、垃圾焚燒等行業(yè)得到了推廣應用。
NOx控制方面，發(fā)展了低NOx燃燒技術、選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術、選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術和SNCR-SCR耦合脫硝技術等，其中選擇性催化還原法煙氣脫硝技術在中國已投運燃煤脫硝機組中占95%以上份額，脫硝效率最高可達90%以上。針對部分機組NOx排放超標，尤其是低負荷下NOx超標現(xiàn)象嚴重，大量廢煙氣脫硝催化劑面臨再生等問題，目前國內研究機構通過技術研發(fā)形成了具有高脫硝效率、寬溫度窗口、高抗磨性能的催化劑配方及其活性恢復方法，在含1000 MW等級燃煤機組上也實現(xiàn)了產業(yè)化推廣應用，排放濃度可低于50 mg/Nm3；具有自主知識產權的脫硝催化劑再生改性工藝技術及裝備，已成功應用于300 MW及1000 MW機組等催化劑再生改性項目，實現(xiàn)NOx高效脫除的協(xié)同控制汞等污染物。
顆粒物控制方面，發(fā)展了靜電除塵、袋式除塵和電袋復合除塵等除塵技術，其中現(xiàn)有近80%的火電機組安裝了靜電除塵器，而隨著袋式除塵器濾袋材料性能的改善及排放標準的嚴格，袋式除塵器和電袋復合除塵器應用呈上升趨勢。近年來還研發(fā)了濕式靜電除塵、高效凝并、高效供電電源等多種高效除塵關鍵技術。PM2.5總捕集效率可達到99%以上，煙塵排放濃度小于5mg/Nm3。
汞等污染物協(xié)同控制方面，脫硫塔前一級除塵裝備本身可協(xié)同控制一部分吸附在顆粒上的Hg、SO3等污染物；而通過對選擇性催化還原法脫硝催化劑配方改性及向煙氣中添加活性組分，可以將大部分單質汞氧化成二價汞，以利于在后續(xù)的脫硫塔內吸收脫除并固定于脫硫副產物中；而脫硫后的濕式靜電除塵技術可高效脫除PM2.5的同時，協(xié)同脫除塔后煙氣中攜帶的SO3酸霧、細小漿液滴、汞等多種污染物，脫汞效率可達85%以上，汞排放濃度小于0.002mg/Nm3，SO3酸霧去除效率可達80%以上，能有效解決藍煙/黃煙、“石膏雨”以及汞、霧滴排放等污染新問題。
多種污染物協(xié)同控制
針對單一污染物高效脫除及其他污染物協(xié)同控制技術上，通過對SO2、NOx、顆粒物、汞等多種污染物高效脫除與協(xié)同控制關鍵技術的集成開發(fā)，形成了能達到天然氣燃氣輪機排放標準限值要求的燃煤電站超低排放環(huán)保島技術，其系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。
圖2 燃煤電站超低排放環(huán)保島
目前，燃煤電站超低排放技術正在京津冀魯、長三角、珠三角等重點區(qū)域的燃煤發(fā)電機組和熱電聯(lián)供機組上推廣應用。例如，浙江大學和浙江省能源集團有限公司等單位在完成實驗室試驗的基礎上于2014年5月30日研制成功國內首座100萬kW燃煤電站超低排放示范工程，獲國家技術發(fā)明一等獎。發(fā)1 kW·h僅增加成本1分錢，并達到天然氣發(fā)電機組的國家標準（表1），被國家能源局授予“國家煤電節(jié)能減排示范電站”稱號。各類工程示范通過不同的減排技術路線均使燃煤機組煙氣的主要污染物排放濃度達到國家燃氣排放標準限值要求。隨著燃煤發(fā)電機組超低排放示范工程的深入推進，中國煤電行業(yè)將取得革命性進步，可望建成世界最大的清潔高效煤電體系。
表1 嘉興電廠1000 MW機組中國環(huán)境檢測總站考核數(shù)據(jù)
固廢及生物質與燃煤摻燒發(fā)電
