煤炭至今仍是全世界最大的单一电力来源。尽管太阳能和风电增长飞快，2025 年煤电的发电量仍有约 10,500 TWh，占全球供电量的三分之一。煤炭也是能源相关 CO₂ 排放最大的单一来源，每年约 150 亿吨，其中发电厂占的份额最大。在本地产煤、电厂投资早已收回的地方，煤电的运行成本很低。它可以按需调度，许多以采矿为生的地方经济都离不开它。可按单位发电量计算，由于空气污染，它也是迄今为止最致命的电力来源。
工作原理
燃煤电厂是一种蒸汽电站，采用的是朗肯循环。煤先在磨煤机里磨成细粉，再和预热过的空气一起吹进锅炉，在约 1,300–1,700 °C 的高温下燃烧。热量传给锅炉里长达几千米的管道中的水。高压蒸汽推动多级汽轮机，带动发电机发电，然后冷凝成水，再用泵送回锅炉，循环往复。蒸汽温度越高、压力越大，效率就越高，电厂的几大类别也正是按这个标准划分的。
每 kWh 的排放量，直接取决于效率和煤的含碳量：
EF（IPCC 2006 默认值）：烟煤 ≈ 94.6 kg CO₂/GJ · 次烟煤 ≈ 96.1 · 褐煤 ≈ 101
示例：η = 38% 的硬煤机组 → 3.6 ÷ 0.38 = 9.47 MJ/kWh × 0.0946 kg/MJ ≈ 0.90 kg CO₂/kWh
同一机组若 η = 45%（USC）→ 0.76 kg CO₂/kWh（−16%）
用同样的算法也能算出耗煤量。按每公斤 25 MJ 的热值，效率 38% 的机组每发 1 kWh 电约烧掉 0.38 kg 煤；一台 1 GW 的机组如果全年满负荷运行，大约要烧 330 万吨煤。用燃料热值计算器，可以比较硬煤、褐煤和其他燃料的热值。
主要类型
| 技术 | 蒸汽参数 | 净效率（LHV） | 烟囱 CO₂（硬煤） | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 亚临界煤粉炉 | <22 MPa，约 540 °C | 32–38% | 约 0.90–1.05 kg/kWh | 美国、印度、欧洲老旧机组的主体 |
| 超临界煤粉炉 | >22.1 MPa，约 565–585 °C | 38–42% | 约 0.80–0.90 kg/kWh | 1990–2000 年代新建机组的标准配置 |
| 超超临界（USC） | 约 25–30 MPa，≥600 °C | 42–47% | 约 0.72–0.80 kg/kWh | 日本、德国、韩国、中国 |
| 先进超超临界（研发中） | 约 35 MPa，约 700 °C | 47–50%（目标） | 约 0.68 kg/kWh | 需要镍基高温合金 |
| IGCC | 气化 + 联合循环 | 38–45% | 约 0.75–0.85 kg/kWh | 电厂很少；成本高 |
| 循环流化床 | 亚临界到超临界 | 34–42% | 与煤粉炉相近 | 适合低品质煤，可掺烧生物质 |
压力超过约 22.1 MPa、温度超过 374 °C 以后，水就越过了临界点，不经过沸腾直接变成蒸汽。超临界电厂采用的直流锅炉，就是围绕这个原理设计的。超超临界机组的蒸汽温度超过 600 °C，其中最好的机组分布在日本、丹麦和中国，公布的净效率约为 44–47%（LHV）。蒸汽参数每往上提一档，都需要更昂贵的高合金钢。
IGCC（整体煤气化联合循环）先把煤转化成合成气，净化以后送进燃气轮机燃烧，再用余热驱动底层的蒸汽循环。这种方式更便于在燃烧前捕集 CO₂。荷兰 Buggenum、西班牙 Puertollano、美国 Polk 和 Wabash River 以及印第安纳州 Edwardsport 的示范电厂，可用率都时好时坏。密西西比州的 Kemper County 项目成本一路涨到约 75 亿美元，2017 年放弃了煤气化，如今改烧天然气。
褐煤与硬煤
褐煤的热值约为 5–15 MJ/kg，含水率高达 30–60%。长途运输它并不划算，所以褐煤一般在坑口电厂就地燃烧，主要分布在德国、波兰、捷克、希腊、巴尔干地区、土耳其、澳大利亚（维多利亚州）和印度尼西亚。把水分蒸发掉要损失效率，而且褐煤每单位能量含的碳更多，所以褐煤机组的排放一般在 1.0–1.2 kg CO₂/kWh。给这些电厂供煤的露天矿，扰动的土地面积几乎超过其他任何能源。硬煤（烟煤、次烟煤和无烟煤，热值约 20–32 MJ/kg）则走海运贸易。印度尼西亚和澳大利亚是最大的出口国，中国、印度、日本和韩国是最大的进口国。
