碳减排技术在火力发电行业内的应用现状与展望.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：李承宇（2004），男，汉族，山东济南人，本科在读，研究方向为能源与环境系统工程专业。-121-碳减排技术在火力发电行业内的应用现状与展望 李承宇 韩 露 刘宇航 丁 硕 李承键 沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136 摘要：摘要：本文分析了火力发电行业具有实际或潜在应用价值的碳减排技术及其应用前景；探讨了火电企业在提高能源利用效率方面的发展路径，着重分析了 700等级先进超超临界燃煤发电技术、整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)、以及碳捕集、利用和封存(CCUS)技术的应用现状。在结合现实需求的基础上，提出了火力发电行业后续发展过程中应当关注的技术重点，并讨论了其未来的发展方向及可能面临的挑战。通过碳减排技术重点方向的突破与革新，促进火电企业实现碳减排，形成火电企业发展新局面，助力我国实现“双碳”战略目标。关键词：关键词：火力发电；碳减排技术；超超临界燃煤发电技术；IGCC；CCUS 中图分类号：中图分类号：X196 0 引言 2020 年 9 月 22 日，第 75 届联合国大会上，“中国二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。”我国实现“双碳”目标的一大挑战即为各行业的高碳排放，而在高碳排放的有关行业中，与民生经济、工业转型相关的电力行业更是“产碳”大户，位居能源行业碳排放领域之首。其中，火力发电在发电行业中占首要地位，据中国能源发展报告 2023和中国电力行业年度发展报告 2023统计，我国以煤电为主的发电行业是国民经济中碳排放量最大的部门之一，约占碳排放总量的 38.76%。截至2022 年底，煤电装机容量为 11.2 亿千瓦，占全国发展装机总容量的 43.8%；煤电发电量 5.08 万亿千瓦时，占全国总发电量的 58.4%；全国单位火电发电量二氧化碳排放约 824 克/千瓦时，比 2005 年降低 21.4%。近年来，我国充分意识到传统火力发电行业的高碳排放问题，进而高度重视清洁能源的发展，加快清洁能源发电设施的建设与布局。据中国能源大数据报告统计，2022 年，水电、核电、风电、太阳能发电等清洁能源发电量为 29599 亿千瓦时，同比上年增长 8.5%。富煤贫油少气是我国的基本国情，短期内煤炭的“压舱石”地位无法改变。现阶段，我国 CO2排放总量的 85%以上都来自煤炭燃料的燃烧1，也就是说，在未来一段时间内，以煤炭为主的火力发电仍是能源消费的主体，在能源消费结构中占据主导地位。在国家趋势方面，火力发电在加快清洁能源建设的大潮中一定程度上发挥了发电行业碳减排“压箱底”功效；在企业生存方面，随着清洁能源发电并网技术的不断发展与优化，火电企业将进一步减少碳排放量，此时，低碳指标将成为火电企业的另一项突出之处。然而，水力发电、风力发电、核电等清洁能源发电技术的大力发展并未从根本上实现或促进火力发电本身的高效减排，基于以上局限性，碳减排技术在火电企业方面的大规模商业化推广受到极大阻碍。因此，依靠各项技术上的进步乃至技术上的革新来促进火电企业碳减排，具有十分重要且深远的意义。图 1 2013-2022 年能源生产结构 1 火电企业提高能源利用效率路径 目前，我国应用的碳减排技术主要有四种：一是减少间歇性可利用能源的浪费，即储能技术；二是发展清洁能源以改变低碳排放与高碳排放能源的比例，即调整能源结构；三是以有限化石燃料实现最大利用效率，即提高能源利用效率；四是 CCUS 技术。其中，中国科技期刊数据库 工业 A-122-后两种碳减排技术与火电企业最为贴切，也最为重要。在火力发电行业，通常利用热电联产技术、循环流化床技术、整体煤气化联合循环发电(IGCC）技术以及超临界技术等进行能源结构的调整。