燃煤发电行业低碳发展路径研究

赵春生，杨君君，王婧，段立强

（1．华能北京热电有限责任公司，北京市 昌平区 102206； 2．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市 昌平区 102206）

0 引言

2020年9月22日，我国向世界郑重承诺，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。这不仅彰显了我国积极应对气候变化、推动构建人类命运共同体的责任担当，也是我国加快形成绿色发展方式、大力建设生态文明、促进绿色低碳高质量发展的重要举措[2]。2020年中央经济工作会议明确将“做好碳达峰、碳中和工作”列为2021年八大重点任务之一[3]，提出大力调整能源结构，推进能源体系清洁低碳发展，稳步推进水电发展，安全发展核电，加快光伏和风电发展，加快构建适应高比例可再生能源发展的新型电力系统，推动低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源[4-6]。《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》中明确提出，要推动能源体系绿色低碳转型，促进绿色低碳技术研发和推广[6]。生态环境部《关于统筹和加强应对气候变化与生态环境保护相关工作的指导意见》中明确指出，能源等领域要抓紧制定2030年前二氧化碳排放达峰行动方案[7]。2021年4月22日，习近平主席在“领导人气候峰会”上提出，中国将严控煤电项目，“十四五”时期严控煤炭消费增长，“十五五”时期逐步减少[8]。

由此可以看出，新建燃煤发电项目将受到严格控制，传统燃煤发电行业将面临严峻挑战。受资源禀赋影响，以煤为主导的化石能源长期在我国能源结构中占主导地位，2019年中国煤炭消费占能源消费总量的57.7%[9-10]。截至2020年底，全国煤电装机容量达10.8亿kW，占全球总装机容量的一半[11-12]。根据全球能源互联网组织关于《中国2030年前碳达峰研究报告》预测，2025年煤电达峰，峰值为11亿kW，2030年控制煤电下降至10.5亿kW[12]。“碳达峰、碳中和”目标将倒逼发电行业能源结构、产业结构、经济结构发生深刻变化和转型升级[13-18]。因此在保障实现“碳达峰、碳中和”目标的前提下，如何高效清洁利用燃煤发电是需要深入研究的课题。

1 燃煤发电行业在双碳目标下的挑战

1.1 燃煤发电领域在实现双碳目标中任务艰巨

化石能源利用是我国主要的二氧化碳排放源，我国能源领域二氧化碳排放来源如图1[12]所示。能源生产与转换环节占能源活动碳排放比重为47%，煤炭终端燃烧排放占比35%，减排任务艰巨[11-12]。如果燃煤发电领域要实现碳中和，就需要控制碳排放量。在双碳目标下，电力系统面临重大结构性调整，包括淘汰和改造现有化石能源发电机组，化石能源机组配备碳捕获、利用与封存(carbon capture, utilization and storage，CCUS) 装置，提高清洁能源占比等[19]。我国能源结构要转型，面临高碳能源资产累积规模总量大、转型困难的挑战[13]，必须做出更大的努力，从根本上转变发展方式。

图1 能源领域二氧化碳排放来源 Fig. 1 Sources of carbon dioxide emissions in the field of energy

1.2 传统燃煤发电产业链亟需产业转型

习近平在气候雄心峰会上宣布，到2030年，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上[8]。因此，国家将大力发展可再生能源，降低化石能源的比重，燃煤机组容量将进一步削减。而传统燃煤发电产业链将受到严重冲击，亟需产业转型，寻找新的经济增长点。例如三大动力主要以火力发电设备制造及系统成套为主，预计3~5年后火力发电机组的订单将大量减少，三大动力及其产业链配套企业需要尽快发展新的绿色产业增长点，尽早实施产业转型。

中国要实现碳中和，必须大力推动风电、光伏等可再生能源发展，积极发展水能、地热能、海洋能、氢能、生物质能、光热发电等新能源。例如，太阳能预计到2060年容量会是现在的70多倍。因此，传统火电产业的链条将受到强烈冲击，同时将会催生巨大的新兴电力产业，这对发电设备产业链上下游将产生颠覆性影响。

2 燃煤发电行业低碳与绿色发展路径

燃煤发电行业要积极转型、及早布局，尽快向低碳与绿色发展方式转型。燃煤机组要与新能源发展耦合发展，提升煤电机组的灵活调峰能力，与新能源优势互补，发挥好燃煤机组基础保障的作用；要努力提升现有燃煤机组水平，积极研究和推广应用低碳技术，降低碳排放量，做到“超低碳”排放；要发展高效超低排放的高参数发电机组，以替代落后的中小型燃煤机组。

