我国城市能源结构调整的工程解决方案

梁永煌，魏 涛，张宗飞，夏 吴

（中国五环工程有限公司，武汉 430223）

我国城市能源结构调整的工程解决方案

梁永煌，魏 涛，张宗飞，夏 吴

（中国五环工程有限公司，武汉 430223）

概述了我国城市能源结构特点及其对城市环境的影响；分析了我国能源产业政策和我国城市能源结构调整的发展趋势；提出了当前我国城市能源结构调整的两种主要工程解决方案：洁净煤综合利用工程技术方案和城市垃圾气化循环经济技术方案；分析和展望了我国城市能源结构工程技术方案的发展趋势。

城市能源结构；洁净煤技术；垃圾气化技术；工程解决方案

城市能源结构是指城市中生产和消费的能源构成，即固体、液体、燃气、电力及其它新能源的构成比例。城市能源结构的合理与否，直接影响着城市的环境质量和人民的生活质量。

当前，煤炭在我国能源生产和消费结构中占据着绝对的主导地位，而煤炭燃烧利用过程中会排放大量的污染物，造成严重的环境污染，也是我国城市雾霾产生的一个主要原因。因此，进行合理的城市能源结构调整和优化，探索能源、环境、经济和社会的共赢发展，是当前我国城市发展的重要议题。减少煤炭在一次性能源消费结构中的比重，采用洁净煤技术，促进煤炭的清洁高效利用，同时加强新能源开发，探索解决我国目前城市垃圾处理困境，实现城市垃圾气化循环经济利用的有效途径，提高可再生能源的消费比重，解决日益严重的城市环境污染问题，是当前我国城市能源结构调整的一个重要发展方向。

1 城市能源结构及城市环境影响

能源是支撑人类文明进步的物质基础，是现代社会发展不可或缺的基本条件。能源工业是国民经济的基础产业，也是技术密集型产业。“安全、高效、低碳”集中体现了现代能源技术和能源工业的特点，也是抢占未来能源技术制高点的主要方向。

城市能源结构不同，城市能源消费过程中所产生和排放的污染物将不一样，对城市环境的影响也将大不相同。因此，城市环境与城市能源结构息息相关。以清洁燃料为主的城市能源结构，对城市环境的影响相对较小，相反，若以煤炭等化石燃料为主的城市能源结构，将会对城市环境产生较大影响。

1.1 我国城市能源结构的现状及特点

长期以来，煤炭是我国的主体能源和重要的工业原料，在一次能源消费结构中所占比重大。据统计，2013年煤炭消费占我国一次能源消费总量的比重达到了67.5%，石油占比17.79%，天然气占比5.1%，可再生能源占比1.5%。我国能源结构的特点在一定程度上反映了我国城市能源结构的特点，但由于我国地域辽阔，能源区域分配不均，我国城市能源结构因城市所处地理位置不同，而呈现区域性差异特点，特别是对于我国大中城市而言，大部分大中城市均非产煤地区，同时考虑能源利用对环境的影响，我国大中城市的能源结构特点更趋向于多元化。以深圳为例，深圳的一次能源储量严重匮乏，煤、油、气全靠外运。在深圳一次能源消费中，石油消费占到50%左右，煤炭消费不到10%，其他能源消费包括天然气、核能、太阳能、生物质能等新能源约占40%，与目前我国能源结构仍以煤炭为主形成了鲜明的对比，体现了我国城市能源结构多元化的特点。

1.2 城市能源结构与城市环境的关系

我国富煤、缺油、少气的能源结构特点，决定了煤炭在我国能源生产和消费结构中的重要地位，其在我国城市的能源结构中也占据着主导地位。由于煤炭燃烧时会排放大量的污染物，对城市环境会造成严重的影响。有专家学者认为：“中国的城市化、产业化、工业化的大扩张和高生产强度造成能源消费在有限面积上的过于集中、能源结构不够清洁和环境治理效率低等因素造成了当前日益严重的雾霾天气”。由此可见，我国近几年严重的雾霾天气，是我国城市能源结构对城市环境影响的一种表现形式，也是我国城市环境污染的一个鲜活实例。

