“雙碳”目標下燃煤機組轉(zhuǎn)型目標與技術(shù)分析

鄭明輝，宋民航，王金星

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003； 2.中國科學(xué)院過程工程研究所，北京 100190)

溫室氣體的過量排放會對全球氣候造成不可逆的影響，并嚴重危害人類的生產(chǎn)生活。為應(yīng)對氣候變化，我國在2020年就提出“雙碳”目標，即力爭于2030 年前實現(xiàn)二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和?！半p碳”目標的提出對未來我國的能源經(jīng)濟結(jié)構(gòu)與消費模式轉(zhuǎn)型具有重要的指導(dǎo)性意義。目前，我國能源發(fā)電類型中火力發(fā)電占60%以上，2020年火電機組發(fā)電量為4917.7 TWh，按照煤電機組平均供電煤耗300 g/kWh計算，全年消耗的標準煤為15億t，二氧化碳年排放量為43億t。根據(jù)相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，到2030年，我國二氧化碳排放量為101.4億t，可基本實現(xiàn)碳達峰[1]?；鹆Πl(fā)電的碳排放量極大，2016年發(fā)布的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》和2021年國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達峰行動方案》均指出，在保障能源安全的前提下需要實現(xiàn)煤炭消費的替代和轉(zhuǎn)型升級，同時在可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的背景下，需要燃煤機組轉(zhuǎn)變原有的歷史定位，全面降低因新能源電力嵌入而導(dǎo)致的電網(wǎng)頻率波動。然而頻繁的變工況出力和靈活調(diào)峰使得火電行業(yè)控制污染的難度大大上升。如何提升火電清潔化、降低能耗并提高火電機組的靈活性，都是未來火電轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)。

針對此，本文介紹了近幾年的燃煤機組改造技術(shù)，并對不同技術(shù)的優(yōu)缺點進行對比，旨在為未來火電轉(zhuǎn)型方向提供技術(shù)參考。

1 燃煤機組改造策略

火電機組的減碳量理論上可以用能耗量來折算，因此，火電機組可以通過本身的機組改造技術(shù)來降低其二氧化碳排放量，從而間接實現(xiàn)能源行業(yè)的“雙碳”目標。例如采用磁共振技術(shù)改變循環(huán)工質(zhì)的熱物性，使用復(fù)合工質(zhì)或者非常規(guī)工質(zhì)和廢熱利用技術(shù)，以及耦合各種技術(shù)(如儲能技術(shù)等)，均可以降低火電機組能耗。

1.1 火電機組自身改造技術(shù)

燃煤電廠通過自身改造的方式減少二氧化碳排放量有2種方式：①在產(chǎn)生相同發(fā)電量的前提下減少燃煤量消耗，從而達到降低碳排放的目的。這種方式可以通過改變循環(huán)工質(zhì)的熱物理性質(zhì)來實現(xiàn)，但Prisyazniuk[2]指出該項技術(shù)耗氧量巨大，并不適合在人口密集地區(qū)尤其是我國的東部地區(qū)大規(guī)模使用。②在不改變?nèi)济毫康那闆r下，增加發(fā)電量和回收余熱，從而達到相對減碳的目的。具體實現(xiàn)方式是目前大多數(shù)新建機組都采用的方法——熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，但是該技術(shù)無法適應(yīng)電網(wǎng)頻繁調(diào)峰的需求，機組負荷波動較大，會對機組的安全運行造成威脅。

1.1.1 磁共振技術(shù)

在循環(huán)工質(zhì)進入加熱器之前，通過物理或化學(xué)手段提高工質(zhì)初溫來降低燃煤量，從技術(shù)實現(xiàn)的角度考慮，目前最簡單的方法是利用磁共振給工質(zhì)加熱。采用磁共振技術(shù)并不需要重新設(shè)計燃煤電廠管道，只需要付出極小的成本就能夠降低火電廠的二氧化碳排放量。磁共振技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵是適當(dāng)選擇磁流體諧振器在蒸汽發(fā)生器給水管路中的安裝位置，精確調(diào)整諧振頻率，即可達到余熱循環(huán)工質(zhì)的效果。

