碳中和｜燃煤發(fā)電碳中和路徑

2020 年 9 月 22 日，我國向世界鄭重承諾，二氧化碳排放力爭 2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。這不僅彰顯了我國積極應對氣候變化、推動構建人類命運共同體的責任擔當，也是我國加快形成綠色發(fā)展方式、大力建設生態(tài)文明、促進綠色低碳高質量發(fā)展的重要舉措。2020 年中央經濟工作會議明確將“做好碳達峰、碳中和工作”列為 2021 年八大重點任務之一，提出大力調整能源結構，推進能源體系清潔低碳發(fā)展，穩(wěn)步推進水電發(fā)展，安全發(fā)展核電，加快光伏和風電發(fā)展，加快構建適應高比例可再生能源發(fā)展的新型電力系統，推動低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源。

 

《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經濟體系的指導意見》中明確提出，要推動能源體系綠色低碳轉型，促進綠色低碳技術研發(fā)和推廣。生態(tài)環(huán)境部《關于統籌和加強應對氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護相關工作的指導意見》中明確指出，能源等領域要抓緊制定 2030 年前二氧化碳排放達峰行動方案。2021 年 4 月 22 日，習近平主席在“領導人氣候峰會”上提出，中國將嚴控煤電項目，“十四五”時期嚴控煤炭消費增長，“十五五”時期逐步減少。

由此可以看出，新建燃煤發(fā)電項目將受到嚴格控制，傳統燃煤發(fā)電行業(yè)將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。受資源稟賦影響，以煤為主導的化石能源長期在我國能源結構中占主導地位，2019 年中國煤炭消費占能源消費總量的 57.7%。截至 2020 年底，全國煤電裝機容量達 10.8 億 kW，占全球總裝機容量的一半。根據全球能源互聯網組織關于《中國 2030 年前碳達峰研究報告》預測，2025年煤電達峰，峰值為 11 億 kW，2030 年控制煤電下降至10.5億kW。“碳達峰、碳中和”目標將倒逼發(fā)電行業(yè)能源結構、產業(yè)結構、經濟結構發(fā)生深刻變化和轉型升級。因此在保障實現“碳達峰、碳中和”目標的前提下，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)在雙碳目標下的挑戰(zhàn)

1.1 燃煤發(fā)電領域在實現雙碳目標中任務艱巨

化石能源利用是我國主要的二氧化碳排放源，我國能源領域二氧化碳排放來源如圖 1所示。能源生產與轉換環(huán)節(jié)占能源活動碳排放比重為 47%，煤炭終端燃燒排放占比 35%，減排任務艱巨。如果燃煤發(fā)電領域要實現碳中和，就需要控制碳排放量。在雙碳目標下，電力系統面臨重大結構性調整，包括淘汰和改造現有化石能源發(fā)電機組，化石能源機組配備碳捕獲、利用與封存(carbon capture, utilization and storage，CCUS)裝置，提高清潔能源占比等。我國能源結構要轉型，面臨高碳能源資產累積規(guī)?？偭看蟆⑥D型困難的挑戰(zhàn)，必須做出更大的努力，從根本上轉變發(fā)展方式。

1.2 傳統燃煤發(fā)電產業(yè)鏈亟需產業(yè)轉型

習近平在氣候雄心峰會上宣布，到 2030 年，非化石能源占一次能源消費比重將達到 25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到 12 億 kW以上。因此，國家將大力發(fā)展可再生能源，降低化石能源的比重，燃煤機組容量將進一步削減。而傳統燃煤發(fā)電產業(yè)鏈將受到嚴重沖擊，亟需產業(yè)轉型，尋找新的經濟增長點。例如三大動力主要以火力發(fā)電設備制造及系統成套為主，預計3~5 年后火力發(fā)電機組的訂單將大量減少，三大動力及其產業(yè)鏈配套企業(yè)需要盡快發(fā)展新的綠色產業(yè)增長點，盡早實施產業(yè)轉型。

中國要實現碳中和，必須大力推動風電、光伏等可再生能源發(fā)展，積極發(fā)展水能、地熱能、海洋能、氫能、生物質能、光熱發(fā)電等新能源。例如，太陽能預計到 2060 年容量會是現在的70多倍。因此，傳統火電產業(yè)的鏈條將受到強烈沖擊，同時將會催生巨大的新興電力產業(yè)，這對發(fā)電設備產業(yè)鏈上下游將產生顛覆性影響。