2 我国能源产业政策及城市能源结构调整

2.1 我国能源产业政策及其发展方向

《我国国民经济和社会发展十二五规划纲要》明确提出“十二五”时期将积极优化能源结构，合理控制能源消费总量，推动能源生产和利用方式变革。因此，未来我国能源发展必将从偏重保障供给为主，向科学调控能源生产和消费总量转变；从资源依赖型的发展模式，向科技创新驱动型的发展模式转变；从严重依赖煤炭资源，向绿色、多元、低碳化能源发展转变；从各种能源品种独立发展，向多种能源互补与系统的融合协调转变；从生态环境保护滞后于能源发展，向生态环境保护和能源协调发展转变；从过度依赖国内能源供应，向立足国内和加强国际合作转变。该规划纲要提出：到2015年，我国非化石能源占一次能源消费比重达到11.4%，单位国内生产总值能源消耗比2010年降低16%，单位国内生产总值二氧化碳排放比2010年降低17%。

国家能源局2011年发布了《国家能源科技“十二五”规划（2011-2015）》，该规划分析了我国能源科技发展形势，提出了我国能源发展目标为：围绕由能源大国向能源强国转变的总体目标，为能源发展“十二五”规划实施和战略性新兴产业发展提供技术支撑。通过重大能源技术研发、装备研制、示范工程实施以及技术创新平台建设，形成较为完善的能源科技创新体系，突破能源发展的技术瓶颈，提高能源生产和利用效率，在能源勘探与开采、加工与转化、发电与输配电以及新能源领域所需要的关键技术与装备上实现自主化，部分技术和装备达到国际先进水平，提升国际竞争力。此外，国家能源局明确提出，2014年我国非化石能源消费比重将提高到10.7%，天然气消费比重提高到6.5%，煤炭消费比重降低到65%以下。

与此同时，国务院新闻办于2012年10月发布了《中国的能源政策（2012）》白皮书，提出我国能源政策的基本内容是坚持“节约优先、立足国内、多元发展、保护环境、科技创新、深化改革、国际合作、改善民生”的能源发展方针，推进能源生产和利用方式变革，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系，努力以能源的可持续发展支撑经济社会的可持续发展。白皮书同时提出，大力发展新能源和可再生能源，是推进能源多元清洁发展、培育战略性新兴产业的重要战略举措，也是保护生态环境、应对气候变化、实现可持续发展的迫切需要。到“十二五”末，我国非化石能源消费占一次能源消费比重将达到11.4%，非化石能源发电装机比重达到30%。白皮书指出，中国能源必须走科技含量高、资源消耗低、环境污染少、经济效益好、安全有保障的发展道路，全面实现节约发展、清洁发展和安全发展。中国将坚定地推进能源领域改革，加强顶层设计和总体规划，加快构建有利于能源科学发展的体制机制，改善能源发展环境，推进能源生产和利用方式变革，保障国家能源安全。

综上所述，我国能源发展方向将以节能减排、清洁利用、环保低碳、原子经济为主，走可持续发展的能源发展道路。

2.2 我国城市能源结构调整

大量使用煤炭等化石燃料，是我国城市环境问题产生的主要根源。其中，以煤为主的能源结构、传统用煤技术造成的污染物大量排放，是我国城市环境污染的主要原因。因此，解决城市环境问题需要从调整城市能源结构入手。

由于中国能源消费结构与世界能源消费结构相比存在较大的调整空间，因此针对城市能源结构调整，可以从以下两方面着手：一是减少煤炭、燃油等化石燃料作为城市一次能源直接消费的比重，促进煤炭和燃油清洁高效利用；二是加强新能源的研发应用，提高可再生性能源的消费比重。