Prisyazniuk通過計算[2]發(fā)現(xiàn)使用磁共振諧振器，可以將燃煤電廠效率提高10%。這意味著在機組裝機容量不變的情況下相對于未使用磁共振諧振器的電廠，在不考慮其余電廠損失的情況下理論上可以減少29%燃料消耗，減少29%固體和氣體排放，以及減少52%熱量排放，達到較好的減碳效果。但是采用磁共振技術(shù)會提高機組的能耗且初投資成本較高，對于中小型機組來說并不是很好的減碳方案。

1.1.2 復(fù)合工質(zhì)應(yīng)用

電廠的循環(huán)工質(zhì)一般以水為主，而水的比熱容較高，將水加熱到水蒸氣需要較多的熱量，可以通過在水中溶解化學(xué)物質(zhì)來降低水的比熱容，使得工質(zhì)更易達到相變點。例如將氨溶解于水中，所形成的氨水溶液比熱容比純水低。此外，將1 g氨分子溶解在1 L水中，釋放了8.28 kJ的熱量，這剛好能將1 kg氨水溫度提高10 ℃。因此，將1 L水從30 ℃加熱到100 ℃時，可節(jié)省約70 kJ的熱量或0.01 kg當(dāng)量的燃料。通過使用氨水溶液作為循環(huán)工質(zhì)進行循環(huán)做功被稱為Kalina循環(huán)，其簡要過程為：氨水溶液在低溫回?zé)崞髦斜粺煔忸A(yù)熱，隨后流經(jīng)高溫回?zé)崞?，繼續(xù)吸收煤燃燒釋放的熱量。經(jīng)過2次預(yù)熱的溶液被加熱到氣液兩相狀態(tài)，然后在分離器中進行氣液兩相分離。分離出來的氣相在過熱器中被進一步加熱后進入汽輪機膨脹做功，分離出的液相氨水溶液在混合罐中與做完功的氨水混合物混合，混合后的溶液再回到冷凝器冷凝，完成循環(huán)。圖1所示為耦合Kalina循環(huán)的火力發(fā)電系統(tǒng)。Kalina循環(huán)比較適用于滿負荷運行的機組，機組負荷越高其投資回收年限越短，如果負荷低于25%，運用Kalina循環(huán)系統(tǒng)就會增加企業(yè)的經(jīng)濟負擔(dān)[3]。

圖1 耦合Kalina循環(huán)的火力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Thermal power generation system coupled to Kalina cycle

1.1.3 非常規(guī)循環(huán)工質(zhì)

從減碳層面來看，使用非常規(guī)循環(huán)工質(zhì)是比較好實現(xiàn)的，并且效果也較為理想[4]。在朗肯循環(huán)中，蒸汽發(fā)生器中的水沸騰導(dǎo)致壓力增長，由此產(chǎn)生的蒸汽在過熱器中被加熱，從而使過熱器中的工質(zhì)壓力升高。在冷凝器中，蒸汽冷凝導(dǎo)致壓力快速下降，由此產(chǎn)生的過熱器和冷凝器之間的壓力差使蒸汽以極高的速度從高壓區(qū)沖向低壓區(qū)，從而帶動汽輪機轉(zhuǎn)動進行發(fā)電。工質(zhì)經(jīng)歷一級相變，從液態(tài)轉(zhuǎn)變到氣態(tài)，然后在冷凝器中又轉(zhuǎn)換為液態(tài)。

從降低燃煤量的角度考慮，如果使用氨、氫、氦、二氧化碳、氧等低沸點工質(zhì)進行循環(huán)，將大幅度降低燃料消耗量，因為這些工質(zhì)在低溫下就能沸騰，環(huán)境本身就可以作為熱源加熱工質(zhì)。Goswami[5]提出以氨作為循環(huán)工質(zhì)的熱力循環(huán)，但由于制氨成本過高且氨是有毒氣體，對封存與運行安全上有更高的要求，未能實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