2.1 提高燃煤发电机组能效

在短期内，对燃煤发电机组进行技术改造 并提升能效是最务实、最有效的做法，提高燃煤机组性能是重要的低碳发展路径。根据联合国统计数据可知，节能对低碳的贡献度达到37%。因此，提升燃煤机组的能效水平就是对低碳做贡献。建议对现役燃煤机组加强技术改造，提高燃煤机组供电煤耗要求，如国电集团宿迁电厂的二次再热超超临界机组发电煤耗已达到255 g/(kW·h)；对主要用能设备和辅机设备进行能效提升，如实施烟气余热深度利用技术，采用空压机余热利用技术等加强系统余热、余能利用；采用先进节能、节水技术对电机系统(包括风机、水泵、压缩机等电机驱动设备)，以及锅炉、变压器等进行技术改造，如采用新型球磨机直驱永磁同步电动机系统、永磁涡流柔性传动节能技术提高电机系统的 能效，实现生产过程的节能、节水、节材和超低排放。

2.2 采用大型高参数高效超低碳排放的燃煤发电机组替代中小型燃煤机组

积极发展采用低碳技术的高参数、高效二次再热燃煤发电机组，淘汰落后的中小型燃煤机组，实现燃煤机组的转型升级。要进一步研发高参数超超临界机组系统深度耦合技术，实现基于参数匹配的结构总成与系统集成的全新机炉一体的设计优化，完善热力学性能和调峰性能，进一步提高系统效率。二次再热超超临界燃煤发电机组相比于传统机组更容易实现碳补集，具有更好的调峰性能优势，因此，应加大推广600 ℃及以上二次再热超超临界燃煤发电机组，积极研发700 ℃等级二次再热超超临界燃煤发电机组，提高机组能效，降低碳排放量，并实施碳补集。如果将现有落后的中小型燃煤机组淘汰，而采用高参数燃煤发电机组来替代1亿kW容量的中小型燃煤机组，则度电煤耗可降低20 g/(kW·h)，每年可减碳0.15亿t。

2.3 积极研发燃煤发电机组适用的节能低碳 技术

燃煤发电机组要想有长期发展的空间，必须依赖于低碳技术的突破。发展经济、可靠的低碳技术，降低燃煤机组的碳排放量，使燃煤机组能够实现超低碳排放，则燃煤机组还会保持旺盛的生命力。我国一直非常重视燃煤发电技术创新，在燃煤清洁低排放领域占据世界领先水平，已建成全球最大的清洁煤电供应体系，排放标准达到了世界领先水平，我国具备煤炭清洁高效低碳利用的潜力。因此要积极发展适用于燃煤机组的节能低碳技术，促进CCUS等技术研发，加快碳捕捉、封存和二次利用技术进步[5]。目前，煤电应用CCUS的成本偏高，能耗增加24%~40%，投资增加20%~30%，效率损失8%~15%，综合发电成本增加70%以上[19]。目前CCUS技术有待进一步降低应用成本，减少运行过程中的能耗。

2.4 努力提升燃煤发电机组的灵活调峰能力，加强其与可再生能源的耦合互补

未来我国能源结构将向多元结构方向发展，需要互相发挥优势、协调互补。燃煤发电机组的灵活调峰能力要求将越来越高，煤电要充分发挥基础保障作用，承担系统调节功能，提升电力系统应急备用和调峰能力。处理好新能源与燃煤机组基础保障的关系，尤其是电网高峰负荷时，常规火电机组还将发挥重要作用。加强燃煤机组与新能源进行集成创新，采用多能互补耦合技术，面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求，通过热电冷三联供、分布式可再生能源、智能微电网等方式，实现多能协同供应、能源综合梯级利用及清洁低碳、安全高效供能用能。因此，对煤电进行灵活性改造，提升灵活调节的比重，发展“新能源+储能+火力发电”等模式将是未来发展趋势。但调峰过程中要遵循一个原则，即不能损害经济性，能量要依据梯级利用的原则充分利用。能源调峰灵活性要考虑经济性，做到灵活性与经济性的统一，在调峰过程中努力实现节能和高效。

