文/趙春生 楊君君 王婧 段立強,華能北京熱電有限責(zé)任公司 華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院,發(fā)電技術(shù)
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(dá)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(zé)任擔(dān)當(dāng),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(jìn)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。2020 年中央經(jīng)濟(jì)工作會議明確將“做好碳達(dá)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(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(jì)體系的指導(dǎo)意見》中明確提出,要推動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。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(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)峰行動方案。2021 年 4 月 22 日,習(xí)近平主席在“領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會”上提出,中國將嚴(yán)控煤電項目,“十四五”時期嚴(yán)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(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)的化石能源長期在我國能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)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(jī)容量達(dá) 10.8 億 kW,占全球總裝機(jī)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(dá)峰研究報告》預(yù)測,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。“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。因此在保障實現(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)域在實現(xiàn)雙碳目標(biāo)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(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。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)模總量大、轉(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(xí)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(dá)到 25%左右,風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)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(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(jī)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(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?、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(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)勢互補,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、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)合國統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,節(jié)能對低碳的貢獻(xiàn)度達(dá)到 37%。因此,提升燃煤機(jī)組的能效水平就是對低碳做貢獻(xiàn)。建議對現(xiàn)役燃煤機(jī)組加強技術(shù)改造,提高燃煤機(jī)組供電煤耗要求,如國電集團(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);對主要用能設(shè)備和輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行能效提升,如實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)等加強系統(tǒng)余熱、余能利用;采用先進(jìn)節(jié)能、節(jié)水技術(shù)對電機(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)永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)、永磁渦流柔性傳動節(jié)能技術(shù)提高電機(jī)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(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,實現(xiàn)燃煤機(jī)組的轉(zhuǎn)型升級。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(jī)組,積極研發(fā) 700 ℃等級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,并實施碳補集。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(biāo)準(zhǔn)達(dá)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(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。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(jìn)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(jī)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(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,常規(guī)火電機(jī)組還將發(fā)揮重要作用。加強燃煤機(jī)組與新能源進(jìn)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(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(jì)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(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(xué)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(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。
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(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、長壽命、高安全性的目標(biāo)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(xué)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(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(jī)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(jìn)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(xiàn)量。
3.3 加大對燃煤發(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,加強燃煤發(fā)電行業(yè)節(jié)能、綠色、低碳標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè),夯實標(biāo)準(zhǔn)化綠色低碳發(fā)展基礎(chǔ)。
4 結(jié)論
為實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),我國長期以煤為主導(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)增長點。
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?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(biāo)準(zhǔn)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。
原標(biāo)題:燃煤發(fā)電碳中和路徑