以深圳为例，深圳市作为我国改革开放的窗口，在能源结构调整和优化方面走在了全国的前列。根据《深圳市低碳发展中长期规划（2011-2020年）》《深圳新能源产业振兴发展规划（2009-2015年）》和《深圳市节能“十二五”规划》，深圳将加大天然气、核能、太阳能、生物质能和风能等清洁能源的利用，提高清洁能源比例。根据该规划，深圳市2015年将非化石能源占一次能源消费比重降到15%，2020年低于15%，而清洁能源消费比重2015年将提高到50%，2020年提高到60%。以天然气为例，2013年深圳天然气消费比重约为8%，到2015年将提高到14%，2020年提高到20%。深圳当前大力发展高效清洁能源，实施以引进天然气为主的石油替代战略，拓展天然气资源供应渠道，目前正加快推进西气东输二线翁深支干线项目、深圳LNG项目、城市天然气高压输配管网等前期建设工作。通过能源结构调整和优化，深圳的核电、水电、燃气在能源消费所占比重逐年提升，对深圳环境质量的改善提供了重要支撑。城市能源结构的优化调整，将有助于深圳率先建成低碳城市，成为我国首个“国家低碳生态示范市”。

从深圳的能源结构调整过程及其取得的显著成效，可以推知我国城市能源结构发展将向着降低煤炭、石油等化石燃料的消费比例，采用清洁高效的利用方式，同时大力提高清洁能源的使用比例等方向加快发展。

3 我国城市能源结构的调整工程解决方案

3.1 洁净煤利用工程技术方案

我国煤炭资源丰富的能源结构特点，决定了我国在能源结构调整和优化的过程中，除了加大对新能源的开发利用，增加非化石能源占一次能源消费的比重外，重点要针对我国丰富的煤炭资源利用走出一条清洁、高效、低碳、节能、减排的利用和发展道路。因此，清洁高效的现代煤炭资源综合利用工程技术方案成为了当前我国城市能源结构调整的一个亮点。

3.1.1 洁净煤IGCC方案

20世纪70年代以来，整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）为世界公认的具有发展前途的洁净煤发电技术之一。美国、欧洲许多国家和地区，把发展IGCC技术提高到战略需要的高度来资助、规划和立法。从1984年第一代Cool Water IGCC电站问世，经过十年开发建造了三座具有第二代水平的IGCC电站。作为技术更先进的第三代IGCC旨在逐步完善使以化石燃料为基础的发电系统实现零排放为目标的发电技术。美国和欧盟分别建设的Transport Gasifier和Hypogen第三代IGCC示范电站将于2014年和2015年完成建设和示范运行。

IGCC主要技术采用煤（或渣油、石油焦等）作为燃料，经过气化炉将其转化为粗煤气，并经除尘、脱硫等净化工艺，使之成为洁净的煤气供给燃气轮机燃烧做功。燃气轮机排气余热和气化岛显热回收热量经余热锅炉加热锅炉给水产生过热蒸汽，带动蒸汽轮机发电，从而实现煤气化联合循环发电过程。

典型的IGCC系统流程见图1。

图1 典型IGCC系统流程图

IGCC将煤气化、煤气净化和联合循环发电技术有机结合在一起，具有高效率、清洁、节水、适应燃料性广，易于实现多联产等优点，可针对性解决煤炭直燃方式带来的问题。IGCC与其他燃煤发电技术相比，除了效率高、排放少外，还有一个特别重要的优势—CO2的捕集，这对于当前建设低碳城市具有重要的战略意义。《国家中长期科学技术发展规划纲要（2006-2020年）》和《国家能源科技“十二五”规划（2011-2015）》明确鼓励开发以煤气化为基础的IGCC联合循环发电技术，促进煤炭的清洁高效利用，降低环境污染。

3.1.2 洁净煤合成天然气方案

天然气是化石能源中最清洁的能源，有关测算表明，天然气的二氧化碳排放量比煤炭低43%，比石油低28%。以深圳市为例，仅2012年，深圳市共计供应各类天然气28亿多立方米，相当于替代重油约277万吨，减少二氧化碳排放量165万吨，减少二氧化硫排放1.1万吨，减少氮氧化物排放约2900吨，减少PM2.5排放1300吨。据预测，到2015年，世界天然气产量将超过石油，天然气的开发和利用正在引领全球能源结构变革。特别是近年来，随着能源结构低碳化的发展，我国天然气利用的步伐不断加快，天然气在能源结构中的比例不断上升。2003年我国天然气在一次能源结构中占比还只有2.5%，到2012年已经上升到5.2%。根据规划，到2015年天然气在我国一次能源消费中的比例将达到7.5%。因此，采用洁净煤技术，将我国丰富的煤炭资源转化成清洁的天然气，是我国城市能源结构调整的另一条重要途径。《国家能源科技“十二五”规划（2011-2015）》明确提出要加快煤制天然气技术的开发，进行单系列13～20亿立方米/年的煤制天然气示范工程的建设。

