聚焦煤清洁化利用问题
——谈美国政府清洁煤计划
□  朱曾惠
    “可持续发展”已经成为人类发展的共同理念。在这一理念指导
下，人类将学会用最小的环境代价取得最大的经济发展。我国既是能
源生产大国，又是能源消费大国，在探索可持续发展经济道路中，能
源问题一直是一个核心问题。
    据统计，我国实际GDP（以1978年不变价）1949～1993年增长
30.8倍，能源消费增长了46.1倍，是GDP增长的1.5倍。这说明在
当时实现工业化的初级阶段，我们是以大量的能源投入为代价换取社
会财富的增加。从1980～1993年，实际GDP增长了2.24倍，能源消
耗仅增长了0.85倍。能源消耗弹性系数的显著下降，表明我国经济发
展开始迈入能源节约型的道路。此种趋势的进一步维持，为21世纪我
国可持续发展战略的实施奠定基础。但是，与工业发达国家相比，差
距还很大。如世界上最发达的七国工业集团的平均能源产出率为11.7
×106J生产出1美元的产值，而我国是69×106J，是工业发达国家单
位产出能源消耗的5.9倍。
    我国也是世界上能源多样化指数较低的国家之一，煤炭约占能源
消费总量的74%～75%，这一比重是世界上最高的国家（美国为27.4%、
日本23.6%、英国32.3%、法国10.6%），这也是我国能源单位消耗高、
污染问题严重的主要原因。例如我国能源消费量约为美国的38%～
39%，而CO2排放量相当于美国排放量的54%以上。产业界和学术界一
致认为，要提高能源产出效益、解决环境污染、控制各类污染物排放
总量上升的趋势，必须改变以煤为主的能源消费结构。而我国油气资
源储量很低，煤储量约占世界总量的10.97%，要改变煤在能源消费中
的地位，任务是非常艰巨的。
    美国也是煤储量和产量很高的国家，储量占世界总量23%，每年
产煤10亿t，在能源消费中占27.4%，因此，降低污染和提高煤的能
源效率一直是美国政府和各关注的重要问题，其中“清洁煤”是问题
的核心。事实上，世界上所有国家都在考虑煤炭问题。2004年2月23
日，《化学与工程新闻》刊载了该刊驻华盛顿记者对布什政府最近有关
清洁煤问题的讨论和决策的评论，从中可以看到美国有关煤利用的动
向，尤其是以集成气化联合循环技术（Integrated Gasification
Combined Cycle technology，IGCC）的为基础的Future Gen计划提
出的“化学火电厂”概念颇有参考意义。根据该计划，美国将开发零
排放的煤火电厂，生产电力和氢，将产生的CO2捕集并注入地层深处。
现将该文摘要介绍于下。
环保和能源压力下
推出Future Gen计划
    在美国经济中，煤炭居优势地位，煤发电占全国发电量的52%。
由于煤价便宜，使得老化落后的电厂亦能获利，但要提高其效率、降
低污染、达到零排放，却需要非常昂贵的代价，并具有较大风险。美
国煤火力发电厂所排放的SO2约占全国排放量的60%，汞、NOx与CO2
排放量分别占33%、25%、33%。布什政府和一些化学公司（主要是用
天然气作燃料和原料的公司）期望电力部门增加用煤量，缓解对天然
气的需求压力，尤其是抑制近年来天然气急剧上扬的价格。据美国全
国矿业协会（NMA）称，2004年美国煤炭产量将提高3.5%，达到11.56
亿t，所增产的煤将全部用于发电，因此发电部门用煤量将提高2%。
但由于用煤产生的废气会对人体健康造成损害，用煤量增加将使保健
费用大幅度提高。美国环保署的研究表明，如果所有的煤火电厂能降
低排放量75%（多数现有工厂都能达到的技术目标）每年可避免2万
人过早死亡。
　　为此，去年布什政府修正清洁空气法，要求煤电厂设置新型污染
控制设备，直至更新整个装置。但由于新设备价格昂贵，电力部门并
未按此实施，只是对装置作了少许变更。美国环保署建议依此制定法
规，但国会尚未通过，专家认为即便通过也难以达到最终目标。值得
注意的是，布什提出了一个有关清洁煤的联邦研究开发计划，并伴随
推动氢经济（hydrogen economy）的实施。
    过去20多年来，从减少大气污染控制到改善发电系统，联邦政府
在清洁煤技术研究开发计划上已花费了50亿美元。在2005年预算中，
增加了清洁煤投资，主要是投入清洁煤发电方案和Future Gen计划。
2005年清洁煤研究预算为4.7亿美元，Fufture Gen计划为2.87亿美
元，并还可取得产业部门的资金。根据此计划，美国要建立一座示范
装置，从煤制取氢和发电，并将CO2捕集压入地层之下，此工程计划
估计需要10年，投资10亿美元，这将是世界上第1座零排放的煤火
力发电厂，现在已有9家煤炭公司和电力部门对该计划表示有兴趣，
并承诺提供25%的资金。
