“雙碳”目標(biāo)下動(dòng)力煤生產(chǎn)利用低碳化模式探討
◎? 張文輝 李全生 陳為高
核心閱讀：在未來的清潔燃煤電廠中,，褐煤等低變質(zhì)程度煤將是“雙碳”目標(biāo)下的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤,。但褐煤水分含量高,、發(fā)熱量低的特性,，限制了其能源效率的提高,，因此應(yīng)建設(shè)“利用電廠的余熱對(duì)褐煤進(jìn)行干燥脫水提質(zhì)加工的煤電一體化”新模式,，提高褐煤品質(zhì)和發(fā)電效率,，降低煤炭生產(chǎn)利用成本,，為燃煤電廠實(shí)施CO2捕集封存拓展足夠的成本空間,，使清潔燃煤電廠污染物和CO2排放達(dá)到或低于天然氣電廠水平,，實(shí)現(xiàn)低碳化。與此同時(shí),，充分發(fā)揮清潔煤電在“雙碳”目標(biāo)下的“兜底”和能源安全保障作用,，使清潔煤電成為碳中和后我國清潔能源中不可缺少的組成部分。
我國力爭2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”,、2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”是一場硬仗,，為此，要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系,，控制化石能源總量,，著力提高能源利用效率,，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革,，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),。截至2020年底，我國清潔能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模增長到10.83億千瓦,，首次超過煤電裝機(jī),，占總裝機(jī)比重達(dá)到約49.2%，建立起了多元能源供應(yīng)體系,。
盡管如此，我國能源電力領(lǐng)域碳減排的任務(wù)仍然較重,。數(shù)據(jù)顯示,，能源燃燒是我國主要的二氧化碳排放源，占我國全部二氧化碳排放的88%左右,，電力行業(yè)排放約占能源行業(yè)排放的41%,。發(fā)展可再生能源是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的重要措施?？稍偕茉创笠?guī)模,、高比例、市場化發(fā)展,，提高其在能源,、電力消費(fèi)中的比重，將使可再生能源在“十四五”時(shí)期成為我國一次能源消費(fèi)增量的主體,。但風(fēng)電和光伏發(fā)電具有波動(dòng)性,，未來隨著新能源快速發(fā)展，新型用能設(shè)備廣泛應(yīng)用,，電力系統(tǒng)的供需平衡難度,、安全穩(wěn)定運(yùn)行保障難度的相應(yīng)增大，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)勢在必行,。
“雙碳”目標(biāo)將推動(dòng)我國煤炭清潔高效生產(chǎn)和利用實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,。以實(shí)現(xiàn)“碳中和”為目標(biāo)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),，需要多方面協(xié)同發(fā)力,，充分發(fā)揮清潔燃煤電廠靈活調(diào)節(jié)能力，研究完善清潔燃煤電廠主動(dòng)深度調(diào)峰以及實(shí)施靈活性改造的技術(shù)方案,，配套建設(shè)碳捕集和封存裝置,，著力提升燃煤電廠效率和清潔化水平，減少燃煤電廠污染物和碳排放,，建設(shè)符合“碳中和”要求的清潔燃煤電廠,，充分發(fā)揮清潔燃煤電廠的能源安全兜底作用,，這對(duì)清潔燃煤電廠用煤質(zhì)量提出了新的低碳化要求。
一,、“雙碳”目標(biāo)下,，清潔燃煤電廠的定位
1.清潔燃煤電廠將是“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)的重要組成部分
新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性，需要煤電等其他電源配合新能源的波動(dòng)性來維持電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定,，保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性,。
在新能源高度發(fā)達(dá)的歐盟，煤電市場逐步縮小,，但在電力調(diào)峰的靈活電源市場上仍占有重要位置,。2019年，歐盟消耗煤炭約5億噸,，其中德國消耗煤炭約1.66億噸,。因此，煤電在清潔方面雖不如新能源,，但其具有穩(wěn)定性好和廉價(jià)的優(yōu)勢,，在能源市場中仍將占有一席之地。在“雙碳”目標(biāo)下,，對(duì)燃煤電廠的要求是,，不僅CO2、NOx,、Hg和粉塵等污染物排放要低,，達(dá)到天然氣電廠的水平，而且CO2排放水平也要低,，達(dá)到天然氣電廠CO2排放水平,，并且成本要與天然氣電廠相當(dāng)。在未來電力市場上,，其市場大小關(guān)鍵取決于煤電的清潔生產(chǎn)成本,，是否具有實(shí)施碳封存的成本空間，建成污染物和CO2排放水平達(dá)到天然氣電廠的清潔水平,。因此,，未來的清潔燃煤電廠將是高效、智慧,，并將具有超低排放和CO2捕集封存(CCS)能力的清潔燃煤電廠,。