當(dāng)前的研究熱點是超臨界二氧化碳發(fā)電[6]，因為二氧化碳本身就是大氣中的氣體，且獲得成本低廉，無論從安全性還是成本的角度考慮都是比較理想的非常規(guī)循環(huán)工質(zhì)。H. Yamaguchi[7]等提出超臨界二氧化碳耦合太陽能的新型朗肯循環(huán)，通過熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，新型循環(huán)的熱回收效率可以達到65%左右，可以較好地實現(xiàn)發(fā)電集熱。而Moullec[4]等提出超臨界二氧化碳電廠的概念設(shè)計并且與標準碳捕集工藝的參考超臨界燃煤電廠相比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不考慮運輸和儲存的情況下，可以降低45%的二氧化碳減排成本。超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電過程如圖2所示，具體為：二氧化碳經(jīng)過壓縮機升壓，然后利用換熱器將工質(zhì)等壓加熱；其次，工質(zhì)進入渦輪機，推動渦輪做功，渦輪帶動發(fā)電機發(fā)電；最后，工質(zhì)進入冷卻器，恢復(fù)到初始狀態(tài)，再進入壓氣機形成閉式循環(huán)。但是，這樣的超臨界二氧化碳循環(huán)一般是為核電廠設(shè)計，熱源溫度為600 ℃左右，并不適合燃煤電廠，因為鍋爐爐膛的溫度一般維持在1 400 ℃，需要在原有循環(huán)的基礎(chǔ)上添加1個二氧化碳加熱器，并且需要增加省煤器吸收煙氣的余熱以提高鍋爐效率。

1.2 燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組應(yīng)用

相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電系統(tǒng)，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有較高的利用效率。從理論上來看，該系統(tǒng)的綜合能源利用效率可達80%以上[8]，目前熱電聯(lián)產(chǎn)機組占我國火電機組裝機容量的46%，承擔(dān)約30%的城市供熱量。而我國的供熱面積約為400億m3，且供熱需求仍在不斷上漲，這意味著在人口聚集的地方配置熱電聯(lián)產(chǎn)機組同時保障供電安全和供熱安全將會是常態(tài)。可目前多數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱能耗較高，普遍比傳統(tǒng)機組高出40%，同時存在過量供熱的情況。張知足等[9]通過比較不同熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的特點，提出從用戶側(cè)角度出發(fā)，配置不同的熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備以達到最佳運行工況。孫士恩[10]等則從熱泵技術(shù)出發(fā)，使用吸收式熱泵和雙轉(zhuǎn)子真空耦合技術(shù)可以提升約24%供熱效率。

雖然持續(xù)上升的供熱需求給熱電聯(lián)產(chǎn)機組帶來了發(fā)展機遇，但是由于我國目前供熱機制還不完善，機組投資成本高阻礙了熱電聯(lián)產(chǎn)機組布局，同時熱電聯(lián)產(chǎn)機組的運行模式(“以熱定電”或“以電定熱”)嚴重限制了機組的靈活性，降低了其調(diào)峰能力。這對火電機組的轉(zhuǎn)型是不利的，因此，耦合多種儲能技術(shù)成為新的探索方向。

1.3 火電機組耦合儲能技術(shù)

在“雙碳”目標的指引下，可再生能源發(fā)電占比必然增加，火電將由傳統(tǒng)的基礎(chǔ)電源轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰電源。這說明當(dāng)可再生能源發(fā)電出力不足時，需要火電來彌補負荷缺口，從而保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行。而火電自身靈活性較差，瞬間出力困難，且減碳和環(huán)保的需求使得其能耗成本增加?；痣婑詈蟽δ芗夹g(shù)則是在滿足火電參與深度調(diào)峰的同時可減輕火電企業(yè)減碳壓力的較好解決辦法之一[11]。

1.3.1 耦合儲熱技術(shù)