依托現(xiàn)役燃煤高效發(fā)電系統(tǒng)和污染物集中處理設施的技術領先優(yōu)勢，通過實施包括城市生活垃圾和污水處理廠、水體污泥等的固體廢棄物和包括農作物及其廢棄物、樹木等木質纖維素、動物糞便等的生物質與煤炭摻燒發(fā)電的方式，破解秸稈田間直接焚燒、污泥和垃圾圍城等難題，克服生物質資源能源化利用污染物排放水平高的缺點，增加不需要調峰調頻調壓等配套調節(jié)措施的優(yōu)質可再生能源電力供應，促進電力行業(yè)特別是煤電的低碳清潔發(fā)展。因此，為了促進煤電轉型、提高可再生能源消納比例，2016 年國家能源局提出，將在“十三五”期間力推“煤電+生物質”“煤電+污泥”“煤電+垃圾”等煤電為主體、其他可再生能源補充的發(fā)電形式。
固廢與燃煤摻燒發(fā)電
隨著中國城市化及人民生活水平不斷提高，城市生活垃圾產量急劇上升。據(jù)統(tǒng)計，目前中國城市生活垃圾總清運量超過2.15億t。城市生活垃圾和污泥是固體廢棄物的重要組成部分，其中含有較為豐富的有機物等可通過焚燒的方式來實現(xiàn)垃圾減量和能源回收。但是垃圾焚燒產生的煙氣中含有大量的二噁英、氯化物、SO2、氮氧化物等污染物，需要單獨配備復雜的煙氣凈化系統(tǒng)才能滿足排放要求，同時傳統(tǒng)垃圾發(fā)電項目還存在投資大、能耗高、凈化效率低等問題，發(fā)電機組效率僅為18%~25%。除此之外，生活垃圾和污泥能量密度相比傳統(tǒng)化石能源較低，且含水量高、成分復雜，直接用于焚燒或燃燒發(fā)電難以保證電力穩(wěn)定供應，會造成經濟性較差等問題。由于傳統(tǒng)燃煤電廠發(fā)電效率較高，通過燃煤耦合垃圾發(fā)電技術可將垃圾焚燒發(fā)電效率提高至30%以上，提效10%左右。可實現(xiàn)垃圾無害化、減量化、資源化、低成本化的處置，提高垃圾能源化利用效率，降低單位垃圾處理投資成本及運行維護費用。該技術能夠有效解決傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電廠機組發(fā)電效率低、排煙溫度高、飛灰沾污、二噁英等污染物處理成本高等難題。
目前污泥流化床焚燒技術，可以實現(xiàn)能量回收以及低污染排放，但是污泥中較高的水分含量會導致能量回收效率低。通過開發(fā)污泥干化技術可以實現(xiàn)對污泥的高效預處理，使其水分含量大幅降低，減少了污泥總量，還有利于污泥的存儲、運輸和利用。污泥干化技術主要有熱干化、太陽能干化、微波加熱干化、超聲波干化及熱泵干化等。干化后的污泥熱值接近褐煤熱值，通過焚燒可以徹底處理污泥，殺死病原體，最大限度地減少污泥體積，還能回收利用其熱能。因此，污泥干化技術作為污泥流化床焚燒技術的預處理工藝，可以有效實現(xiàn)污泥中能量回收和低污染物排放的目標。
生物質與燃煤摻燒發(fā)電
生物質是一種清潔可再生能源，主要與農林業(yè)生產過程相關。中國擁有豐富的生物質資源，據(jù)統(tǒng)計，全國農林廢棄物總產量約為16億t，包括秸稈、薪柴等，還有大量的人畜糞便，每年生物質資源總量折合約為8億t標準煤，如全部利用替代化石能源可減排CO2 16 億t。通過在燃煤機組中摻燒生物質燃料，可以有效提高生物質燃料的利用率并降低污染物的排放。在摻混燃料中，生物質燃料在總灰渣中生物質貢獻的灰渣份額較小，因此在金屬表面不易形成堅固的污垢；另一方面，由于燃煤發(fā)電機組煙氣量大，使鍋爐的過熱器、再熱器、省煤器、空氣預熱器以及水冷壁等受熱金屬表面得到很好的沖刷，可以減輕生物質燃燒后煙氣中的堿金屬及氯的物質對金屬的腐蝕。
