燃煤發(fā)電行業(yè)低碳發(fā)展路徑研究

趙春生，楊君君，王婧，段立強(qiáng)

（1．華能北京熱電有限責(zé)任公司，北京市 昌平區(qū) 102206； 2．華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102206）

0 引言

2020年9月22日，我國(guó)向世界鄭重承諾，二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。這不僅彰顯了我國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，也是我國(guó)加快形成綠色發(fā)展方式、大力建設(shè)生態(tài)文明、促進(jìn)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措[2]。2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議明確將“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”列為2021年八大重點(diǎn)任務(wù)之一[3]，提出大力調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)能源體系清潔低碳發(fā)展，穩(wěn)步推進(jìn)水電發(fā)展，安全發(fā)展核電，加快光伏和風(fēng)電發(fā)展，加快構(gòu)建適應(yīng)高比例可再生能源發(fā)展的新型電力系統(tǒng)，推動(dòng)低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源[4-6]。《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》中明確提出，要推動(dòng)能源體系綠色低碳轉(zhuǎn)型，促進(jìn)綠色低碳技術(shù)研發(fā)和推廣[6]。生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于統(tǒng)籌和加強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)工作的指導(dǎo)意見》中明確指出，能源等領(lǐng)域要抓緊制定2030年前二氧化碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案[7]。2021年4月22日，習(xí)近平主席在“領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)”上提出，中國(guó)將嚴(yán)控煤電項(xiàng)目，“十四五”時(shí)期嚴(yán)控煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)，“十五五”時(shí)期逐步減少[8]。

由此可以看出，新建燃煤發(fā)電項(xiàng)目將受到嚴(yán)格控制，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電行業(yè)將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。受資源稟賦影響，以煤為主導(dǎo)的化石能源長(zhǎng)期在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，2019年中國(guó)煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的57.7%[9-10]。截至2020年底，全國(guó)煤電裝機(jī)容量達(dá)10.8億kW，占全球總裝機(jī)容量的一半[11-12]。根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)組織關(guān)于《中國(guó)2030年前碳達(dá)峰研究報(bào)告》預(yù)測(cè)，2025年煤電達(dá)峰，峰值為11億kW，2030年控制煤電下降至10.5億kW[12]。“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)將倒逼發(fā)電行業(yè)能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化和轉(zhuǎn)型升級(jí)[13-18]。因此在保障實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的前提下，如何高效清潔利用燃煤發(fā)電是需要深入研究的課題。

1 燃煤發(fā)電行業(yè)在雙碳目標(biāo)下的挑戰(zhàn)

1.1 燃煤發(fā)電領(lǐng)域在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)中任務(wù)艱巨

化石能源利用是我國(guó)主要的二氧化碳排放源，我國(guó)能源領(lǐng)域二氧化碳排放來源如圖1[12]所示。能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)占能源活動(dòng)碳排放比重為47%，煤炭終端燃燒排放占比35%，減排任務(wù)艱巨[11-12]。如果燃煤發(fā)電領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)碳中和，就需要控制碳排放量。在雙碳目標(biāo)下，電力系統(tǒng)面臨重大結(jié)構(gòu)性調(diào)整，包括淘汰和改造現(xiàn)有化石能源發(fā)電機(jī)組，化石能源機(jī)組配備碳捕獲、利用與封存(carbon capture, utilization and storage，CCUS) 裝置，提高清潔能源占比等[19]。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)要轉(zhuǎn)型，面臨高碳能源資產(chǎn)累積規(guī)模總量大、轉(zhuǎn)型困難的挑戰(zhàn)[13]，必須做出更大的努力，從根本上轉(zhuǎn)變發(fā)展方式。

圖1 能源領(lǐng)域二氧化碳排放來源 Fig. 1 Sources of carbon dioxide emissions in the field of energy

1.2 傳統(tǒng)燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈亟需產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型

習(xí)近平在氣候雄心峰會(huì)上宣布，到2030年，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上[8]。因此，國(guó)家將大力發(fā)展可再生能源，降低化石能源的比重，燃煤機(jī)組容量將進(jìn)一步削減。而傳統(tǒng)燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈將受到嚴(yán)重沖擊，亟需產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，尋找新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。例如三大動(dòng)力主要以火力發(fā)電設(shè)備制造及系統(tǒng)成套為主，預(yù)計(jì)3~5年后火力發(fā)電機(jī)組的訂單將大量減少，三大動(dòng)力及其產(chǎn)業(yè)鏈配套企業(yè)需要盡快發(fā)展新的綠色產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)，盡早實(shí)施產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。