2.清潔燃煤電廠要配套建設(shè)CO2捕集封存降碳裝置
清潔燃煤電廠要實(shí)現(xiàn)CO2排放水平達(dá)到天然氣電廠的清潔水平，必須配套建設(shè)CO2捕集封存等降碳裝置,。燃煤電廠CO2捕集是指將CO2從燃煤鍋爐尾部煙道中通過物理或化學(xué)方法分離出來并濃縮聚集的過程,。我國已有多家電力公司開展CO2捕集和封存研究工作，結(jié)果表明,，投資和運(yùn)行費(fèi)用昂貴是CO2捕集最大的障礙,。因此,，降低投資費(fèi)用和運(yùn)行能耗是碳捕集封存技術(shù)的發(fā)展方向。目前,，電廠主要有3種不同的CO2捕集技術(shù)路線,，即燃燒前脫碳、燃燒后脫碳以及富氧燃燒技術(shù)等,。
中國華能集團(tuán)公司高碑店熱電廠項(xiàng)目是我國首個(gè)燃煤電廠CO2捕集示范工程,，由中國華能集團(tuán)公司和西安熱工研究院有限公司共同開發(fā)，項(xiàng)目總投資約3000萬元,。自2008年投入運(yùn)行以來,，CO2回收率大于85％，CO2純度達(dá)到99%,，售給當(dāng)?shù)仫嬃仙a(chǎn)廠家,。高碑店電廠每年排放CO2約400萬噸，日捕集量最大達(dá)12噸,，生產(chǎn)每噸食品級(jí)CO2的成本大約是400元。
中國電力投資集團(tuán)公司重慶合川雙槐電廠碳捕集項(xiàng)目,，包括2座裝機(jī)容量為300MW的機(jī)組,，年產(chǎn)工業(yè)級(jí)CO2約1萬噸。該項(xiàng)目投資1235萬元,，碳捕集率高于95％,，CO2純度高于99%，每捕集1噸CO2需消耗低壓蒸汽3噸,，用電90kwh,，初步測算雙槐電廠生產(chǎn)液態(tài)CO2成本約為400元/噸。
由于煤化工過程中為脫除酸性氣體均配有低溫甲醇洗裝置,，這種內(nèi)嵌于生產(chǎn)工藝的碳捕集裝置,，會(huì)大大節(jié)省碳捕集封存成本，捕集成本比常規(guī)燃煤電廠低20％~50％,。初步研究表明,，對(duì)煤化工過程產(chǎn)生的CO2進(jìn)行碳捕集后封存至咸水層，單位成本為284.2元／噸,。綜上所述,，燃煤電廠CO2捕集封存費(fèi)用在400~600元/噸。目前,，國家能源集團(tuán),、華潤集團(tuán)正在進(jìn)行這方面的研究，2021年,，國家能源集團(tuán)在錦界電廠建成15萬噸/年二氧化碳捕集示范項(xiàng)目,，是我國目前規(guī)模最大的燃煤電廠燃燒后捕集示范項(xiàng)目,。2019年，華潤集團(tuán)在海豐電廠建成碳捕集,、利用和封存測試平臺(tái),。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來CO2捕集封存的成本還會(huì)進(jìn)一步降低,。以噸煤發(fā)電排放2.5噸CO2來計(jì)算,，如果CO2脫除率按50%、發(fā)電煤耗按300g/kwh計(jì)算,，則發(fā)電成本增加約15分~22分/kwh,。
目前,各地天然氣上網(wǎng)電價(jià)普遍較高，天然氣發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)在40分~80分/kwh,。因此,，與天然氣電廠相比，國內(nèi)配套CO2捕集封存裝置的清潔燃煤電廠具有一定的市場競爭力,，在清潔能源市場中將占有一席之地,。
由于燃煤電廠排放CO2數(shù)量巨大，依靠CO2利用實(shí)現(xiàn)燃煤電廠碳減排目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn),。因此,，目前碳減排的研究重點(diǎn)還是捕集和地質(zhì)封存。
2020年,美國運(yùn)營的CO2捕集封存與利用項(xiàng)目38個(gè),，CO2捕集量超過3000萬噸,。中國已投運(yùn)或建設(shè)中的CO2捕集封存與利用示范項(xiàng)目約40個(gè)，捕集能力為300萬噸/年,多以石油,、煤化工,、電力行業(yè)小規(guī)模的捕集驅(qū)油示范為主，缺乏大規(guī)模的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)示范,。
二,、“雙碳”目標(biāo)下，清潔燃煤電廠對(duì)動(dòng)力煤質(zhì)量的新要求
1.H/C原子比將是評(píng)價(jià)動(dòng)力煤質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)
降低燃煤電廠成本,，首先要降低電廠用煤成本,。根據(jù)新型燃煤電廠減污降碳的要求，提供電廠的動(dòng)力煤燃料不僅要低硫,、低灰,，而且要低碳，減少電廠降碳的成本,。