典型的煤制合成天然气流程见图2。

图2 典型的煤制合成天然气流程图

3.1.3 洁净煤制氢气方案

氢气作为一种能量载体，具有非常优异的性能，一方面其燃烧值远比烃类和醇类高，约为汽油或天然气的2.7倍，煤的3.5倍；另一方面，氢气直接燃烧产物为水，不存在碳排放和污染问题，被认为是最绿色低碳的清洁能源。由于氢能的诸多优点，美国、日本和欧洲等发达国家都从国家可持续发展和安全战略的高度，制定了长期的氢能源发展战略，氢气已被越来越广泛地作为清洁能源使用。因此扩大氢气生产资源、开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺，受到人们的普遍关注。

在城市能源结构调整中，氢气可以作为石化行业的合成原料气，电子、玻璃等行业的保护气，也可做成氢燃料电池系统，供燃料电池汽车等使用。《深圳新能源产业振兴发展规划（2009-2015年）》明确提出：“关注氢能和海洋能开发利用等新兴产业发展，增强产业发展后劲。”因此，氢能作为城市能源结构调整的一种可行手段已开始被人们所关注。

国内外制取氢气（不包括工业废气中回收氢气）的主要方法有以下四种：1）天然气（含石脑油、重油、炼厂气和焦炉气等）蒸汽转化制氢气；2）煤（含焦炭和石油焦等）转化制氢气；3）甲醇或氨裂解制氢气；4）水电解制氢气。在这四种方法中，煤制氢气的成本最低，技术也相对成熟可靠。因此，采用洁净煤技术制取氢气将成为我国城市能源结构调整的另一个新的发展方向。

典型的煤制氢气流程见图3。

图3 典型的煤制氢气流程图

3.2 城市垃圾气化循环经济方案

3.2.1 垃圾气化技术及其特点

随着我国城市化进程的加快、城市数量的增多、城市规模的扩大和城市人口的膨胀，城市垃圾的产生量和堆积量都在迅速地增长。2004年，我国的城市垃圾产量首次超越美国，达到1.52亿吨，跃居世界第一位。据不完全统计，2012年，全国年垃圾清运总量已达到1.71亿吨，随着我国城镇化进程的加快，预计2015年我国城市垃圾年产量将达1.79亿吨，2020年将突破2亿吨，达到2.1亿吨。城市垃圾已成为制约我国城市发展的主要因素之一。在以科学发展观为统领，以人为本推进和谐社会建设的新形势下，实现我国城市垃圾的减量化、无害化和资源化，是当前我国城市实施可持续发展急需解决的迫切问题。

从生态角度看，城市垃圾是一种污染源，但从资源角度看，城市垃圾是地球上唯一正在增长的资源。4～7吨的城市垃圾燃烧所产生的热量相当于1吨标煤燃烧的能量。以垃圾发电为例，如果我国能将垃圾分类处理并充分有效地用于发电，每年将节省3500万～4500万吨煤炭资源。《国家能源科技“十二五”规划（2011-2015）》明确提出：“开发城市垃圾、生物质与煤共气化新技术。”《深圳新能源产业振兴发展规划（2009-2015年）》显示深圳垃圾发电装机规模达到7万千瓦，并提出“重点发展垃圾焚烧发电”，将垃圾发电作为深圳新能源发展的一个重要产业给予支持。能源结构调整方面，为进一步推动深圳“国家低碳发展试验区”建设，在第二届城市电网技术管理国际研讨会上，深圳市政府提出深圳低碳城市建设思路和优化能源结构需求，应大力推动资源循环利用。为此，深圳市将投资92亿元进行四大重点项目的建设，其中之一就是建设深圳东部垃圾焚烧电厂（5100吨/天）项目。因此，城市垃圾的循环利用将是我国城市能源结构调整的一个重要发展方向。