儲熱技術(shù)目前還處于示范應(yīng)用階段[12]，發(fā)展比較成熟的是熱水儲熱和融鹽蓄熱技術(shù)。熱水儲熱技術(shù)與燃煤機組的耦合又可以分為配置儲熱水系統(tǒng)和采取電鍋爐的形式。通過配置儲熱罐可以讓機組在高負荷運行時進行儲熱，在低谷期可作為熱源為熱網(wǎng)供熱，在一定程度上可實現(xiàn)熱電解耦，提高火電機組的靈活性。呂泉等[13]通過研究配置儲熱罐的300 MW機組發(fā)現(xiàn)，配置儲熱罐后機組調(diào)峰容量上升至37%。而電鍋爐儲熱裝置是將燃煤機組的過余電能轉(zhuǎn)換為熱能，該方式比較適合熱負荷達到最大供熱能力而電負荷仍有富余的機組。

熔融鹽蓄熱技術(shù)的運行原理與熱水儲熱技術(shù)相似，但是相較于熱水儲熱，熔融鹽蓄熱過程中無相變，傳熱性能好且成本低廉。目前熔融鹽的熔點溫度都較高[14]，長期運行中，需要定期清理管道防止其堵塞。同時，由于熔融鹽具有腐蝕性，換熱設(shè)備與儲熱罐都需要做好防腐處理。圖3所示為耦合熔鹽蓄熱系統(tǒng)的燃煤機組示意圖，表1為不同蓄熱技術(shù)優(yōu)缺點比較。

圖3 耦合熔鹽蓄熱系統(tǒng)的燃煤機組Fig.3 Schematic diagram of coal unit coupled with molten salt heat storage system

表1 不同蓄熱技術(shù)比較Tab.1 Comparison of different heat storage technologies

1.3.2 耦合抽水蓄能技術(shù)

抽水蓄能系統(tǒng)包括不同海拔高度的水庫、水泵、水輪機等。當(dāng)用電需求低時，可以將低位水庫的水抽至高位水庫儲存，當(dāng)用電高峰到來時，釋放高位水庫中的水，推動水輪機轉(zhuǎn)動發(fā)電。Paul Denholm等[15]研究發(fā)現(xiàn)，抽水蓄能的額定功率范圍為100～3 000 MW，完全可以滿足火電廠削峰填谷的需求。但是抽水蓄能需要大面積的土地建造水庫，這勢必對生態(tài)環(huán)境造成一定破壞。為應(yīng)對這類問題，近年來衍生出了地下抽水蓄能技術(shù)，利用廢棄礦井建造地下水庫，減少對環(huán)境的破壞。但由于地下抽水蓄能建造難度大，成本高，以及需要考慮其安全性[16]，并未大規(guī)模使用。

1.3.3 耦合壓縮空氣儲能技術(shù)

壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機發(fā)電技術(shù)發(fā)展起來的一種儲能技術(shù)[17]。當(dāng)電力盈余時，通過電能驅(qū)動壓縮機壓縮空氣并儲存于儲氣庫中；當(dāng)電網(wǎng)有調(diào)峰需求時，釋放所壓縮的空氣帶動膨脹機發(fā)電。但是對于傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)而言，由于未能有效利用壓縮時的壓縮熱，在釋壓時需要另外補充燃料加熱，就會產(chǎn)生額外的污染物。近年來，先進絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)成為焦點，該技術(shù)通過回收壓縮空氣時的壓縮熱，并將其儲存在蓄熱系統(tǒng)中，釋壓時通過蓄熱系統(tǒng)加熱空氣，由此減少了燃料補燃環(huán)節(jié)，進一步減少了碳排放[18]。具體過程如圖 4所示。先進絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)具有極高的靈活性與擴展性，可以通過添加輔助加熱組件來提高空氣的做功能力，同時可作為燃煤機組鏈接各個可再生能源(如風(fēng)電)的“橋梁”，對于構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)，進一步提高火電機組的減碳能力具有重要意義。

圖4 壓縮空氣技術(shù)能量樞紐Fig.4 Schematic diagram of compressed air technology energy hub

1.3.4 耦合電池儲能技術(shù)

電池儲能包括鉛酸電池、液流電池、鋰離子電池等。鉛酸電池成本較低且技術(shù)較為成熟，能量轉(zhuǎn)換率可以達到70%～90%，但是循環(huán)壽命較低[19]。液流電池的壽命較高，且儲能容量有很高的擴展性和靈活性，但是其成本比較高，所以并未大規(guī)模應(yīng)用，限制其發(fā)展的是電解液與隔膜技術(shù)[20]。而鋰離子電池主要在各種微小型系統(tǒng)中得到商業(yè)化應(yīng)用，基于成本和效率的考慮，其并不適合大規(guī)模儲能應(yīng)用。