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)要積極轉型、及早布局，盡快向低碳與綠色發(fā)展方式轉型。燃煤機組要與新能源發(fā)展耦合發(fā)展，提升煤電機組的靈活調峰能力，與新能源優(yōu)勢互補，發(fā)揮好燃煤機組基礎保障的作用；要努力提升現有燃煤機組水平，積極研究和推廣應用低碳技術，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發(fā)電機組，以替代落后的中小型燃煤機組。

2.1 提高燃煤發(fā)電機組能效

在短期內，對燃煤發(fā)電機組進行技術改造并提升能效是最務實、最有效的做法，提高燃煤機組性能是重要的低碳發(fā)展路徑。根據聯合國統計數據可知，節(jié)能對低碳的貢獻度達到 37%。因此，提升燃煤機組的能效水平就是對低碳做貢獻。建議對現役燃煤機組加強技術改造，提高燃煤機組供電煤耗要求，如國電集團宿遷電廠的二次再熱超超臨界機組發(fā)電煤耗已達到 255 g/(kW·h)；對主要用能設備和輔機設備進行能效提升，如實施煙氣余熱深度利用技術，采用空壓機余熱利用技術等加強系統余熱、余能利用；采用先進節(jié)能、節(jié)水技術對電機系統(包括風機、水泵、壓縮機等電機驅動設備)，以及鍋爐、變壓器等進行技術改造，如采用新型球磨機直驅永磁同步電動機系統、永磁渦流柔性傳動節(jié)能技術提高電機系統的能效，實現生產過程的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材和超低排放。

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

積極發(fā)展采用低碳技術的高參數、高效二次再熱燃煤發(fā)電機組，淘汰落后的中小型燃煤機組，實現燃煤機組的轉型升級。要進一步研發(fā)高參數超超臨界機組系統深度耦合技術，實現基于參數匹配的結構總成與系統集成的全新機爐一體的設計優(yōu)化，完善熱力學性能和調峰性能，進一步提高系統效率。二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電機組相比于傳統機組更容易實現碳補集，具有更好的調峰性能優(yōu)勢，因此，應加大推廣 600 ℃及以上二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電機組，積極研發(fā) 700 ℃等級二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電機組，提高機組能效，降低碳排放量，并實施碳補集。如果將現有落后的中小型燃煤機組淘汰，而采用高參數燃煤發(fā)電機組來替代 1 億 kW 容量的中小型燃煤機組，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)電機組適用的節(jié)能低碳技術

燃煤發(fā)電機組要想有長期發(fā)展的空間，必須依賴于低碳技術的突破。發(fā)展經濟、可靠的低碳技術，降低燃煤機組的碳排放量，使燃煤機組能夠實現超低碳排放，則燃煤機組還會保持旺盛的生命力。我國一直非常重視燃煤發(fā)電技術創(chuàng)新，在燃煤清潔低排放領域占據世界領先水平，已建成全球最大的清潔煤電供應體系，排放標準達到了世界領先水平，我國具備煤炭清潔高效低碳利用的潛力。因此要積極發(fā)展適用于燃煤機組的節(jié)能低碳技術，促進 CCUS 等技術研發(fā)，加快碳捕捉、封存和二次利用技術進步。目前，煤電應用 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。目前 CCUS 技術有待進一步降低應用成本，減少運行過程中的能耗。

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

未來我國能源結構將向多元結構方向發(fā)展，需要互相發(fā)揮優(yōu)勢、協調互補。燃煤發(fā)電機組的靈活調峰能力要求將越來越高，煤電要充分發(fā)揮基礎保障作用，承擔系統調節(jié)功能，提升電力系統應急備用和調峰能力。處理好新能源與燃煤機組基礎保障的關系，尤其是電網高峰負荷時，常規(guī)火電機組還將發(fā)揮重要作用。加強燃煤機組與新能源進行集成創(chuàng)新，采用多能互補耦合技術，面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，通過熱電冷三聯供、分布式可再生能源、智能微電網等方式，實現多能協同供應、能源綜合梯級利用及清潔低碳、安全高效供能用能。因此，對煤電進行靈活性改造，提升靈活調節(jié)的比重，發(fā)展“新能源+儲能+火力發(fā)電”等模式將是未來發(fā)展趨勢。但調峰過程中要遵循一個原則，即不能損害經濟性，能量要依據梯級利用的原則充分利用。能源調峰靈活性要考慮經濟性，做到靈活性與經濟性的統一，在調峰過程中努力實現節(jié)能和高效。