生物質在燃煤機組摻燒可以降低生物質燃料供應風險，具有燃料的靈活性，直接提高生物質能源的利用效率，而且城市生活垃圾等固廢的再利用有利于能源可持續(xù)發(fā)展。生物質混燒發(fā)電可充分利用燃煤電廠大容量、高蒸汽參數(shù)達到高效率的優(yōu)點，減少燃煤發(fā)電廠的CO2排放、降低燃料費用和每千瓦發(fā)電的投資費用，并有可能使生物質發(fā)電的效率達到今天燃煤電廠能夠達到的最高水平。根據(jù)廣東省生物質與煤共燃發(fā)電技術項目應用案例，在不同生物質摻燒比例下，可以達到較好的碳減排效果。固體廢棄物及生物質摻燒能夠充分利用現(xiàn)有燃煤電廠原有的設施和系統(tǒng)來實現(xiàn)生物質發(fā)電，充分利用原有燃煤電廠已經存在的供電和供熱市場，固廢預處理及生物質燃料預加工工藝簡單、工藝設備要求低，對原有燃煤機組系統(tǒng)運行維護的要求較小。
CO2捕集封存及轉化
聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）最新報告提出，根據(jù)氣候模型研究，為實現(xiàn)全球溫升不超過2℃目標，2030—2050年碳排放必須達到頂峰。目前中國CO2年排放約100億t，短期內難以擺脫以化石能源為主體的能源結構，因而亟需開發(fā)低成本的大規(guī)模CO2捕獲、封存與利用技術。低成本低能耗的大規(guī)模捕獲CO2，并通過礦化等技術實現(xiàn)碳封存或將利用太陽能等可再生能源將CO2轉化為燃料，是減少CO2排放、緩和氣候變化的有效途徑。
CO2捕集
在眾多CO2捕集技術中，化學吸收法因其捕集效率高和適應性好，是目前最具大規(guī)模捕集CO2潛力的技術路線之一。近幾年，國內外在化學吸收分離燃煤煙氣中CO2研發(fā)方面取得了顯著進展，啟動了一批示范項目，如美國Petra Nova140萬t/年碳捕集和封存（CCS）項目以及華能上海石洞口發(fā)電有限責任公司12萬t/年碳捕集項目等。但燃煤/燃氣煙氣中CO2的濃度低、成分復雜、氣體流量巨大，導致CO2捕集系統(tǒng)投資和運行成本高。新型吸收劑和吸收工藝的研發(fā)，是降低捕集能耗和提高經濟性的關鍵，近年來，國內外針對新型吸收劑和吸收工藝已投入數(shù)十億美元開發(fā)新一代碳捕集技術。日本三菱重工KS系列胺基吸收劑和美國ADA公司胺基吸附材料已能夠將CO2捕集能耗從約4 GJ/t CO2降低至3 GJ/t CO2以下。浙江大學、清華大學、中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司等單位長期致力于CO2吸收劑的研究，研發(fā)了混合胺、相變有機胺、離子液體等吸收劑可將CO2 捕集能耗降低至2.5~3 GJ/t CO2。在吸收工藝研究方面，研究人員對強化過程傳質、優(yōu)化捕集工藝、開發(fā)超重力反應器、熱泵技術等進行大量研究，顯示了節(jié)能潛力。
CO2礦化封存及轉化利用
CO2礦化作為CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術的重要發(fā)展方向，有望低能耗、規(guī)模化的實現(xiàn)CO2永久安全封存，環(huán)境風險性小。以富鈣鎂的天然礦物為原料礦化固定CO2具有原料豐富，成本低廉的優(yōu)點。目前國內外針對其開展了大量研究工作。美國能源部、芬蘭埃博學術大學等研究了鎂橄欖石、蛇紋石等天然礦物礦化固定CO2工藝路線，凈封存率在30%~50%，成本高達600~1600 美元/t CO2。與天然礦石相比，利用工業(yè)廢棄物固定CO2具有反應活性高，粒度小無需預處理等優(yōu)點，特別是不少固體廢棄物靠近CO2排放源，為CO2礦化封存提供了便利條件。若充分利用中國工業(yè)生產過程伴生大量廢棄礦物進行礦化固定CO2，可實現(xiàn)年處理固廢超過10億t，固定減排CO2超過1億t，具有顯著的經濟、環(huán)境效益和市場前景。浙江大學、香港理工大學和湖南大學等研究水泥基膠凝材料與CO2的礦化養(yǎng)護制建材技術。四川大學以純堿固廢氯化鈣活化天然鉀長石為原料，礦化固化CO2并副產氯化鉀產品，可以有效抵消固碳成本，完成了千t級中試。
