将燃煤电厂改造为天然气电厂Converting Coal Plants to Natural Gas

在过去几百年的大部分时间里，煤炭一直是首选的发电燃料。18世纪初，托马斯·纽科门在英国发明的蒸汽机是燃烧煤炭驱动的，这也是一系列日益高效的煤炭转化设备中的第一个。纽科门发动机实际上效率极低且耗煤量巨大，因此几乎只在煤矿使用，因为那里燃料获取成本低廉。18世纪和19世纪后续出现的改良蒸汽机——瓦特的旋转式发动机、高压康沃尔发动机、三胀式发动机、帕森斯蒸汽轮机——同样以煤炭为燃料。到20世纪初，英国每年燃烧5200万吨煤炭，为工厂和矿井提供动力。

20世纪初，燃油汽车的兴起将相当一部分煤炭消费转移到了石油上，但煤炭在工业动力领域仍占据主导地位。这种情况在电网出现后也没有改变：托马斯·爱迪生在纽约珍珠街建立的第一座中央发电站使用的是燃煤往复式发动机，而且直到21世纪，煤炭一直是美国最主要的发电方式。

然而，到20世纪末，这一趋势开始发生变化。在20世纪的大部分时间里，煤炭占美国发电量的约50%，但在20世纪80年代中期达到约57%的峰值之后，煤炭在美国发电量中的占比开始下降。从2008年前后开始，煤电产量开始绝对下降，从2009年超过1.6万亿千瓦时降至2020年的约0.8万亿千瓦时。如今，煤炭供应约16%的美国电力，这一比例似乎在长期内将继续下降。

随着煤炭不再受到青睐，许多燃煤电厂——自2008年以来超过200座——直接关闭了。1 但其中一些电厂改为燃烧天然气以替代煤炭。自2008年以来，大约有140座电厂进行了此类改造。

鉴于近期振兴煤炭产业的种种举措——特朗普政府强制电厂继续运行并试图资助新建燃煤电厂——有必要了解是什么驱动了如此多的电厂运营商停止燃烧煤炭并转向天然气。

2008年前后开始的这一轮煤改气改造浪潮是两个因素共同作用的结果。

第一个因素是监管。燃烧煤炭会排放大量有害污染物（如汞），随着时间推移，对这些排放物的监管日益严格。2000年，美国环境保护署（EPA）决定制定汞排放法规，虽然这被布什政府暂时搁置，但到2008年，更严格的燃煤电厂排放标准将成为现实已显而易见。2011年，EPA提出了一套新的燃煤电厂排放限制方案——《汞与空气毒物标准》（MATS），大幅削减了燃煤和燃油电厂允许排放的汞、有毒金属和酸性气体的数量。然而，MATS不适用于天然气电厂，因为天然气燃烧更为清洁，有害颗粒物排放量大幅减少。

伴随着这项更为严格的新法规，美国页岩气产业的繁荣使得天然气成为一种越来越具吸引力的发电燃料。从20世纪80年代末到2011年，天然气在美国发电结构中的占比从10%上升到了近30%。尽管天然气价格在21世纪初有所上涨，但在2008年开始大幅下跌。此外，预计在可预见的未来，其价格将持续保持低位。

面对日益严格的环保法规以及来源广泛、价格亲民的天然气的崛起，煤电厂业主面临着几个选择。其一是直接关闭工厂。其二是安装必要的设备，将排放量降低到足以符合 MATS 法规的要求。这些设备的安装成本高昂，并且由于运行需要消耗能量，会拖累电厂的效率，但这往往依然是值得的。如今美国仍有219家运营中的煤电厂，它们全都符合最初的 MATS 法规。

然而，一些电厂运营商没有选择安装必要的排放设备以满足 MATS 要求，而是选择将电厂改造为燃烧天然气。被改造的电厂通常是那些年代较久远、容量较小且效率相对较低的电厂，它们过去常在需要时提供额外产能，而不是用于供应基本负荷电力。

将煤电厂改造为燃烧天然气并非一个新想法——这一概念最初在20世纪80年代就开始被讨论，并且在90年代和21世纪初已有少数电厂完成了改造——但页岩气产业的繁荣与更为严格的新 MATS 法规相结合，为这种做法创造了强大得多的动力。