目前，電池儲能的新興技術(shù)是卡諾電池技術(shù)，該項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效低成本的大規(guī)模儲能[21]，具有比較好的應(yīng)用前景。卡諾電池儲能系統(tǒng)包括熱儲罐、換熱器、壓縮機等，在卡諾電池中，富余的電能給壓縮機提供動力從而壓縮工質(zhì)，使得循環(huán)工質(zhì)與熱儲介質(zhì)產(chǎn)生溫差，通過導(dǎo)熱的方式，電能被存儲為熱能。在放電階段，儲熱介質(zhì)向循環(huán)工質(zhì)放熱，加熱工質(zhì)，從而推動膨脹機做功，向外輸出電力；同時重新利用加熱熱儲介質(zhì)實現(xiàn)乏汽余熱的能量梯級利用[22]。具體充發(fā)電過程如圖5所示。

圖5 耦合卡諾電池儲能技術(shù)原理Fig.5 Schematic diagram of coupled Carnot battery energy storage technology

1.3.5 氫儲技術(shù)

氫能是近年來很受歡迎的一種清潔能源，可以代替化石燃料，因為其能量含量更高，對環(huán)境的影響更小。氫儲技術(shù)目前主要是用于消納棄風(fēng)棄光電量，通過電解氫的方式將富余電能轉(zhuǎn)化為氫能[23-24]，當(dāng)用電高峰到來時，運用燃料電池技術(shù)向電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。對于燃煤機組來說，可以通過儲氫的方法實現(xiàn)深度調(diào)峰，同時副產(chǎn)物氧氣也可以送入鍋爐燃燒，實現(xiàn)能源的高效利用。同時，燃煤機組還可以與可再生能源發(fā)電耦合，通過收集燃燒產(chǎn)生的二氧化碳與電解水產(chǎn)生的氫氣進行甲烷化，向氣網(wǎng)供給天然氣[25]。這既減少了火電行業(yè)的排碳量[26]，又增加了利潤。圖6所示為通過氫能耦合的火電與新能源電力系統(tǒng)。

圖6 通過氫能耦合火電與新能源電力系統(tǒng)Fig.6 Through hydrogen energy coupling thermal power and new energy power system

雖然氫能有巨大的節(jié)能潛力，但是儲氫成本高、制氫效率低依然是限制其大規(guī)模應(yīng)用的原因。目前儲氫技術(shù)分為物理儲氫和化學(xué)儲氫2種[27]，物理儲氫的氫氣濃度高，放氫較易，但是對儲氫罐的密封性和安全性要求較高。鄭津洋[28]等提出鋁內(nèi)襯碳纖維纏繞儲氫罐，在提升安全性的同時大大降低了儲罐質(zhì)量。而化學(xué)儲氫難以獲得高純度的氫氣，且放氫困難，同時制氫效率低下導(dǎo)致氫能無法大規(guī)模運用。曹軍文[29]等通過比較不同的制氫技術(shù)特點，提出深入研究質(zhì)子交換膜電解池技術(shù)和固體氧化物電解池技術(shù)，由此實現(xiàn)高效低成本的制氫技術(shù)的突破。目前來看，如何建立健全氫產(chǎn)業(yè)鏈依然是未來氫儲技術(shù)發(fā)展研究的重點[30]。

1.4 多樣型低碳技術(shù)

1.4.1 碳捕集技術(shù)

碳捕集與封存技術(shù)是目前各行業(yè)減少碳排放的重要方式之一，通過對二氧化碳的捕集、封存和轉(zhuǎn)化，可降低溫室氣體排放。與火電廠密切相關(guān)的就是碳捕集技術(shù)，按捕集階段可以分為燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集。