中國(guó)要實(shí)現(xiàn)碳中和，必須大力推動(dòng)風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)展，積極發(fā)展水能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽堋淠堋⑸镔|(zhì)能、光熱發(fā)電等新能源。例如，太陽(yáng)能預(yù)計(jì)到2060年容量會(huì)是現(xiàn)在的70多倍。因此，傳統(tǒng)火電產(chǎn)業(yè)的鏈條將受到強(qiáng)烈沖擊，同時(shí)將會(huì)催生巨大的新興電力產(chǎn)業(yè)，這對(duì)發(fā)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈上下游將產(chǎn)生顛覆性影響。

2 燃煤發(fā)電行業(yè)低碳與綠色發(fā)展路徑

燃煤發(fā)電行業(yè)要積極轉(zhuǎn)型、及早布局，盡快向低碳與綠色發(fā)展方式轉(zhuǎn)型。燃煤機(jī)組要與新能源發(fā)展耦合發(fā)展，提升煤電機(jī)組的靈活調(diào)峰能力，與新能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，發(fā)揮好燃煤機(jī)組基礎(chǔ)保障的作用；要努力提升現(xiàn)有燃煤機(jī)組水平，積極研究和推廣應(yīng)用低碳技術(shù)，降低碳排放量，做到“超低碳”排放；要發(fā)展高效超低排放的高參數(shù)發(fā)電機(jī)組，以替代落后的中小型燃煤機(jī)組。

2.1 提高燃煤發(fā)電機(jī)組能效

在短期內(nèi)，對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造 并提升能效是最務(wù)實(shí)、最有效的做法，提高燃煤機(jī)組性能是重要的低碳發(fā)展路徑。根據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，節(jié)能對(duì)低碳的貢獻(xiàn)度達(dá)到37%。因此，提升燃煤機(jī)組的能效水平就是對(duì)低碳做貢獻(xiàn)。建議對(duì)現(xiàn)役燃煤機(jī)組加強(qiáng)技術(shù)改造，提高燃煤機(jī)組供電煤耗要求，如國(guó)電集團(tuán)宿遷電廠的二次再熱超超臨界機(jī)組發(fā)電煤耗已達(dá)到255 g/(kW·h)；對(duì)主要用能設(shè)備和輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行能效提升，如實(shí)施煙氣余熱深度利用技術(shù)，采用空壓機(jī)余熱利用技術(shù)等加強(qiáng)系統(tǒng)余熱、余能利用；采用先進(jìn)節(jié)能、節(jié)水技術(shù)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)(包括風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備)，以及鍋爐、變壓器等進(jìn)行技術(shù)改造，如采用新型球磨機(jī)直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、永磁渦流柔性傳動(dòng)節(jié)能技術(shù)提高電機(jī)系統(tǒng)的 能效，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材和超低排放。

2.2 采用大型高參數(shù)高效超低碳排放的燃煤發(fā)電機(jī)組替代中小型燃煤機(jī)組

積極發(fā)展采用低碳技術(shù)的高參數(shù)、高效二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組，淘汰落后的中小型燃煤機(jī)組，實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組的轉(zhuǎn)型升級(jí)。要進(jìn)一步研發(fā)高參數(shù)超超臨界機(jī)組系統(tǒng)深度耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于參數(shù)匹配的結(jié)構(gòu)總成與系統(tǒng)集成的全新機(jī)爐一體的設(shè)計(jì)優(yōu)化，完善熱力學(xué)性能和調(diào)峰性能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組相比于傳統(tǒng)機(jī)組更容易實(shí)現(xiàn)碳補(bǔ)集，具有更好的調(diào)峰性能優(yōu)勢(shì)，因此，應(yīng)加大推廣600 ℃及以上二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，積極研發(fā)700 ℃等級(jí)二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，提高機(jī)組能效，降低碳排放量，并實(shí)施碳補(bǔ)集。如果將現(xiàn)有落后的中小型燃煤機(jī)組淘汰，而采用高參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組來替代1億kW容量的中小型燃煤機(jī)組，則度電煤耗可降低20 g/(kW·h)，每年可減碳0.15億t。

2.3 積極研發(fā)燃煤發(fā)電機(jī)組適用的節(jié)能低碳 技術(shù)