将煤电厂改造为天然气电厂有几种不同的方法，具体取决于你更换原有设备的比例。从宏观层面来看，煤电厂由燃烧煤炭并利用该能量将水转化为蒸汽的锅炉、将蒸汽热能转化为旋转动能的汽轮机，以及与汽轮机相连将机械旋转动能转化为电流的发电机组成。不同的改造策略会替换这套设备中的不同部分。

最简单、最廉价的选择是将燃煤锅炉改造成能够燃烧天然气的锅炉。锅炉可以被改造为仅使用天然气运行（从而失去燃煤能力），也可以被改造成能够燃烧天然气、煤炭或两者混合燃料的设备。

这种改造至少需要增加一套向锅炉输送天然气的系统，并用天然气燃烧器替换燃煤燃烧器。但由于天然气的燃烧方式与煤炭不同，这可能还需要其他升级，例如安装新的火焰扫描仪（用于监测锅炉内的燃烧状况）以及进行结构升级（因为在燃烧天然气时，锅炉某些部分的温度可能会更高）。此外，这种改造通常还需要铺设天然气管道将气源引入电厂，这可能涉及到铺设20英里甚至更长的地下管道。由于天然气不需要像煤炭那样复杂的物料处理流程——它可以直接通过管道输送进锅炉——因此升级后的电厂所需的员工数量通常比原煤电厂少得多。芝加哥附近的 Joliet 煤电厂就是这种“煤改气”改造的一个典型例子，该厂于2016年被改造为天然气调峰电厂，随后于2023年彻底关闭。

这种改造的优势在于相对简单且成本较低，美国大多数煤改气电厂改造都属于这种类型。其缺点在于，由于锅炉燃烧的燃料并非其最初设计的燃料，改造后的电厂在运行效率和发电容量上都不如燃煤时期，更是远不及全新的联合循环电厂。

另一种选择是用天然气锅炉完全取代燃煤锅炉，同时保留其余的发电设备。这种情况虽然不太常见，但确实存在。爱荷华州立大学就是一个进行此类改造的例子，该校曾运营一座小型 46 兆瓦的热电联产燃煤电厂。2016 年，该大学将电厂五台燃煤锅炉中的三台更换为天然气锅炉。（最后两台锅炉最终也进行了燃烧天然气的改造）。

比单纯将燃煤锅炉替换为燃气锅炉更常见的做法是，用燃气轮机和燃气锅炉（在这种配置中称为余热锅炉，简称 HRSG）替换燃煤锅炉，从而建成效率更高的联合循环电厂。这种有时被称为“重建”（repowering）的改造方式的一个例子是位于佛罗里达州坦帕市附近的 Big Bend 燃煤电厂，该电厂于 2023 年完成了改造。

最后，所谓的“改造”也可以是直接拆除现有的整个电厂——包括锅炉、轮机和发电机——并用一座现代化的联合循环电厂取而代之。这本质上是一座全新的电厂，只是利用了老电厂的一些配套设施（如电网接入设施和供水条件）。田纳西流域管理局（TVA）位于田纳西州孟菲斯市附近的 Allen 电厂就是此类改造的一个例子。这种改造成本最高，但能为运营商带来最大的效率提升。美国大约有三分之一的燃煤电厂改造属于这种彻底替换的类型。

我们似乎不太可能看到更多这类煤改气项目了。首先，美国的燃煤电厂比以前少了很多：从近 600 座的峰值降至目前的 200 座出头。最适合改造的对象——那些可能用于调峰的规模较小、年代较久的电厂——可能都已经改造完毕。此外，随着电网级电池改变了调峰的经济逻辑，即使是新建的天然气电厂看起来也不如以前那么有吸引力了；我猜想，效率较低的煤改气电厂只会更缺乏竞争力。

新一轮更严格的空气污染法规可能会促使一些现有电厂放弃燃煤而改烧天然气，尽管在特朗普政府执政期间我们不太可能看到这种情况。（2024 年，拜登政府加强了最初的《汞与空气毒物标准》（MATS）规则，但这些新增内容随后被特朗普政府废除。）同样，AI 热潮引发的巨大电力需求也可能会产生一些影响。我们已经看到，由于电力需求高企以及天然气轮机等设备严重积压，原计划关停的燃煤电厂现在仍在继续运行。这种逻辑也有可能促使人们将一些剩余的燃煤电厂改造为燃烧天然气。但总体而言，我推测煤改气改造的鼎盛时期已经过去。

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2008年，美国约有586家运营中的燃煤电厂，而如今仅剩219家。其中约140家电厂被改造为天然气发电厂，估计约有230家已被关闭。