效率与容量系数
燃煤机组当初是按基荷运行设计的，容量系数在 70–85%，但在许多市场，它们现在的运行时间短得多。受到廉价天然气和可再生能源的挤压，美国煤电厂近几年的平均容量系数只有约 40–50%（EIA 数据）。中国的煤电机组因为装机增长快于用电需求，容量系数在 50% 左右。频繁升降负荷会加剧设备磨损、降低效率，还会推高每 kWh 的排放。最低稳定出力一般是额定功率的 30–50%，不过德国、丹麦和中国通过灵活性改造，已经把这个下限压得更低。用容量系数计算器，可以把这些利用率换算成全年发电量。
成本
- Lazard LCOE+ 2024（美国，无补贴，新建）：$69–168/MWh。美国几乎没有新的煤电项目提出，因为新建风电、光伏和燃气电厂都更便宜。
- IEA/NEA 发电成本预测 2020：在 OECD 国家，按 7% 的折现率计算，新建煤电一般在 $75–120/MWh。这个数字已经包含了假设的每吨 $30 碳价，碳价约增加 $25–30/MWh。中国和印度的电厂单位千瓦造价要低得多。
- NREL ATB / EIA AEO：美国新建煤粉炉电厂的隔夜成本约为 $3,500–4,500/kW，如果加装 90% 碳捕集，还要高得多。
对已经还清投资的现有电厂来说，真正要看的是边际成本：燃料、可变运维费用和碳成本。到厂价每吨 $100 的硬煤（约 $4/GJ），燃料成本约为 $38/MWh。每吨 €80 的碳价，会再增加约 €70/MWh。欧盟碳排放交易体系（EU ETS）是欧洲煤电发电量自 2015 年以来大约减半的主要原因。Carbon Tracker 等分析机构发现，许多现有煤电厂继续运行的成本，已经高于新建可再生能源。LCOE 计算器可以直观显示燃料价格和碳价对结果的影响。
用地、用水和原材料
煤电要搬运大量物料，也要占用大量土地。一座 1 GW 的电厂每年要烧掉约 300 万吨硬煤，或者 800–1,000 万吨褐煤，留下几十万吨灰渣；装了脱硫设备的电厂，还会产出石膏。煤灰坝曾经发生过灾难性溃坝，比如 2008 年田纳西州金斯顿的事故。阿巴拉契亚山区的削山采煤，以及德国莱茵兰和卢萨蒂亚的褐煤矿坑，让整片地貌和一个个村庄从地图上消失。煤电的用水量也很大。NREL 的调查（Macknick 等，2012）显示，采用冷却塔的燃煤电厂，耗水量中位数约为每 MWh 690 美制加仑；直流冷却的取水量更是大得多。在缺水的印度和中国北方，用水已经成为电厂选址的限制条件。
全生命周期 CO2 排放
- IPCC AR5 第三工作组附录 III（2014）：煤粉炉中位数 820 gCO2e/kWh，范围 740–910。
- UNECE 2021：不加碳捕集时约为 750–1,100 gCO2e/kWh，视煤种和地区而定。加装 CCS 后，范围约为 150–470 gCO2e/kWh，因为捕集率永远达不到 100%，上游煤矿的甲烷排放也依然存在。
煤矿甲烷是一大排放源，算总账时却常常遭到低估。IEA 的全球甲烷追踪报告（Global Methane Tracker）估计，煤炭开采的甲烷排放与石油行业或天然气行业相当。作为对比，燃气联合循环约排放 490 g，核电和风电约排放 10 g。
安全与健康影响
煤炭造成的伤害，大部分是经由空气扩散的。燃煤会排放细颗粒物（PM2.5）、二氧化硫和氮氧化物（它们还会进一步生成二次颗粒物和臭氧），以及汞、砷和其他微量金属。结果是，几百公里下风向的人群也会患上心脏病、中风、肺癌和呼吸系统疾病。
- Markandya 和 Wilkinson（《柳叶刀》，2007）：欧洲硬煤每 TWh 约造成 24.5 人死亡，褐煤为 32.6 人，另外还有更多的人患上严重疾病。
- Our World in Data 综合数据：煤电每 TWh 约 24.6 人死亡，石油为 18.4 人，天然气为 2.8 人，核电、风电和光伏约为 0.03 人。
