燃煤發電行業低碳發展路徑研究

趙春生，楊君君，王婧，段立強

（1．華能北京熱電有限責任公司，北京市 昌平區 102206； 2．華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京市 昌平區 102206）

0 引言

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[1]。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展方式、大力建設生態文明、促進綠色低碳高質量發展的重要舉措[2]。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[3]，提出大力調整能源結構，推進能源體系清潔低碳發展，穩步推進水電發展，安全發展核電，加快光伏和風電發展，加快構建適應高比例可再生能源發展的新型電力系統，推動低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源[4-6]。《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環發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和推廣[6]。生態環境部《關于統籌和加強應對氣候變化與生態環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[7]。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[8]。

由此可以看出，新建燃煤發電項目將受到嚴格控制，傳統燃煤發電行業將面臨嚴峻挑戰。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%[9-10]。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[11-12]。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[12]。“碳達峰、碳中和”目標將倒逼發電行業能源結構、產業結構、經濟結構發生深刻變化和轉型升級[13-18]。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電是需要深入研究的課題。

1 燃煤發電行業在雙碳目標下的挑戰

1.1 燃煤發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[12]所示。能源生產與轉換環節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[11-12]。如果燃煤發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[19]。我國能源結構要轉型，面臨高碳能源資產累積規模總量大、轉型困難的挑戰[13]，必須做出更大的努力，從根本上轉變發展方式。

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

1.2 傳統燃煤發電產業鏈亟需產業轉型

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、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上[8]。因此，國家將大力發展可再生能源，降低化石能源的比重，燃煤機組容量將進一步削減。而傳統燃煤發電產業鏈將受到嚴重沖擊，亟需產業轉型，尋找新的經濟增長點。例如三大動力主要以火力發電設備制造及系統成套為主，預計3~5年后火力發電機組的訂單將大量減少，三大動力及其產業鏈配套企業需要盡快發展新的綠色產業增長點，盡早實施產業轉型。

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展，積極發展水能、地熱能、海洋能、氫能、生物質能、光熱發電等新能源。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，這對發電設備產業鏈上下游將產生顛覆性影響。

2 燃煤發電行業低碳與綠色發展路徑

燃煤發電行業要積極轉型、及早布局，盡快向低碳與綠色發展方式轉型。燃煤機組要與新能源發展耦合發展，提升煤電機組的靈活調峰能力，與新能源優勢互補，發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；要發展高效超低排放的高參數發電機組，以替代落后的中小型燃煤機組。

2.1 提高燃煤發電機組能效

在短期內，對燃煤發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展路徑。根據聯合國統計數據可知，節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；采用先進節能、節水技術對電機系統(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能技術提高電機系統的 能效，實現生產過程的節能、節水、節材和超低排放。

2.2 采用大型高參數高效超低碳排放的燃煤發電機組替代中小型燃煤機組

積極發展采用低碳技術的高參數、高效二次再熱燃煤發電機組，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勢，因此，應加大推廣600 ℃及以上二次再熱超超臨界燃煤發電機組，積極研發700 ℃等級二次再熱超超臨界燃煤發電機組，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 積極研發燃煤發電機組適用的節能低碳 技術

燃煤發電機組要想有長期發展的空間，必須依賴于低碳技術的突破。發展經濟、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電技術創新，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。因此要積極發展適用于燃煤機組的節能低碳技術，促進CCUS等技術研發，加快碳捕捉、封存和二次利用技術進步[5]。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%，綜合發電成本增加70%以上[19]。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展，需要互相發揮優勢、協調互補。燃煤發電機組的靈活調峰能力要求將越來越高，煤電要充分發揮基礎保障作用，承擔系統調節功能，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，常規火電機組還將發揮重要作用。加強燃煤機組與新能源進行集成創新，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，提升靈活調節的比重，發展“新能源+儲能+火力發電”等模式將是未來發展趨勢。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能和高效。

2.5 積極發展燃煤機組碳中和多聯產

積極發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+區域供熱”的二氧化碳深度節能減碳技術路線[20]，是綠色燃煤發電的良好示范。二是積極發展分布式能源技術[21-23]，研發多能互補的分布式綜合供能系統[24]。三是積極研發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[19]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。

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

3 燃煤發電行業低碳發展建議

3.1 加強燃煤發電行業低碳技術攻關

圍繞雙碳目標加快推進燃煤發電低碳技術基礎理論和技術裝備創新，圍繞低成本、長壽命、高安全性的目標研發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，加強儲能及多能互補技術應用。發展多能互補技術，研發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加強燃煤發電行業碳排放核算

對燃煤發電機組全生命周期碳排放進行考核，將燃煤發電行業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”地限制煤電發展。要綜合考慮發電機組全生命周期的節材、節水、節能、低碳及循環利用，而相應的檢測試驗能力以及行業企業的研發能力、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 加大對燃煤發電行業低碳技術裝備標準的制定力度

目前針對節能低碳技術裝備的標準制定很少，建議加大燃煤發電行業節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，加強燃煤發電行業節能、綠色、低碳標準體系建設，夯實標準化綠色低碳發展基礎。

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，傳統燃煤發電行業面臨嚴峻的挑戰與迫切的轉型需求，燃煤發電行業必須走綠色低碳發展道路，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展路徑，尋求更多發展空間。通過分析燃煤發電行業在國家雙碳目標的要求下所面臨的問題和挑戰，提出燃煤發電行業低碳發展的路徑建議，具體結論如下：

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

2）燃煤發電行業通過提升現有機組的能效水平、大力發展高效超低排放的高參數發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展等低碳發展路徑，實現了系統單元的碳中和，從而為煤電行業發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，燃煤發電行業仍將具有廣闊的發展空間。

3）在政策層面上，建議加強對燃煤發電行業低碳技術攻關，從全生命周期角度出發加強燃煤發電行業碳排放核算，加大對燃煤發電行業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電行業轉型，使燃煤發電行業通過技術革新實現低碳發展，不要“一刀切”地限制煤電發展。