2.5 积极发展燃煤机组碳中和多联产

积极发展燃煤机组碳中和多联产系统，实现系统单元内的碳中和。具体思路如下：一是燃煤电厂耦合生物质、固废发电，燃煤锅炉耦合生物质、固废混烧技术可以降低二氧化碳排放，燃煤电厂耦合固废发电可以实现资源综合利用，如荷兰鹿特丹的MPP3 电厂就采取“超超临界参数+生物质混烧+区域供热”的二氧化碳深度节能减碳技术路线[20]，是绿色燃煤发电的良好示范。二是积极发展分布式能源技术[21-23]，研发多能互补的分布式综合供能系统[24]。三是积极研发将二氧化碳转化为化学品的有效途径，如利用二氧化碳制甲醇、烯烃等。朱维群等[19]提出化石能源固碳利用新技术，实现流程如图2所示，将化石能源与空分出来的纯氧和水进行气化反应，生成二氧化碳，在能量释放后将所产生的二氧化碳直接转化为稳定固体产物1,3,5-均三嗪三醇(C3H3N3O3)，反应过程中释放的能量和剩余氢作为清洁能源进行利用。

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

3 燃煤发电行业低碳发展建议

3.1 加强燃煤发电行业低碳技术攻关

围绕双碳目标加快推进燃煤发电低碳技术基础理论和技术装备创新，围绕低成本、长寿命、高安全性的目标研发低碳技术和储能技术。开展低碳技术装备与多能互补技术开发，加强储能及多能互补技术应用。发展多能互补技术，研发可再生能源与化石能源热化学互补的分布式电冷热联供技术，根据终端用户不同需求，实现多能协同供应和能源综合梯级利用。

3.2 从全生命周期角度出发加强燃煤发电行业碳排放核算

对燃煤发电机组全生命周期碳排放进行考核，将燃煤发电行业全生命周期碳排放的考核纳入碳交易体系，采用市场化手段促进燃煤机组技术进步和提升，不要“一刀切”地限制煤电发展。要综合考虑发电机组全生命周期的节材、节水、节能、低碳及循环利用，而相应的检测试验能力以及行业企业的研发能力、生产工艺水平、绿色设计理念、系统成套能力等都要相应提升。从燃煤发电机组的生命周期评价(life cycle assessment，LCA)方法、数据库、软件工具方面进行开发与应用，计算碳排放量以及能效提升对低碳的贡献量。

3.3 加大对燃煤发电行业低碳技术装备标准的制定力度

目前针对节能低碳技术装备的标准制定很少，建议加大燃煤发电行业节能低碳标准的制定力度，进一步支撑低碳工作的开展。以提升标准综合性、系统性、协调性和先进性为重点，加强燃煤发电行业节能、绿色、低碳标准体系建设，夯实标准化绿色低碳发展基础。

4 结论

为实现“碳达峰、碳中和”目标，我国长期以煤为主导的化石能源结构需要深刻转型，传统燃煤发电行业面临严峻的挑战与迫切的转型需求，燃煤发电行业必须走绿色低碳发展道路，在保障“碳达峰、碳中和”目标的前提下积极探索高效清洁低碳发展路径，寻求更多发展空间。通过分析燃煤发电行业在国家双碳目标的要求下所面临的问题和挑战，提出燃煤发电行业低碳发展的路径建议，具体结论如下：

1）燃煤发电行业肩负双碳目标的重任，必须努力作为，实现产业绿色低碳转型。传统燃煤发电产业链亟需产业转型，迫切需要寻找新的经济增长点。

2）燃煤发电行业通过提升现有机组的能效水平、大力发展高效超低排放的高参数发电机组来替代中小型燃煤机组、积极推广应用低碳技术、开展生态多联产、提升煤电机组的灵活调峰能力、加强与可再生能源的耦合发展等低碳发展路径，实现了系统单元的碳中和，从而为煤电行业发展争取更多生存空间。如果低碳技术从经济性上能够得到突破，燃煤发电行业仍将具有广阔的发展空间。

3）在政策层面上，建议加强对燃煤发电行业低碳技术攻关，从全生命周期角度出发加强燃煤发电行业碳排放核算，加大对燃煤发电行业低碳技术装备标准的制定力度。以碳排放量结果考核的市场化手段倒逼燃煤发电行业转型，使燃煤发电行业通过技术革新实现低碳发展，不要“一刀切”地限制煤电发展。