装了污染控制设备以后，死亡人数会大幅下降。烟气脱硫能去除 90–98% 的 SO₂，选择性催化还原能去除 80–90% 的 NOx，静电除尘器或布袋除尘器能去除 99% 以上的颗粒物，喷射活性炭则可以吸附汞。中国自 2015 年起在大部分煤电机组上推行“超低排放”标准（烟尘、SO₂、NOx 分别约为 10、35、50 mg/Nm³），这为城市 PM2.5 浓度的大幅下降出了一份力。印度和东南亚的许多电厂至今仍没有烟气脱硫装置，印度的达标期限也一再推迟。采矿环节还有它自己的代价：矿难和尘肺病。
燃煤电厂的碳捕集
两个旗舰项目，既展示了碳捕集能做到什么，也说明了它有多难：
- Boundary Dam 3（SaskPower，加拿大，2014 年）：净出力 110–115 MW 的改造项目，设计每年以 90% 的捕集率捕集约 100 万吨 CO₂。近几年运行可靠，但捕集量通常远低于设计值。捕集到的 CO₂ 大部分卖给油田，用于提高石油采收率。
- Petra Nova（W.A. Parish 电厂，得州，2017 年）：从相当于 240 MW 机组的一股旁路烟气中捕集 CO₂，设计规模约每年 140 万吨，同样用于驱油。2020 年油价暴跌时封存停运，2023 年在新东家手里重新启动。
碳捕集要用掉电厂 20–30% 的发电量，用于溶剂再生和 CO₂ 压缩。再加上设备投资，发电成本会上升约 40–80%，这让带 CCS 的煤电比大多数低碳替代方案都更贵。
退役趋势与前景
如今的煤电，在不同地方朝着两个方向走。英国的煤电占比从 2012 年的约 40%，降到 2024 年 9 月 30 日 Ratcliffe-on-Soar 电厂关闭时的零。美国煤电发电量比 2007 年约 2,000 TWh 的峰值下降了一半以上，煤电占比已经不到 20%。欧盟的煤电发电量自 2015 年以来大约减半。德国计划最迟在 2038 年退出煤电，西班牙、意大利等国更早。
在亚洲，煤电占比在下降，绝对发电量却还在上升。中国的煤电发电量占全球一半以上。据 CREA 和 Global Energy Monitor 统计，2022–2023 年中国每年核准约 100 GW 的新建煤电装机。按官方说法，这些电厂越来越多地定位为可再生能源的备用电源，而不是基荷电源。印度约四分之三的电力来自煤炭，并计划继续新增煤电，以满足用电需求的增长。IEA 的 Coal 2024 报告预计，到 2020 年代末，全球煤炭需求将进入平台期，中国的下降会抵消印度和东南亚的增长。
煤电退出得有多快，取决于几方面：有没有便宜的替代电源（太阳能、风电、电池储能和天然气），碳价高低，提前退役能否拿到融资（比如南非、印度尼西亚和越南的公正能源转型伙伴关系 JETP 协议），以及煤矿地区能得到多少支持。发电厂地图标出了全球现存的燃煤电厂，技术对比则把煤电的成本和排放与其他选项放在一起比较。
常见问题
燃煤电厂的效率有多高？
燃煤电厂每 kWh 排放多少 CO2？
燃煤发电会造成多少人死亡？
褐煤和硬煤有什么区别？
燃煤电厂的碳捕集管用吗？
哪些国家还在新建燃煤电厂？
资料来源与参考
- IEA：Coal 2024: Analysis and forecast to 2027
- Global Energy Monitor：Global Coal Plant Tracker（全球燃煤电厂追踪）
- IPCC AR5 WGIII Annex III：Technology-specific Cost and Performance Parameters
- Markandya, A. & Wilkinson, P. (2007). Electricity generation and health. The Lancet 370(9591)
- Our World in Data：What are the safest and cleanest sources of energy?
- Lazard：Levelized Cost of Energy+ (2024)
- Ember 与 Energy Institute：电力数据经 Our World in Data 整理（本页图表）