据张全斌等6预估，以燃煤发电为代表的火力发电将在未来电力行业中起辅助作用，用来配合间歇性能源进行电力调峰，因此在提高能源利用效率方面，700等级先进超超临界燃煤发电技术和IGCC技术以其调峰灵活性将得到进一步发展。700等级先进超超临界燃煤发电技术是中国面向 2035 年最主要的洁净煤前沿技术2，早在 20 世纪末由燃煤发电基础雄厚的欧洲诸国提出，并计划于 2011年实现商业化运行，但因高温材料如镍基合金钢和奥氏体钢价格昂贵，迟迟未进行大规模推广。2011 年 6月 24 日，国家能源局在北京组织召开了国家 700超超临界燃煤发电技术创新联盟第 1 次理事会议和技术委员会会议，我国 700等级先进超超临界燃煤发电项目正式启动3。我国在该项技术方面起步晚，成立之初较日本、美国及西方国家等差距较大，经过十余年的追赶，我国已逐渐接近欧洲诸国等发达国家的研发水平，正向可达 1500MW 等级的 700等级先进超超临界燃煤发电技术的超大容量、超高参数的火力发电技术冲刺。对一般火电机组而言，机组发电热效率与碳排放量成反比，燃煤发电机组蒸汽每提高 10，机组的发电效率就随之提升 0.22%-0.25%，再热机组热效率比一次再热机组效率高 2.2%-3.1%。也就是说，700等级先进超超临界燃煤发电技术与 600超超临界发电技术相比，温度提高 100，可使单位煤耗降低 30g左右，碳排放量降低 14%，供电效率突破 50%大关。国内正从汽轮机、锅炉、汽水系统的关键高温耐热材料方面进行技术攻关，但现有成熟材料中，大部分材料无法满足相应的抗高温蠕变断裂特性，而奥氏体钢材料、新型高温合金钢以及镍基高温材料虽然满足所需条件，但始终存在造价过高，无法实现大规模商业化推广的问题。IGCC 技术是一种高效环保的燃煤发电技术，在IGCC 系统中，煤炭首先被转化为合成气，然后在燃气轮机中燃烧以产生电力，这一过程中产生的余热还可以被用于产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功，进一步提高发电效率。IGCC 技术与传统的燃煤发电方式相比存在一定优势，在发电效率上可达 45%，今后可能会达到 50%以上3，从而减少了同等电力输出的煤炭消耗。同时，IGCC 技术还可以在煤炭气化过程中进行环保处理，有效减少了硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的排放，理论上先进的 IGCC 发电厂可达到 99%的碳转化率4，从而大大降低了二氧化碳的排放。美国早在 20 世纪 80年代为应对石油危机便已启动IGCC技术相关的科研活动，而我国从 2000 年开始重视 IGCC 技术的研发，投入了大量的资源。2009 年 7 月 6 日，我国首座自主开发、设计、制造并建设的 IGCC 示范工程项目华能天津 IGCC 示范电站在天津临港工业区正式开工。在这之后，科研人员关于 IGCC 的提升系统净效率方面进行大量研究发现，通过 IGCC 系统与固废掺混燃烧技术、太阳能储热系统以及甲醇制备系统进行耦合生产5-6，可实现能源的多级利用，进而促进 IGCC 技术的进一步成熟应用7。图 2 中国火力发电技术发展路径演变示意图 2 碳捕集、利用和封存(CCUS）技术 在“双碳”愿景下，CCUS 技术作为国际公认的先进碳减排技术，被全球视为一项短期内有效减少碳排放的关键技术，将成为我国火电行业大规模减排脱碳的重要技术选择。CCUS 技术是指从工业或能源转换过程中分离二氧化碳直接加以利用，或将其压缩并输送至深层地下存储，从而长期阻隔其与大气接触的碳减排过程。通过 CCUS 技术，化石能源的提取、转换和使用可以实现零碳排放。CCUS 技术对于碳排放量高的火电企业具有巨大的发展潜力，被认为是开发低碳能源和实现化石燃料可持续利用的重要举措之一。