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(xiàn)碳中和。這不僅彰顯了我國積極應(yīng)對氣候變化、推動構(gòu)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(shè)生態(tài)文明、促進綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。2020 年中央經(jīng)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(wù)之一，提出大力調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，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(gòu)建適應(yīng)高比例可再生能源發(fā)展的新型電力系統(tǒng)，推動低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源。

 

《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》中明確提出，要推動能源體系綠色低碳轉(zhuǎn)型，促進綠色低碳技術(shù)研發(fā)和推廣。生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于統(tǒng)籌和加強應(yīng)對氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護相關(guān)工作的指導意見》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峰行動方案。2021 年 4 月 22 日，習近平主席在“領(lǐng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)組織關(guān)于《中國 2030 年前碳達峰研究報告》預(yù)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(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化和轉(zhuǎn)型升級。因此在保障實現(xiàn)“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(lǐng)域在實現(xiàn)雙碳目標中任務(wù)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(lǐng)域二氧化碳排放來源如圖 1所示。能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)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(wù)艱巨。如果燃煤發(fā)電領(lǐng)域要實現(xiàn)碳中和，就需要控制碳排放量。在雙碳目標下，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(jié)構(gòu)要轉(zhuǎn)型，面臨高碳能源資產(chǎn)累積規(guī)?？偭看蟆⑥D(zhuǎn)型困難的挑戰(zhàn)，必須做出更大的努力，從根本上轉(zhuǎn)變發(fā)展方式。

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(tǒng)燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈將受到嚴重沖擊，亟需產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，尋找新的經(jīng)濟增長點。例如三大動力主要以火力發(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(chǎn)業(yè)鏈配套企業(yè)需要盡快發(fā)展新的綠色產(chǎn)業(yè)增長點，盡早實施產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。

中國要實現(xiàn)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(zhì)能、光熱發(fā)電等新能源。例如，太陽能預(yù)計到 2060 年容量會是現(xiàn)在的70多倍。因此，傳統(tǒng)火電產(chǎn)業(yè)的鏈條將受到強烈沖擊，同時將會催生巨大的新興電力產(chǎn)業(yè)，這對發(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。燃煤機組要與新能源發(fā)展耦合發(fā)展，提升煤電機組的靈活調(diào)峰能力，與新能源優(yōu)勢互補，發(fā)揮好燃煤機組基礎(chǔ)保障的作用；要努力提升現(xiàn)有燃煤機組水平，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(nèi)，對燃煤發(fā)電機組進行技術(shù)改造并提升能效是最務(wù)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(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(xiàn)役燃煤機組加強技術(shù)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(shè)備和輔機設(shè)備進行能效提升，如實施煙氣余熱深度利用技術(shù)，采用空壓機余熱利用技術(shù)等加強系統(tǒng)余熱、余能利用；采用先進節(jié)能、節(jié)水技術(shù)對電機系統(tǒng)(包括風機、水泵、壓縮機等電機驅(qū)動設(shè)備)，以及鍋爐、變壓器等進行技術(shù)改造，如采用新型球磨機直驅(qū)永磁同步電動機系統(tǒng)、永磁渦流柔性傳動節(jié)能技術(shù)提高電機系統(tǒng)的能效，實現(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)電機組替代中小型燃煤機組

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)電機組，淘汰落后的中小型燃煤機組，實現(xiàn)燃煤機組的轉(zhuǎn)型升級。要進一步研發(fā)高參數(shù)超超臨界機組系統(tǒng)深度耦合技術(shù)，實現(xiàn)基于參數(shù)匹配的結(jié)構(gòu)總成與系統(tǒng)集成的全新機爐一體的設(shè)計優(yōu)化，完善熱力學性能和調(diào)峰性能，進一步提高系統(tǒng)效率。二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電機組相比于傳統(tǒng)機組更容易實現(xiàn)碳補集，具有更好的調(diào)峰性能優(yōu)勢，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(xiàn)有落后的中小型燃煤機組淘汰，而采用高參數(shù)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(shù)

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(shù)的突破。發(fā)展經(jīng)濟、可靠的低碳技術(shù)，降低燃煤機組的碳排放量，使燃煤機組能夠?qū)崿F(xiàn)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(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，排放標準達到了世界領(lǐng)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(shù)，促進 CCUS 等技術(shù)研發(fā)，加快碳捕捉、封存和二次利用技術(shù)進步。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。目前 CCUS 技術(shù)有待進一步降低應(yīng)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(diào)峰能力，加強其與可再生能源的耦合互補

未來我國能源結(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、協(xié)調(diào)互補。燃煤發(fā)電機組的靈活調(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組基礎(chǔ)保障的關(guān)系，尤其是電網(wǎng)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(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，實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)、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(diào)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(diào)峰過程中要遵循一個原則，即不能損害經(jīng)濟性，能量要依據(jù)梯級利用的原則充分利用。能源調(diào)峰靈活性要考慮經(jīng)濟性，做到靈活性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一，在調(diào)峰過程中努力實現(xiàn)節(jié)能和高效。

2.5 積極發(fā)展燃煤機組碳中和多聯(lián)產(chǎn)

積極發(fā)展燃煤機組碳中和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，實現(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，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)，研發(fā)多能互補的分布式綜合供能系統(tǒng)。三是積極研發(fā)將二氧化碳轉(zhuǎn)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(shù)，實現(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(shù)攻關(guān)

圍繞雙碳目標加快推進燃煤發(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、長壽命、高安全性的目標研發(fā)低碳技術(shù)和儲能技術(shù)。開展低碳技術(shù)裝備與多能互補技術(shù)開發(fā)，加強儲能及多能互補技術(shù)應(yīng)用。發(fā)展多能互補技術(shù)，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(lián)供技術(shù)，根據(jù)終端用戶不同需求，實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)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(shù)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(yīng)的檢測試驗?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)計理念、系統(tǒng)成套能力等都要相應(yīng)提升。從燃煤發(fā)電機組的生命周期評價(life cycle assessment，LCA)方法、數(shù)據(jù)庫、軟件工具方面進行開發(fā)與應(yīng)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(shù)裝備標準的制定力度

目前針對節(jié)能低碳技術(shù)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(tǒng)性、協(xié)調(diào)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(shè)，夯實標準化綠色低碳發(fā)展基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，我國長期以煤為主導的化石能源結(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(jié)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(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)濟增長點。

2）燃煤發(fā)電行業(yè)通過提升現(xiàn)有機組的能效水平、大力發(fā)展高效超低排放的高參數(shù)發(fā)電機組來替代中小型燃煤機組、積極推廣應(yīng)用低碳技術(shù)、開展生態(tài)多聯(lián)產(chǎn)、提升煤電機組的靈活調(diào)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(xiàn)了系統(tǒng)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(shù)從經(jīng)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(shù)攻關(guān)，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(shù)裝備標準的制定力度。以碳排放量結(jié)果考核的市場化手段倒逼燃煤發(fā)電行業(yè)轉(zhuǎn)型，使燃煤發(fā)電行業(yè)通過技術(shù)革新實現(xiàn)低碳發(fā)展，不要“一刀切”地限制煤電發(fā)展。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-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(shù)