利用可再生能源將CO2作為廉價豐富的碳源轉化為燃料和化學品是一種極具前景的CO2轉化利用技術。近年來，將CO2清潔高效的轉化合成燃料成為學術界和工業(yè)界的研究熱點，是能源科學前沿研究中的“圣杯”。CO2是化學性質不活潑的分子，需要輸入能量激發(fā)其參與反應，根據(jù)能量輸入轉化方式可分為電化學、光催化、熱化學與光熱耦合等。電能轉化CO2主要利用電解池-原電池原理，反應在常溫常壓下進行且通過調節(jié)外偏電壓控制反應速率；光能轉化CO2利用光催化材料吸收一定波長的太陽光后產生電子-空穴對誘發(fā)氧化反應與還原反應，實現(xiàn)光能向化學能的轉變；熱能轉化CO2則通過幾個連續(xù)化學反應實現(xiàn)熱能向化學能的轉換；光熱耦合在熱能利用的同時引入光能，實現(xiàn)高品質光能與低品質熱能分級利用，耦合光能熱能向化學能轉化。利用光、電、熱和光熱耦合轉化CO2，在實現(xiàn)CO2轉化同時產生具有高附加值產品，良好地與現(xiàn)代能源構架相匹配，為CO2減排提出了新思路，滿足可持續(xù)的發(fā)展要求。
智慧能源
18世紀60年代以來，世界經歷了分別以蒸汽機、電力和計算機為引領的3次產業(yè)革命，每一次產業(yè)革命都使得世界的產業(yè)發(fā)展水平提高一大步。第4次產業(yè)革命將是以適應文明演進的新趨勢和新要求為目標由智慧能源引領的能源革命。能源革命可以從根本上解決文明前行的動力困擾，實現(xiàn)能源的安全、穩(wěn)定、清潔和永續(xù)利用。美國、歐盟、日本等發(fā)達國家和地區(qū)較早提出了智慧能源網的概念，并開發(fā)了智能電網、智慧城市、智能交通、智能燃氣和智能社區(qū)等新一代概念和技術，以實現(xiàn)能源的高效低碳利用。進入21世紀后，中國也提出了智慧能源網概念，智能電網建設工作已經全面展開，但相較發(fā)達國家，中國的新能源利用水平還較低，這限制了中國智能電網的發(fā)展。進入社會主義新時代以來，中國能源消費模式不斷創(chuàng)新，智慧能源、多能互補等新業(yè)態(tài)新模式不斷涌現(xiàn)。大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、云計算等技術，提供了對多源、異構、高維、分布、非確定性的數(shù)據(jù)及流數(shù)據(jù)進行采集、存儲、處理及知識提取的手段，可以使信息創(chuàng)新與能源革命在更高層次上深度融合，實現(xiàn)能源生產模式與消費模式的革命。
智慧電站
智慧能源系統(tǒng)通過智能生產制造、先進超低排放和燃料混燒實現(xiàn)能源高效、清潔、低碳利用。“智慧電站”是以自動化、數(shù)字化、信息化為基礎，綜合應用互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等資源，充分發(fā)揮計算機超強的信息處理能力，集成統(tǒng)一的一體化數(shù)據(jù)平臺、一體化管控系統(tǒng)、智能傳感與執(zhí)行、智能控制和優(yōu)化算法、數(shù)據(jù)挖掘以及精細化管理決策等技術，形成一種具備自趨優(yōu)、自學習、自恢復、自適應、自組織等特征的智能發(fā)電運行控制與管理模式，以實現(xiàn)安全、高效、環(huán)保的運行目標，并具有優(yōu)秀的外界環(huán)境適應能力，是加快構建高效、清潔、低碳、循環(huán)的綠色能源生產體系，實現(xiàn)能源與信息深度融合的智慧能源發(fā)展策略的重要一環(huán)。