燃燒前捕集是將煤通過氣化裝置轉(zhuǎn)換為主要由氫氣和一氧化碳組成的混合氣體，隨后通過催化反應(yīng)將一氧化碳氧化為二氧化碳并通過物理或化學(xué)方法進行捕集和儲存，而氫氣被送入爐膛中燃燒。燃燒前捕集比較適用于燃氣電廠和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(integrated gasification combined cycle，IGCC)電廠[31]。燃燒中捕集又稱為富氧燃燒，通過空氣分離裝置分離高純度的氧與煤粉混合燃燒，從而提高二氧化碳的濃度，方便其進一步分離和提純。 燃燒后捕集是目前應(yīng)用最廣的碳捕集方式，它并不改變機組原有的生產(chǎn)方式，與火電機組可以進行較好耦合，在國外已應(yīng)用在一些電廠中[32]。燃燒后捕集是在脫硫脫硝裝置后加入碳捕集裝置，并通過恰當(dāng)?shù)姆蛛x方法對二氧化碳進行分離和儲存，實用性強且原理簡單。目前主要的二氧化碳分離法有吸附法、膜分離法和吸收法等?；诖及啡芤旱幕瘜W(xué)吸收法是比較成熟的技術(shù)[33]，將煙氣中的二氧化碳與吸收劑進行反應(yīng)，然后再通過加熱吸收劑將二氧化碳分離出來。王立建[34]等通過對碳捕集機組建模分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從中壓缸末級抽汽中抽取蒸汽為吸收劑加熱，可以使得機組整體發(fā)電效率最高。

雖然燃煤機組采用碳捕集技術(shù)可以有效減少溫室氣體排放，但是碳捕集技術(shù)能耗和成本都較高。如果從機組全壽命生產(chǎn)周期考慮，能耗量折算成碳排放量是可以與捕集量相抵的，只有出現(xiàn)更成熟、更低能耗的碳捕集技術(shù)時，才能在火電機組中進行大規(guī)模應(yīng)用。表2所列為不同碳捕集技術(shù)優(yōu)缺點及能耗率對比。

表2 不同碳捕集技術(shù)對比Tab.2 Comparisons of different carbon capture technologies

1.4.2 新型固廢的摻混燃燒技術(shù)

將煤粉與污泥、生活垃圾等生物質(zhì)混合燃燒可以顯著降低燃煤機組的碳排放量和NOx排放量[35]，對于一些污染嚴重的小型燃煤機組不失為一項提效減排之策。但是采用生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)需要對制粉系統(tǒng)和鍋爐進行技術(shù)改造，這會增加火電的發(fā)電成本。生物質(zhì)發(fā)電分為燃燒發(fā)電與氣化發(fā)電2種，燃煤機組主要采用燃燒發(fā)電，直接將生物質(zhì)代替煤粉或與煤粉摻混送入爐膛燃燒，通過燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電，可以使燃煤機組的碳排放率下降15%～25%[36]。不同于歐洲國家采用木屑等生物質(zhì)作為燃料[37]，我國主要采用秸稈等農(nóng)作物作為生物質(zhì)燃料，而秸稈作物的灰熔點遠低于煤灰，這會導(dǎo)致鍋爐受熱面的積灰腐蝕問題更加嚴重[38]。同時，受限于原料成本過高與未形成穩(wěn)定的供應(yīng)鏈等因素，燃煤機組耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的推廣仍然存在難度。表3所列為不同生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)優(yōu)缺點對比。

表3 燃煤機組不同生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)比較Tab.3 Comparisons of different biomass power generation technologies for coal-fired units