中 国 在 国 家 中 长 期 科 技 发 展 规 划 纲 要（2006-2020）和 中国应对气候变化国家方案 中，都将 CCUS 技术的科技突破列为主要的科研任务，并中国科技期刊数据库 工业 A-123-积极推动了配套于火力发电行业的多个示范项目的实施。2008 年，中国首个 CCUS 示范工程启动，在高碑店火电厂设立的 CO2捕获项目年捕获量达到 3000 吨；2009 年，华能石洞口第二火电厂 CO2捕获项目在上海启动，据顾永正5等预测，该项目可每年捕获 CO210 万吨左右。据不完全统计，截至 2022 年底，中国已投运和规划建设中的 CCUS 示范项目已接近百个，其中已投运项目超过半数，其 CO2捕集能力约为 400 万吨/年，注入能力约为 200 万吨/年，分别较 2021 年提升 33%和 65%左右。综合一系列突出成果，可以看出我国在CCUS 技术攻关方面的决心和信心，并将 CCUS 技术的重点集中于二氧化碳的捕集。事实上，我国 CCUS 技术的利用与发展呈现出大好形式，但对标国际仍存在一定差距。其中碳捕获技术的发展在不同的阶段表现出显著差异。在第一代捕获技术中，燃烧前的物理吸收技术已经相当成熟，现已达到了商业应用阶段，并且与国际先进技术保持同步。然而，燃烧后的化学吸收技术在国际上已经进入商业应用阶段，但在我国该技术仍处于工业示范阶段。第二代和第三代的捕获技术如增压富氧燃烧技术和化学链燃烧技术的发展相对滞后，都处于中试或更早期的阶段。在 CO2输送方面，公路罐车和船舶的运输主要应用于 10 万吨/年的 CO2输送项目，大多数 CO2运输采用公路罐车运送，但我国也正积极探索拓展 CO2管道运输方式，因为此方式具有效率高、成本低、可持续利用等优点，并已有工程可实现 170 万吨/年的 CO2输出，但因具体建设施工问题，实现大规模推广还需一段时间。另外，我国 CO2利用方式主要以地质利用为主，虽在化学和生物利用项目上有所突破，但距离大规模商业应用仍存在一定差距。3 火电企业发展现状及未来预测 早在 2015 年，中国的燃煤火电厂便接到了一项严峻的任务8，要求要提高在超低排放和节能改造方面的标准，对不符合这些要求以及落后的产能在 2020 年前要坚决淘汰和关闭。此外，电厂需要大幅降低煤耗，现役电厂的最高煤耗标准不得高于 310 g/(kW h)，新建电厂的煤耗标准不得高于 300 g/(kW h)。对东部和中部地区的电厂提出了更高的煤耗标准，并分别将达标期限提前至 2017 年和 2018 年。近年来，随着加快建设新型能源体系、构建新型电力系统及进一步优化能源消费结构政策的提出，火力发电企业的发展受到了严重阻碍，火电企业不得不为新型清洁能源发电体系的发展做出让步，尽管火电发电量比例逐年减少，但其比重仍然在 50%以上。到目前为止，火电企业仍是发电行业的支柱，可随着政策的持续推进，火电企业发电量占比将会逐渐降低，但不会完全消失，以煤炭为主要燃料的火力发电将会作为清洁能源发电体系的辅助性发电形式持续存在。到 2060 年，火电发电量可能占比 10%左右，有以下两点原因：一是与清洁能源发电相比，火力发电存在高能耗、高污染等问题，不符合节能减排的大趋势，因此火力发电在未来一定会让步于近乎零碳排放的清洁能源发电；二是如风能，太阳能等清洁能源受外部环境影响较大，具有一定的波动性，同一区域内同一发电形式无法做到全天持续稳定发电，这就需要火电并网进行调峰，以维持同一峰值向用户供电。因此，随着政策的持续性推进，大多数火电企业必将面临能源升级优化和大规模结构重组的巨大挑战，甚至将被迫关停。基于此，及时发展和利用碳减排技术降低碳排放并升级调峰性能，是火电企业应对未来机遇和挑战的措施。4 火电企业碳减排技术实际需求 随着能源结构调整的进一步深入落实，越来越多的新能源发电形式并网上线，促使火电企业在满足自身实际需求的前提下逐步减少发电量，主要包括：（1）在现过渡阶段，火电企业在承担转型期发电主力的同时，将持续向深度调峰转变以求生存。