中国工程院院士岳光溪:碳达峰碳中和目标下对先进燃煤发电及科技创新的再认识

发表时间:2022-04-11 16:10

能源是人类文明进步的基础和动力,事关国计民生和国家安全,对于促进经济社会发展、增进人民福祉至关重要。加快推进能源技术革命,支撑引领能源高质量发展既是贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略的重要任务,同时也是实现碳达峰碳中和目标的必然选择。我国已经连续多年成为世界上最大的能源生产国、消费国和碳排放国,能源领域作为实现碳达峰碳中和的主战场面临的挑战空前,承担的压力巨大。根据《2030年前碳达峰行动方案》,“十四五”将严格控制煤炭消费增长,加快构建新型电力系统,研发和推广应用绿色低碳技术。到2025年,非化石能源消费比重将达到20%左右,单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%。因此,重新审视燃煤发电在我国能源结构体系中的地位和作用具有特殊意义。

(来源:“中国电力报”作者:中国工程院院士 岳光溪)

一、燃煤发电是我国能源安全的重要保障

能源安全是关乎国家经济社会发展的全局性、战略性问题,煤炭是我国最为重要的基础能源,也是我国自主保障能力最强的能源。中国的资源禀赋特点决定,在保障能源安全的前提下,煤炭在一次能源消费中的比例只能逐步降低,在相当长的时间内,煤炭还需要作为主体能源,这是符合我国基本国情,安全降碳的必然选择。

“十四五”是我国能源清洁低碳绿色转型的关键窗口期,考虑到新能源发电有效容量低,仍需建设一定规模的燃煤发电机组托底保供,以此满足电力平衡需求。同时,为确保电网运行安全以及国计民生,也需要相当数量的燃煤发电机组作为支撑电源点和居民热源点。初步估计到2025年,仍需新增火电装机约2.6亿千瓦,其中燃煤发电机组占绝大多数,在更新的低碳、零碳、负碳技术取得重大突破前,燃煤发电仍将发挥重要作用。不久前下发的《全国煤电机组改造升级实施方案》要求,对于能耗高于300克/千瓦时的燃煤发电机组加快实施节能改造,对于无法改造的机组应逐步淘汰关停并视情况转为应急备用电源也是出于这一考虑。为保障新能源消纳,未来一部分在役燃煤发电机组需要常态停机、顶峰应急,因此对于燃煤发电机组除了安全、环保、能效运行水平外,还要充分考虑急备用保障这一特殊因素。

二、我国燃煤发电规模和技术水平已居于世界领先

我国长期以来注重燃煤发电的技术进步和产业升级,截至2020年底,我国煤电总装机约10.8亿千瓦,平均供电煤耗305.5克/千瓦时,达到国际领先水平。针对以煤为主的能源结构,我国一直将燃煤发电作为能源科技创新的重点支持方向,形成了一批具有自主知识产权的核心技术,建成了一批具有重大国际影响的示范工程,培养了一批高水平创新人才和团。通过科技创新的引领,我国在成为世界上最大能源生产消费国的同时,还成为了能源利用效率提升最快的国家。“十三五”期间,我国建成了世界最大的清洁煤电供应体系,超超临界机组技术水平、装机总量和机组数量均居世界首位,燃煤发电超低排放机组占比超过85%,大气污染物排放水平进入世界领先行列,同时还建成了世界最高参数的百万千瓦超超临界二次再热机组、世界首台60万千瓦超临界循环流化床发电机组,正在有序推动建设具有自主知识产权G115高温合金材料的630℃超超临界二次再热机组、66万千瓦等级超超临界循环流化床发电机组。

“十四五”期间燃煤发电将向基础保障性和系统调节性电源转型,为实现高质量发展,构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系,需要进一步发掘燃煤发电的降碳潜力,通过推进燃煤发电机组节能、供热和运行灵活性提升改造,继续优化煤电布局和技术升级,未来五年预计实施节能和供热改造的燃煤发电机组将超过4亿千瓦,改造规模可占现役机组总装机的37%,同时还将对存量燃煤发电机组增大灵活性改造范围,增加系统调节能力4000万千瓦。

三、“十四五”先进燃煤发电技术的攻关方向

科技创新助力我国建立了完备的能源科技创新链和装备制造产业链,打开了能源转型发展的重要突破口,未来也会是推动能源发展变革的基本力量。为加强“十四五”先进燃煤发电技术研发,《规划》确定了6项集中攻关、7项示范试验任务和相关的技术路线图,部署了能源科技创新的重大举措和重大任务,将有助于我国构建绿色能源技术创新体系,进一步提升能源科技和装备水平。

一是加快传统燃煤发电技术升级换代。在能源绿色低碳转型发展趋势下,以更先进的高参数超超临界燃煤发电技术为目标,研发650℃等级蒸汽参数的超超临界机组高温材料生产及关键高温部件的制造技术,开发高温段锅炉管道及集箱、主蒸汽管道和汽轮机高压转子等高温部件产业化制造技术,突破高温部件应用的同种/异种焊接、冷热加工和热处理等关键技术,推动全产业链技术创新,开展650℃等级超超临界燃煤发电机组工程示范,发挥高参数机组承担基本负荷时清洁高效的技术优势。以高效超低排放为目标开发新一代循环流化床锅炉发电技术,开展循环流化床锅炉炉内石灰石深度脱硫以及NOx超低排放机理基础研究,优化大型循环流化床锅炉的物料流态、水动力和传热、均匀布风、受热面壁温偏差控制以及受热面布置等设计,突破高效、低成本的超低排放循环流化床锅炉发电关键技术,大幅降低循环流化床锅炉的污染物控制成本,保持我国在这一方向的领先优势。