垃圾焚烧发电可实现垃圾的减量化、减少占地、创造一定的经济效益，目前已逐渐成为经济发达地区和城市处理垃圾的首选方式。但垃圾焚烧也带来了一系列问题：1）由于焚烧温度不高，容易产生二英和呋喃等致癌物质；2）焚烧产生的飞灰和残渣中富含有毒有害重金属物质，容易造成地下水源污染；3）焚烧产生大量烟气，碳排放量大。目前由于垃圾焚烧产生的环保问题和人们所担心二次污染问题，引发了不少“群体事件”。如2007年6月北京六里屯垃圾发电厂受到了强大的民意阻力而被当时的国家环保总局紧急叫停；2009年10月，江苏吴江为反对垃圾焚烧厂投产，万人街头抗议；2014年5月，杭州余杭区中泰乡九峰村村民为反对垃圾焚烧发电厂项目选址九峰村，五千余人聚集并和警方发生冲突，推翻警用车辆，堵塞省道和高速公路。

垃圾气化技术是近年来发展起来的一种垃圾处理新技术，与一般垃圾焚烧技术不同，采用垃圾气化技术处理垃圾，几乎能将垃圾中的有机物完全气化并转化成合成气（主要为CO和H2），并进一步加以利用（燃烧供热、发电、制取天然气、制取氢气等），而无机物则可变成无害的玻璃体灰渣，进一步综合利用，可实现垃圾处理过程污染物的近“零排放”。垃圾气化技术较之垃圾焚烧技术除了能真正将垃圾做到无害化处理外，最重要的是能将垃圾当成一种可再生资源进行利用，除了能进行供热和发电外，还可用于生产天然气、氢气、油品等化工产品，真正做到垃圾处理的资源化利用。

表1为日本两个采用垃圾气化技术建设垃圾发电厂的废气排放情况，表2为其中1个工厂垃圾气化后熔渣重金属溶出检测结果。

表1 日本2个垃圾气化发电厂废气排放情况

表2 日本垃圾气化发电厂熔渣重金属溶出检测结果 （单位：mg/L）

从表1和表2可以看出，垃圾气化发电厂排放的废气和废渣均远低于标准限值，表明其具有良好的环保特性。

3.2.2 城市垃圾气化技术工程方案

城市垃圾气化技术工程技术方案路线如图4。

图4 城市垃圾气化技术工程化路线图

从图4可知，城市垃圾经过进料系统输送至垃圾气化炉，在高温下发生气化反应，生成以CO和H2为主的合成气，经净化处理后可用于发电或生产化工产品，而垃圾经气化后生成的残渣为玻璃体，对环境无污染，经过分选系统，还可将其中的金属物质分离出来，加以利用，玻璃体渣也可用于铺路或生产玻璃棉等进一步综合利用。

对当前世界范围内的已工业化应用的垃圾气化技术进行分析研究发现，该技术在垃圾处理领域起步虽晚，但技术先进、发展很快，可以很好地避免填埋、堆肥、焚烧出现的问题，已逐渐成为当前垃圾处理领域的主流发展技术，处于快速推广和应用阶段。据调查了解，当前国内外主要采用垃圾气化技术已经建立了近20个垃圾气化工厂（含示范装置）。因此，垃圾气化技术将逐步取代垃圾焚烧技术，成为我国城市垃圾处理技术的重点发展对象，城市垃圾气化循环经济方案也将拥有广阔的发展空间。