2.5 積極發(fā)展燃煤機組碳中和多聯產

積極發(fā)展燃煤機組碳中和多聯產系統，實現系統單元內的碳中和。具體思路如下：一是燃煤電廠耦合生物質、固廢發(fā)電，燃煤鍋爐耦合生物質、固廢混燒技術可以降低二氧化碳排放，燃煤電廠耦合固廢發(fā)電可以實現資源綜合利用，如荷蘭鹿特丹的 MPP3 電廠就采取“超超臨界參數+生物質混燒+區(qū)域供熱”的二氧化碳深度節(jié)能減碳技術路線，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，研發(fā)多能互補的分布式綜合供能系統。三是積極研發(fā)將二氧化碳轉化為化學品的有效途徑，如利用二氧化碳制甲醇、烯烴等。朱維群等提出化石能源固碳利用新技術，實現流程如圖 2 所示，將化石能源與空分出來的純氧和水進行氣化反應，生成二氧化碳，在能量釋放后將所產生的二氧化碳直接轉化為穩(wěn)定固體產物 1,3,5-均三嗪三醇(C3H3N3O3)，反應過程中釋放的能量和剩余氫作為清潔能源進行利用。

3 燃煤發(fā)電行業(yè)低碳發(fā)展建議

3.1 加強燃煤發(fā)電行業(yè)低碳技術攻關

圍繞雙碳目標加快推進燃煤發(fā)電低碳技術基礎理論和技術裝備創(chuàng)新，圍繞低成本、長壽命、高安全性的目標研發(fā)低碳技術和儲能技術。開展低碳技術裝備與多能互補技術開發(fā)，加強儲能及多能互補技術應用。發(fā)展多能互補技術，研發(fā)可再生能源與化石能源熱化學互補的分布式電冷熱聯供技術，根據終端用戶不同需求，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用。

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

對燃煤發(fā)電機組全生命周期碳排放進行考核，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，采用市場化手段促進燃煤機組技術進步和提升，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，而相應的檢測試驗能力以及行業(yè)企業(yè)的研發(fā)能力、生產工藝水平、綠色設計理念、系統成套能力等都要相應提升。從燃煤發(fā)電機組的生命周期評價(life cycle assessment，LCA)方法、數據庫、軟件工具方面進行開發(fā)與應用，計算碳排放量以及能效提升對低碳的貢獻量。

3.3 加大對燃煤發(fā)電行業(yè)低碳技術裝備標準的制定力度

目前針對節(jié)能低碳技術裝備的標準制定很少，建議加大燃煤發(fā)電行業(yè)節(jié)能低碳標準的制定力度，進一步支撐低碳工作的開展。以提升標準綜合性、系統性、協調性和先進性為重點，加強燃煤發(fā)電行業(yè)節(jié)能、綠色、低碳標準體系建設，夯實標準化綠色低碳發(fā)展基礎。

4 結論

為實現“碳達峰、碳中和”目標，我國長期以煤為主導的化石能源結構需要深刻轉型，傳統燃煤發(fā)電行業(yè)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)與迫切的轉型需求，燃煤發(fā)電行業(yè)必須走綠色低碳發(fā)展道路，在保障“碳達峰、碳中和”目標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)在國家雙碳目標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，具體結論如下：

1）燃煤發(fā)電行業(yè)肩負雙碳目標的重任，必須努力作為，實現產業(yè)綠色低碳轉型。傳統燃煤發(fā)電產業(yè)鏈亟需產業(yè)轉型，迫切需要尋找新的經濟增長點。

2）燃煤發(fā)電行業(yè)通過提升現有機組的能效水平、大力發(fā)展高效超低排放的高參數發(fā)電機組來替代中小型燃煤機組、積極推廣應用低碳技術、開展生態(tài)多聯產、提升煤電機組的靈活調峰能力、加強與可再生能源的耦合發(fā)展等低碳發(fā)展路徑，實現了系統單元的碳中和，從而為煤電行業(yè)發(fā)展爭取更多生存空間。如果低碳技術從經濟性上能夠得到突破，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，建議加強對燃煤發(fā)電行業(yè)低碳技術攻關，從全生命周期角度出發(fā)加強燃煤發(fā)電行業(yè)碳排放核算，加大對燃煤發(fā)電行業(yè)低碳技術裝備標準的制定力度。以碳排放量結果考核的市場化手段倒逼燃煤發(fā)電行業(yè)轉型，使燃煤發(fā)電行業(yè)通過技術革新實現低碳發(fā)展，不要“一刀切”地限制煤電發(fā)展。 本/文-內/容/來/自:中-國-碳-排-放-網-tan pai fang . com

文/趙春生 楊君君 王婧 段立強，華能北京熱電有限責任公司 華北電力大學能源動力與機械工程學院，發(fā)電技術