然而，燃煤发电机组由于燃烧过程中的惯性和传热特性，调峰能力相对较低，一般为 0.1-0.5MW/min，引入 IGCC 技术的发电机组的调峰灵活性虽有大幅度提高，但仍无法满足快速调峰的需求，也无法提高清洁能源发电的稳定性，因此，如何兼顾调峰灵活性以稳定发电是现阶段发展碳减排技术的核心；（2）我国要坚决摆脱对化石资源的依赖，走一条适合中国资源分布与可持续发展的新型道路。传统火电企业如果一味依赖煤炭显然与发展路线相违背，而在短期内直接抛弃煤炭，迅速转型为清洁能源发电又未免有些异想天开。如何实现清洁能源的逐级替代，在现阶段实现煤炭和清洁能源的混合发电，直至实现清洁能源的完全替代，逐步进行能源结构深化调整，是后续工作的研究重点；（3）火中国科技期刊数据库 工业 A-124-电企业严重依赖政策指标，未来碳减排指标或成为企业生存的关键。企业急需提高能源利用效率、增强碳捕捉能力、完成各项碳减排指标以求生存。以现有的主流技术分析，700等级先进超超临界燃煤发电技术因其对耐热材料的依赖进展缓慢，且在原有电厂基础上改造升级难度大，无法在短期内实现大规模商业运用并发挥价值。IGCC 技术虽然成本较高，但其便于在原有的电厂基础上进行升级，促使火电厂调峰灵活性大幅提升。最重要的是，IGCC 技术加持下的电厂碳排放量基本满足 CCUS 技术的碳捕获条件，可以大大增加CCUS 技术的运用场景。可以预见，“IGCC+CCUS”的模式将会作为电厂的主要存在形式加以运行并推广。5 结论 当前，火力发电行业面临着严峻的外部环境挑战，需要在维持能源供应、发挥能源转型过渡作用的同时，实现碳排放量的大幅度削减。为此，碳减排技术在火力发电行业内的应用显得尤为关键。尽管已有的超超临界燃煤发电技术和IGCC技术等在一定程度上提高了能源利用效率并降低了碳排放，但它们仍然面临着成本高昂、技术依赖性强、对口改造升级困难等问题，限制了其在火力发电行业内的广泛应用。火力发电行业需要进一步推动碳减排技术的研发和应用。在已有技术中，应重点关注IGCC+CCUS模式，其在提升电厂调峰灵活性、增加 CCUS 技术运用场景以及满足碳捕获条件等方面存在优势，因此可能成为火力发电行业实现低碳转型的重要技术路径。在技术创新方面，因火电企业碳减排的紧迫形式和火电在能源结构中“压舱石”的定位，新技术应有偏重性的注重技术迅速应用、新技术的调峰性能以及煤炭联合清洁能源混合发电等方面来实现低碳转型。此外，政策支持和市场推动也将对此起到关键作用，碳减排技术在火力发电行业内的应用将是一个持续的、复杂的过程，需要政府、行业及科研机构的紧密合作和共同努力，只有这样，我们才能在保障能源供应的同时，实现“双碳”战略目标。参考文献 1陈诗一.能源消耗、二氧化碳排放与中国工业的可持续发展J.经济研究,2009,44(04):41-55.2 孙 旭 东,张 博,彭 苏 萍.我 国 洁 净 煤 技 术 2035 发 展 趋 势 与 战 略 对 策 研 究 J.中 国 工 程 科学,2020,22(03):132-140.3严辉.整体煤气化联合循环发电系统技术研究综述J.化学工程与装备,2015(02):155-157.4宋旭龙.整体煤气化联合循环发电技术分析J.硅谷,2014,7(13):106-115.5 顾 永 正,王 天 堃,黄 艳 等.燃 煤 电 厂 二 氧 化 碳 捕 集 利 用 与 封 存 技 术 及 工 程 应 用 J.洁 净 煤 技术,2023,29(04):98-108.6 张 语,郑 明 辉,井 璐 瑶 等.双 碳 背 景 下 IGCC 系 统 的 发 展 趋 势 及 研 究 方 法 J.南 方 能 源 建设,2022,9(03):127-133.7张全斌,周琼芳.基于“双碳”目标的中国火力发电技术发展路径研究J.发电技术,2023,44(02):143-154.8李克强.对不符合底限标准的燃煤电厂要坚决淘汰关停J.中国应急管理,2015(12):9.9赵天.中国火电企业碳捕捉与封存（CCS）技术扩散研究D.北京:华北电力大学,2019.