二是向低碳技术领域和方向倾斜创新资源。依托重大装备制造和重大示范工程,推动关键能源装备技术攻关、试验示范和推广应用,攻坚整体煤气化蒸汽燃气联合循环发电(IGCC)及燃料电池发电(IGFC)系统集成优化技术,研发IGFC系统高温换热器、高温风机、纯氧燃烧器等关键装备开展系统集成优化、系统动态特性、发电系统控制及连锁控制策略等关键技术研究,开发优化尾气纯氧燃烧及CO2捕集技术,开展百万吨级燃烧后CO2捕集、利用与封存全流程示范。研发新一代高效、低能耗的CO2捕集材料/吸收剂和装置,提高碳捕集系统的经济性,为下一阶段大规模应用奠定基础。汇聚行业上下游创新力量,开展CO2驱油驱气、CO2资源化和能源化利用等技术研究,突破CO2封存监测、泄漏预警等核心技术。

三是加强新兴技术方向的研究部署。开展超临界CO2(S-CO2)发电技术研究,掌握S-CO2基础物性、闭式热力循环以及发电系统集成优化等关键技术,开展适配不同热源的S-CO2发电系统及关键设备设计制造技术研究,研制燃煤锅炉、透平、压缩机、高效换热器等关键设备,开展10-50MW级S-CO2发电工程示范及验证。

四是帮助在役煤电机组高效减碳。研发针对老旧煤电机组的延寿及灵活高效改造技术,建立临近设计寿命的燃煤机组运行状态、机组系统和主辅设备性能、主要金属部件寿命等评估方法体系,研究延寿改造与节能提效改造、灵活性提升改造等集成的综合改造技术,优化电网对不同类型煤电机组的调峰能力和配置,探索煤电机组深度调峰支撑新能源消纳、兜底保障电力安全稳定供应的可行路径。

四、科学认识能源领域科技创新的一般规律

实现碳达峰碳中和是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策,是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择。目前能源行业面临着保安全、转方式、调结构、补短板等严峻挑战,以及排放总量大、减排时间紧、攻关难度大等不利因素,这一切更加要求我们在碳达峰碳中和过程中统筹谋划、分类施策。

科学认知和技术发展有其规律,从1927年傅里叶提出温室效应这一概念,再到阿伦尼乌斯定量计算出CO2对大气温度的敏感性,历时近70年,时至今日对温室效应的认识仍在不断深入,对其的讨论也早就跳出了环境问题这一初衷。碳达峰碳中和目标实现过程中有一系列需要解决的科学问题、技术问题和经济问题,需要厘清科学原理、技术方法和经济代价之间的关系。科学原理回答是什么、为什么,专注于认识世界、认识自然规律这一层面。技术方法是改造世界层面的核心,专注于回答怎么办。判断技术第一需要分析其是否符合科学规律,第二要看技术在工程上的可实现性,第三还要看实现技术的代价是否可以承受。经济代价往往最终决定何时做以及能够做多少。碳达峰碳中和涉及的重大技术在进行大规模的社会行动之前,都需要进行上述三个层面的验证,科学问题是需要不断探索的,技术方法是需要工程实践检验的,经济代价是判断能否大规模推广时反复考量的。

中国和美国对于实现碳中和有着很多路径假设,美国提出的八种不同路径中最优的碳中和路径是保留部分化石能源,其在2018年制定的Coal FIRST计划就是对这一认识的具体表现。不久前结束的第二十六届联合国气候变化会议上,煤炭问题同样引起各方关注,以至最后时刻将协议文本中的各国加速“逐步淘汰”(phase-out)改为“逐步减少”(phase-down)煤炭。对于世界上大多数已经实现碳达峰的发达国家而言,其基本是在城市化和工业化任务完成后自然实现碳的。而我们仍处于发展期,更加需要探索科学的实现路径,平衡好碳减排和经济发展之间的关系。正如中共中央、国务院在《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》所要求的那样—“坚持系统观念,处理好发展和减排、整体和局部、短期和中长期的关系,把碳达峰、碳中和纳入经济社会发展全局”。

近期的一些事实表明,尽管对于煤炭有着很多不同的观点,但其仍是中国不可或缺的基础能源,是能源安全稳定供应的“压舱石”和经济发展的“助推器”,以煤炭为代表的传统能源领域较难出现颠覆性技术,为了探索碳达峰碳中和的最佳技术和最优路径,需要从大量创新想法中筛选工程上可实现、经济上可接受的适用技术,因此近期对于减碳技术研究还需要进一步加强,中远期对于零碳技术、负碳技术还需要持续探索,相关领域的科研投入也需要增加。结合我国资源禀赋特点,《规划》在尊重客观规律的基础上,制定了集中攻关一批、示范试验一批、应用推广一批的路径,为碳达峰碳中和涉及到的科技创新工作进行了系统谋划和总体部署,“十四五”期间的重点在于碳达峰技术示范,以及碳中和技术探索,并由此实现科学降碳、安全降碳。


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