2 燃煤機組改造路線

近年來，火電機組改造逐漸從自身設(shè)備升級向耦合儲能技術(shù)及構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)變。一方面，火電機組的相關(guān)設(shè)備技術(shù)在短時間內(nèi)沒有突破性進展；另一方面，可再生能源發(fā)電的迅猛發(fā)展和國家能源政策的引導(dǎo)都迫使火電機組必須在短時間內(nèi)進行轉(zhuǎn)型和低碳化改造?；痣姍C組改造主要集中在以下3個方面：①提高機組的靈活調(diào)峰能力?；痣姍C組轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰電源，需要其瞬時出力滿足電網(wǎng)調(diào)頻的需要?！皟δ?火電”聯(lián)合調(diào)頻可以有效解決機組自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)指令響應(yīng)滯后的問題。②可再生能源消納。構(gòu)建微電網(wǎng)系統(tǒng)對附近的可再生能源進行消納，可保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。③節(jié)能減碳。火電機組節(jié)能減排是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要內(nèi)容，又與企業(yè)利潤密切相關(guān)。通過采用生物質(zhì)發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)等技術(shù)，從原料到生產(chǎn)過程中的全面減碳為火電機組的清潔化全面賦能。表4所列為不同改造技術(shù)優(yōu)缺點對比，可為后續(xù)預(yù)測燃煤改造技術(shù)的發(fā)展?jié)摿εc未來趨勢提供參考。

表4 燃煤機組改造技術(shù)對比Tab.4 Comparisons of transform technologies for coal-fired units

在“雙碳”目標的引導(dǎo)下，火電機組的改造之路將會在靈活運行與負碳技術(shù)方面持續(xù)發(fā)力。通過深度調(diào)峰、熱電解耦等技術(shù)助力火電機組快速高質(zhì)量向調(diào)峰電源轉(zhuǎn)型，通過“生物質(zhì)摻燒+碳捕集技術(shù)”，實現(xiàn)火電機組負碳化改造目標，為長期留存煤電作為保障性電源鋪路。圖7所示為燃煤機組改造技術(shù)路線。

圖7 燃煤機組改造技術(shù)路線Fig.7 Technical roadmap for upgrading coal-fired units

3 結(jié)論

在“雙碳”目標的大背景下，我國電力能源結(jié)構(gòu)將會進行大規(guī)模調(diào)整，新能源發(fā)電快速發(fā)展，發(fā)電占比不斷上升，煤電的角色定位將從基礎(chǔ)電源向調(diào)峰電源轉(zhuǎn)變。具體表現(xiàn)如下：

a)目前多種燃煤機組改造技術(shù)中，各種技術(shù)的優(yōu)缺點、發(fā)展情況與瓶頸不盡相同，自身改造技術(shù)是目前最成熟的機組改造方式。該方式在短期內(nèi)實現(xiàn)機組節(jié)能提效和能源梯級利用的目標具有一定的可行性，但在中長期構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中顯得功能不足。

b)耦合儲能技術(shù)能夠提高燃煤機組靈活性，是目前燃煤機組向調(diào)峰電源轉(zhuǎn)型的最有效的技術(shù)路線?，F(xiàn)階段該方式主要受限制于高成本和低效率，但儲能技術(shù)與燃煤機組的深度耦合仍是一項具有發(fā)展前景的應(yīng)用方式，目前主要處于示范階段。

c)燃煤機組的“負碳化”屬于中長期的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，當(dāng)下研究仍處于起步階段，現(xiàn)重點實踐在于碳捕集技術(shù)和生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)研究。盡管高能耗高成本問題是該技術(shù)推廣的一個核心難題，“生物質(zhì)發(fā)電+碳捕集”的技術(shù)路線仍被認為是2060年實現(xiàn)碳中和的有力支撐[39]。

在“三改聯(lián)動”的大背景下，燃煤發(fā)電機組重點技術(shù)攻關(guān)方向包括:①采用復(fù)合燃料或超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能降耗改造；②加快改造升級為熱電聯(lián)產(chǎn)機組或耦合儲熱技術(shù)滿足供熱需求；③耦合儲能裝置，在不改變原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高對新能源電力的消納能量。未來燃煤發(fā)電機組低碳轉(zhuǎn)型重點發(fā)展方向為：①固廢摻混技術(shù)，該技術(shù)在低負荷穩(wěn)態(tài)及“凈零”碳排放方面具有較好的發(fā)展前景；②深度耦合儲能技術(shù)，建立“傳統(tǒng)火電+可再生能源”的多源互補發(fā)電系統(tǒng)；③燃煤機組耦合碳捕集裝置，通過儲質(zhì)裝置實現(xiàn)靈活捕碳及提高調(diào)峰能力；④探索新的工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)自身的運行能力。