Future Gen计划环境效益显著
    Future Gen计划是以IGCC为基础的。1套IGCC发电装置与其说
是煤火力发电厂，还不如说它更像化工厂。在IGCC气化炉中，碳基原
料与蒸汽和氧在高温高压下反应，主要生产出氢并伴随CO、CH4和CO2，
氢用作燃料或燃料电池。合成燃料气离开气化炉后经进一步净化，除
去杂质，分别进入一级和二级燃气轮机和蒸汽透平机系统（类似天然
气联合循环发电系统）。由于气化温度高，无机物被烧成颗粒状炉渣。
这样大多数污染源都在燃烧前除去，在燃烧时不会产生污染物。譬如
硫，可以收集起来予以利用，在烟道气中不会有SO2，这是用煤工厂
的巨大变化。因此，一些权威人士认为，在清洁煤技术规划中，IGCC
是最具有革命性优势的，它具有显著的环境效益，不仅提高了生产效
率，而且达到了零排放。
    IGCC是效率较高的技术，与传统煤发电装置相比，煤利用效率可
提高33%。传统常用的粉煤气化装置的尾气中CO2浓度约10%，而IGCC
工艺中CO2浓度可达到90%，捕集容易而且价格便宜。在当前天然气
价格高扬和全球气温变暖的情况下，IGCC具有重要的意义。
Future Gen计划前途光明
道路曲折
    Future Gen正计划对H2和CO2分离以及CO2压缩进行技术试验。
建立高效天然气联合循环发电装置投资费用仅为500美元/kW，传统煤
电装置投资费用约为1000美元/kW，IGCC约为1200～1400美元/kW。
IGCC已经比常用的煤装置贵，Future Gen装置需增加多少投资尚不清
楚。目前，尚无公用部门建设IGCC装置，其中既有一些技术性不定因
素，还有费用高、建设期长等问题。迄今为止，无一公司单独建设一
个完整的IGCC电厂，只能将它分别出售给不同公司，由此也增加了该
计划的挑战性。因此，有关部门呼吁，为了推动IGCC，应当实行税收
优惠政策，对第一批IGCC装置或工业化的工厂给予优惠。
    由于天然气联合循环电厂建设费用只是新型粉煤电厂的40%，作
为独立的电力生产者来说是不会去考虑用煤发电的。而且美国大多数
煤电厂已经运转了30～50年，从财务上看，都已经偿还付清了。在
320GW煤电装置运转中，仅有100GW装置的大气排出经过洗涤，其发
电成本是20美元/kW·h，这种低成本的优势可以继续维持。而新型粉
煤电厂生产的电力将达每千度40～50美元/kW·h，看来在近20年内
难有新厂建设。
    对公用部门来说，除了投资外，另一个主要问题是这种电厂与传
统电厂不同，它实际是一个化学工厂。IGCC工厂是较为复杂的，它要
设置空分制氧装置、加压气化炉、气体净化设备、变换反应器以及新
型发电系统。从文化理念上看，它与传统煤电厂是完全不同的。据发
电专家称，IGCC系统的经济规模至少是500MW。
    但美国有关部门认为，煤比天然气便宜得多，而且储量丰富，因
此IGCC是有实现意义和价值的。美国能源部几年内建起了两座IGCC
示范工厂，一座设在弗罗里达州，容量为250MW；另一座在印地安那
州，容量为300MW。后者是对有50年历史老厂的改建，NOx排放量可
降低82%，SO2排放可降低97%。据称，该部还有另外2个装置在建。
由于使用IGCC技术，弗罗里达厂煤利用效率提高了38%，如果全面实
施Future Gen则可提高50%～60%。
    美国最大的发电企业——美国电力公司（AEP）70%的电力是用煤
生产的，它是IGCC计划强有力的支持者，也是能源部Future Gen的
合作者。该公司工程师们曾经计算，IGCC工艺发电约需500美元/kW，
而粉煤电厂加上现代污染控制设备则要1100美元/kW,虽然天然气联
合循环发电只需500美元/kW，但是气价上涨是不容忽视的挑战。AEP
提出，如果联邦政府给予资助，它将建设工业规模IGCC装置以验证此
技术，否则，它近期建设的发电装置仍将以天然气为原料。AEP要求
政府对清洁煤的研究开发计划增加投入，并希望其他电力公司共同支
持IGCC技术开发。
总  结
    如果仅从经济上看，以IGCC为代表的新型清洁煤计划难以迅速实
施。但是从环境角度来看，美国广大舆论认为，受资源所限，创造良
好的生态环境只有寄期望于清洁煤技术。美国国会、政府及各相关组
织都在就此讨论，要求政府给予支持并提供优惠政策。
    通过美国政府清洁煤计划的提出、实施和争论可以得出这样的结
论：①在经济发展中，煤是难以用其他能源完全替代的，煤资源的利
用是必须要认真对等的严峻问题。②煤储量丰富，开采容易，价格低
廉，燃烧方便，但是容易造成污染，必须走清洁化道路。③煤的清洁
化就是化学化。清洁煤电厂实质上是1座化工厂，这样才能做到高效
和零排放。煤的化学化和用煤作化工原料不是同一概念。