4 城市能源结构技术方案前景及趋势分析

4.1 城市能源结构政策分析和前景预测

目前，国家尚未出台专门的城市能源结构调整政策文件，但从《我国国民经济和社会发展“十二五”规划纲要》和《国家能源科技“十二五”规划（2011-2015）》等规划文件中可以看出，国家已意识到能源结构调整的必要性和紧迫性，特别是2013年以来，城市雾霾由华北蔓延至半个中国的国土，更加让我国坚定决心，在能源结构调整方面必须进行一番作为。据了解，我国已启动《国家能源发展战略》编制工作，提出我国能源发展的总体方略和战略图，各主要城市也根据自身城市发展需要，纷纷出台城市能源结构调整的相关政策性文件。以深圳为例，从2009年起，深圳市已相继出台了《深圳新能源产业振兴发展规划（2009-2015年）》《深圳市低碳发展中长期规划（2011-2020年）》和《深圳市节能“十二五”规划》等能源领域的规划性文件，提出并加快了城市能源结构调整，满足城市的快速发展需求。

从相关资料分析，我国城市能源结构调整将以降低煤炭、石油等化石燃料的消费比例，采用清洁高效的利用方式，同时大力提高清洁能源的使用比例等方向加快发展。同时，由于我国能源消费结构与世界能源消费结构相比存在较大的调整空间，因此我国城市能源结构调整的发展前景一片光明。

4.2 城市能源结构调整工程技术方案目标及其发展前景

城市能源结构调整的工程技术方案目标，无疑是要解决当前严重的城市环境污染问题和城市发展所面临的能源瓶颈问题，解决城市发展、城市能源利用和城市环境三者之间存在的矛盾问题，构建一个和谐、健康、低碳、环保、可持续发展的美好城市。

随着城市能源结构调整的深入进行，先进的工程技术方案将以其优异的产品特性和成熟的技术水平，成为我国城市能源结构调整的一种可靠的解决方案。以城市垃圾气化制取合成天然气的工程技术方案为例，将城市垃圾当成一种可再生能源，通过先进的城市垃圾气化技术，生产清洁的合成天然气，作为煤碳和石油等高污染化石燃料的替代燃料使用，不但能够有效解决城市垃圾带来的环境污染，满足城市垃圾100%得到“减量化、无害化、资源化”处理的要求，而且可以将垃圾变废为宝，提高城市垃圾综合利用的比例，创造可观的经济效益，提升城市的节能减排和低碳环保水平，促进社会和经济的可持续发展。因此，以洁净煤利用工程技术方案和城市垃圾气化循环经济方案等为代表的先进的工程技术方案在城市能源结构调整中的发展和应用前景十分看好，具有广阔的发展和应用空间。

5 结语

城市环境问题是当前制约城市发展的一个主要影响因素，而城市能源结构调整是解决城市环境问题的一条有效途径。因此，城市能源结构调整的成败关乎着一个城市能否健康、稳定和可持续发展，关乎着城市人民的福祉。推动城市能源结构调整和优化，着力建设低碳、环保和创新型城市，是当前城市发展的主要议题。采用合理可行、先进可靠的工程技术方案，是进行当前城市能源结构调整和优化重要而有效的一项技术手段。

[1] 程龙飞.调整城市能源结构，改善区域空气质量[J].环境科学与管理，2007，32（10）：4-7.

[2] 韩文科，朱松丽，高翔，姜克隽.从大面积雾霾看改善城市能源环境的紧迫 性[J].价格理论与实践，2013（4）：27-29.

[3] 钟玲，卢振兰.城市能源结构与大气污染类型的变化研究[J].绿色科技，2012（6）：179-181.

[4] 赵敏.发展清洁能源推进节能减排[J].化学工程与装备，2010（7）：134-136.

[5] 中华人民共和国国务院.我国国民经济和社会发展十二五规划纲要[Z].2011-3.

[6] 中华人民共和国国家能源局.国家能源科技“十二五”规划（国能科技[2011]395号）[Z].2011-12.

[7] 中华人民共和国国务院新闻办公室.中国的能源政策（2012）[Z].2012-10.

[8] 赵嘉博，刘小军.洁净煤技术的研究现状及进展[J].露天采矿技术，2011（1）： 66-69.

Engineering Resolving Scenario of Urban Energy Structure Adjustment in China

LIANG Yong-huang, WEI Tao, ZHANG Zong-fei, XIA Wu

X321

A

1006-5377（2015）04-0033-06