燃煤發(fā)電機(jī)組要想有長(zhǎng)期發(fā)展的空間，必須依賴于低碳技術(shù)的突破。發(fā)展經(jīng)濟(jì)、可靠的低碳技術(shù)，降低燃煤機(jī)組的碳排放量，使燃煤機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)超低碳排放，則燃煤機(jī)組還會(huì)保持旺盛的生命力。我國(guó)一直非常重視燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新，在燃煤清潔低排放領(lǐng)域占據(jù)世界領(lǐng)先水平，已建成全球最大的清潔煤電供應(yīng)體系，排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，我國(guó)具備煤炭清潔高效低碳利用的潛力。因此要積極發(fā)展適用于燃煤機(jī)組的節(jié)能低碳技術(shù)，促進(jìn)CCUS等技術(shù)研發(fā)，加快碳捕捉、封存和二次利用技術(shù)進(jìn)步[5]。目前，煤電應(yīng)用CCUS的成本偏高，能耗增加24%~40%，投資增加20%~30%，效率損失8%~15%，綜合發(fā)電成本增加70%以上[19]。目前CCUS技術(shù)有待進(jìn)一步降低應(yīng)用成本，減少運(yùn)行過程中的能耗。

2.4 努力提升燃煤發(fā)電機(jī)組的靈活調(diào)峰能力，加強(qiáng)其與可再生能源的耦合互補(bǔ)

未來我國(guó)能源結(jié)構(gòu)將向多元結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，需要互相發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、協(xié)調(diào)互補(bǔ)。燃煤發(fā)電機(jī)組的靈活調(diào)峰能力要求將越來越高，煤電要充分發(fā)揮基礎(chǔ)保障作用，承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能，提升電力系統(tǒng)應(yīng)急備用和調(diào)峰能力。處理好新能源與燃煤機(jī)組基礎(chǔ)保障的關(guān)系，尤其是電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)，常規(guī)火電機(jī)組還將發(fā)揮重要作用。加強(qiáng)燃煤機(jī)組與新能源進(jìn)行集成創(chuàng)新，采用多能互補(bǔ)耦合技術(shù)，面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，通過熱電冷三聯(lián)供、分布式可再生能源、智能微電網(wǎng)等方式，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)、能源綜合梯級(jí)利用及清潔低碳、安全高效供能用能。因此，對(duì)煤電進(jìn)行靈活性改造，提升靈活調(diào)節(jié)的比重，發(fā)展“新能源+儲(chǔ)能+火力發(fā)電”等模式將是未來發(fā)展趨勢(shì)。但調(diào)峰過程中要遵循一個(gè)原則，即不能損害經(jīng)濟(jì)性，能量要依據(jù)梯級(jí)利用的原則充分利用。能源調(diào)峰靈活性要考慮經(jīng)濟(jì)性，做到靈活性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，在調(diào)峰過程中努力實(shí)現(xiàn)節(jié)能和高效。

2.5 積極發(fā)展燃煤機(jī)組碳中和多聯(lián)產(chǎn)

積極發(fā)展燃煤機(jī)組碳中和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單元內(nèi)的碳中和。具體思路如下：一是燃煤電廠耦合生物質(zhì)、固廢發(fā)電，燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)、固廢混燒技術(shù)可以降低二氧化碳排放，燃煤電廠耦合固廢發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)資源綜合利用，如荷蘭鹿特丹的MPP3 電廠就采取“超超臨界參數(shù)+生物質(zhì)混燒+區(qū)域供熱”的二氧化碳深度節(jié)能減碳技術(shù)路線[20]，是綠色燃煤發(fā)電的良好示范。二是積極發(fā)展分布式能源技術(shù)[21-23]，研發(fā)多能互補(bǔ)的分布式綜合供能系統(tǒng)[24]。三是積極研發(fā)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品的有效途徑，如利用二氧化碳制甲醇、烯烴等。朱維群等[19]提出化石能源固碳利用新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示，將化石能源與空分出來的純氧和水進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成二氧化碳，在能量釋放后將所產(chǎn)生的二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定固體產(chǎn)物1,3,5-均三嗪三醇(C3H3N3O3)，反應(yīng)過程中釋放的能量和剩余氫作為清潔能源進(jìn)行利用。

圖2 化石能源固碳利用示意圖 Fig. 2 Schematic diagram of carbon sequestration of fossil energy

3 燃煤發(fā)電行業(yè)低碳發(fā)展建議

3.1 加強(qiáng)燃煤發(fā)電行業(yè)低碳技術(shù)攻關(guān)