目前，中國各發(fā)電集團均在積極建設智慧電廠，樹立樣板工程。其中大唐姜堰智慧電廠是全國首家智慧電廠，其智慧電廠模式共包含五大功能：基于“互聯(lián)網+”的安全生產管理系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)分析的運行優(yōu)化系統(tǒng)、基于專家系統(tǒng)的三維可視化故障診斷系統(tǒng)、三維數(shù)字化檔案系統(tǒng)和三維可視化智能培訓系統(tǒng)。現(xiàn)階段中國在“智慧電站”的發(fā)展道路上已具備一定的基礎。第一，現(xiàn)有電廠在數(shù)字化、信息化、自動化等方面達到了較高的水平。第二，網絡技術和計算機處理能力得到了極大的提升。第三，中國的發(fā)電裝備制造水平得到快速發(fā)展。目前，國內各類發(fā)電企業(yè)均配備了自動控制系統(tǒng)、監(jiān)控信息系統(tǒng)以及管理信息系統(tǒng)等，但其與智能化生產仍存在較大距離。“智能發(fā)電”是一種多學科交叉的高新技術領域，其并非簡單的數(shù)字化和信息化，而是在此基礎上實現(xiàn)更高級別的應用及人工智能化。
多能互補
在傳統(tǒng)能源基礎設施架構中，不同類型的能源之間具有明顯的供需界限，傳統(tǒng)產能過剩、系統(tǒng)協(xié)調性不足、整體效率較低，能源的調控和利用效率低下，而且無法大規(guī)模接納風能、太陽能等分布式發(fā)電以及電動汽車等柔性負荷。多能互補分布式能源系統(tǒng)能夠將分式能源系統(tǒng)與太陽能光伏、天然氣機組發(fā)電，余熱鍋爐回收等多品種的能源進行聯(lián)合，減少傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)的能源消耗，解決風能、太陽能等可再生不連續(xù)的問題，平抑可再生能源出力的波動性。多能互補集成優(yōu)化是能源變革的發(fā)展趨勢，倡導的融合、統(tǒng)一、高效、清潔理念是當今能源革命的方向。多能互補集成系統(tǒng)主要有兩種模式：一是面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補利用傳統(tǒng)能源和新能源，實現(xiàn)多能協(xié)同供應和能源綜合梯級利用；二是利用大型綜合能源基地風能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優(yōu)勢，推進風、光、水、火、儲多能互補系統(tǒng)建設運行。
推進互補集成應用一方面要整合多種新能源發(fā)電技術，并且針對中國能源資源分布不均的情況進行差別化的重點發(fā)展。另一方面要創(chuàng)新用能的供需方式，提高經濟性實現(xiàn)可再生能源的供能更加貼近用戶、就地取能、就近消納。建設多能互補集成優(yōu)化示范工程是構建“互聯(lián)網+”智慧能源系統(tǒng)的重要任務之一，有利于提高能源供需協(xié)調能力，推動能源清潔生產和就近消納，減少棄風、棄光、棄水限電，促進可再生能源消納，是提高能源系統(tǒng)綜合效率的重要抓手，對于建設清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。
結 論
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎條件，中國煤多油少氣不足，煤炭是中國的優(yōu)勢資源，儲量最豐富、性價比最高、生產能力最大。煤炭的高效清潔低碳利用仍將是中國能源戰(zhàn)略的重中之重，而且相關技術正在朝著有利的方向發(fā)展。在社會主義建設進入新時代的背景下，應當腳踏實地地做好煤炭高效清潔低碳利用工作，有力推動中國能源生產消費方式革命。
作者簡介：岑可法，浙江大學能源工程學院，教授，中國工程院院士，研究方向為能源高效清潔低碳利用。