圍繞雙碳目標(biāo)加快推進(jìn)燃煤發(fā)電低碳技術(shù)基礎(chǔ)理論和技術(shù)裝備創(chuàng)新，圍繞低成本、長(zhǎng)壽命、高安全性的目標(biāo)研發(fā)低碳技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)。開展低碳技術(shù)裝備與多能互補(bǔ)技術(shù)開發(fā)，加強(qiáng)儲(chǔ)能及多能互補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用。發(fā)展多能互補(bǔ)技術(shù)，研發(fā)可再生能源與化石能源熱化學(xué)互補(bǔ)的分布式電冷熱聯(lián)供技術(shù)，根據(jù)終端用戶不同需求，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用。

3.2 從全生命周期角度出發(fā)加強(qiáng)燃煤發(fā)電行業(yè)碳排放核算

對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組全生命周期碳排放進(jìn)行考核，將燃煤發(fā)電行業(yè)全生命周期碳排放的考核納入碳交易體系，采用市場(chǎng)化手段促進(jìn)燃煤機(jī)組技術(shù)進(jìn)步和提升，不要“一刀切”地限制煤電發(fā)展。要綜合考慮發(fā)電機(jī)組全生命周期的節(jié)材、節(jié)水、節(jié)能、低碳及循環(huán)利用，而相應(yīng)的檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)芰σ约靶袠I(yè)企業(yè)的研發(fā)能力、生產(chǎn)工藝水平、綠色設(shè)計(jì)理念、系統(tǒng)成套能力等都要相應(yīng)提升。從燃煤發(fā)電機(jī)組的生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment，LCA)方法、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件工具方面進(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用，計(jì)算碳排放量以及能效提升對(duì)低碳的貢獻(xiàn)量。

3.3 加大對(duì)燃煤發(fā)電行業(yè)低碳技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)的制定力度

目前針對(duì)節(jié)能低碳技術(shù)裝備的標(biāo)準(zhǔn)制定很少，建議加大燃煤發(fā)電行業(yè)節(jié)能低碳標(biāo)準(zhǔn)的制定力度，進(jìn)一步支撐低碳工作的開展。以提升標(biāo)準(zhǔn)綜合性、系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性和先進(jìn)性為重點(diǎn)，加強(qiáng)燃煤發(fā)電行業(yè)節(jié)能、綠色、低碳標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，夯實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化綠色低碳發(fā)展基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，我國(guó)長(zhǎng)期以煤為主導(dǎo)的化石能源結(jié)構(gòu)需要深刻轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電行業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)與迫切的轉(zhuǎn)型需求，燃煤發(fā)電行業(yè)必須走綠色低碳發(fā)展道路，在保障“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的前提下積極探索高效清潔低碳發(fā)展路徑，尋求更多發(fā)展空間。通過分析燃煤發(fā)電行業(yè)在國(guó)家雙碳目標(biāo)的要求下所面臨的問題和挑戰(zhàn)，提出燃煤發(fā)電行業(yè)低碳發(fā)展的路徑建議，具體結(jié)論如下：

1）燃煤發(fā)電行業(yè)肩負(fù)雙碳目標(biāo)的重任，必須努力作為，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈亟需產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，迫切需要尋找新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

2）燃煤發(fā)電行業(yè)通過提升現(xiàn)有機(jī)組的能效水平、大力發(fā)展高效超低排放的高參數(shù)發(fā)電機(jī)組來替代中小型燃煤機(jī)組、積極推廣應(yīng)用低碳技術(shù)、開展生態(tài)多聯(lián)產(chǎn)、提升煤電機(jī)組的靈活調(diào)峰能力、加強(qiáng)與可再生能源的耦合發(fā)展等低碳發(fā)展路徑，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)單元的碳中和，從而為煤電行業(yè)發(fā)展?fàn)幦「嗌婵臻g。如果低碳技術(shù)從經(jīng)濟(jì)性上能夠得到突破，燃煤發(fā)電行業(yè)仍將具有廣闊的發(fā)展空間。

3）在政策層面上，建議加強(qiáng)對(duì)燃煤發(fā)電行業(yè)低碳技術(shù)攻關(guān)，從全生命周期角度出發(fā)加強(qiáng)燃煤發(fā)電行業(yè)碳排放核算，加大對(duì)燃煤發(fā)電行業(yè)低碳技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)的制定力度。以碳排放量結(jié)果考核的市場(chǎng)化手段倒逼燃煤發(fā)電行業(yè)轉(zhuǎn)型，使燃煤發(fā)電行業(yè)通過技術(shù)革新實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，不要“一刀切”地限制煤電發(fā)展。