為了嚴(yán)格控制燃煤電廠污染物排放,，近年來，我國又實(shí)施了超低排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步嚴(yán)控燃煤電廠CO2,、NOx和粉塵污染物的排放,，使燃煤電廠這三類污染物的排放基本達(dá)到天然氣電廠的水平，在減少電廠污染物排放方面走在了世界前列,。燃煤電廠為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),，對(duì)動(dòng)力煤的質(zhì)量要求是硫份、灰分含量低等,，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《商品煤質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制技術(shù)指南》,，硫份大于3%，灰分大于40%及有害元素含量高的商品煤禁止進(jìn)入市場銷售,。但在“雙碳”目標(biāo)下,，動(dòng)力煤僅硫份、灰分及有害元素含量低是不夠的,，因?yàn)檫€要碳含量低,，不僅滿足燃煤電廠排放減污的要求，而且要符合“雙碳”目標(biāo)下降碳的要求,。因此,，在“雙碳”目標(biāo)下，清潔燃煤電廠對(duì)動(dòng)力煤的質(zhì)量要求是H/C比高,，硫份,、灰分含量低等，H/C原子比將是評(píng)價(jià)動(dòng)力煤質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo),。
2.不同H/C原子比煤種CO2排放系數(shù)計(jì)算
根據(jù)國家煤炭分類標(biāo)準(zhǔn)，我國將煤分為褐煤,、煙煤和無煙煤三大類,，其中根據(jù)揮發(fā)份、氫含量,、透光率和粘結(jié)指數(shù)等指標(biāo),，將褐煤分為2小類，煙煤分為12小類,，無煙煤分為3小類,，其中褐煤H/C比在0.8~1.1之間，煙煤的H/C原子比在0.5~0.9之間,無煙煤的H/C原子比在0.1~0.5之間,。在動(dòng)力煤中,，對(duì)發(fā)熱量的主要貢獻(xiàn)是煤中的碳和氫，碳與氧燃燒放出的熱量是96.6kcal/mol,，碳燃燒放出熱量是8050kcal/kg,，氫與氧燃燒放出的熱量是57.7kcal/mol，氫燃燒放出熱量是28560kcal/kg，氫碳熱量比是28560/96600=0.295,。因此,，若燃燒褐煤達(dá)到天然氣的CO2排放水平，脫除42%左右的CO2即可,。
根據(jù)CO2排放系數(shù)測算,，取得同樣的發(fā)熱量，褐煤H/C原子比高,，比煙煤少排放約5%的CO2,，比無煙煤少排放約14%的CO2。因此,，在“雙碳”目標(biāo)下,，褐煤是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力煤，有助于減少燃煤電廠CO2的排放,。
三,、“雙碳”目標(biāo)下，建設(shè)煤電一體化高質(zhì)量發(fā)展新模式
1.煤電一體化生產(chǎn)模式特點(diǎn)
“雙碳”目標(biāo)下,，清潔燃煤電廠對(duì)動(dòng)力煤生產(chǎn)成本提出了新的要求,，要求降低煤炭生產(chǎn)成本，降低燃煤發(fā)電減污降碳成本,，提高清潔煤電的市場競爭力,。煤電一體化是低成本、高效率的煤炭生產(chǎn)利用模式,，由于減少了煤炭存儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)等中間環(huán)節(jié),，具有運(yùn)營效率高、能源利用率高,、產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量有保障等特點(diǎn),，減少煤炭生產(chǎn)和發(fā)電利用過程中污染物排放，助推建設(shè)清潔高效煤電產(chǎn)業(yè)鏈,，提高煤電綠色發(fā)展水平,，降低煤電成本，為燃煤電廠實(shí)施CO2捕集和封存開拓足夠的成本空間和清潔煤電市場空間,。
2.以煤電一體化模式為基礎(chǔ),，利用電廠余熱對(duì)褐煤進(jìn)行干燥脫水
節(jié)能提效是目前最有效的減少碳排放措施。2020年,，我國供電煤耗平均值在305.5克/千瓦時(shí)左右,，我國部分百萬超臨界機(jī)組供電煤耗降到270克/千瓦時(shí)以下；2019年,，我國供電最低煤耗253克/度,。因此，我國燃煤電廠節(jié)能提效減排CO2潛力巨大，若我國供電煤耗從目前的305.5克/千瓦時(shí),，降到260克/千瓦時(shí),，則可以節(jié)省動(dòng)力煤3.2億噸左右，直接減排CO2約8億噸,。最新研究成果表明,，提高煤質(zhì)穩(wěn)定性，提高燃料煤發(fā)熱量,，均有利于降低供電煤耗,。
與其他煤種相比，雖然褐煤具有H/C原子比高的優(yōu)勢,，但褐煤普遍水含量比較高,，發(fā)熱量低。關(guān)于褐煤干燥提高能源利用效率,，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究工作,，研究主要集中在干燥原理和干燥方法，以及干燥后煤質(zhì)特性及工業(yè)示范,，成功的褐煤干燥技術(shù)是以煤電一體化為基礎(chǔ),，利用電廠余熱對(duì)褐煤進(jìn)行干燥脫水的提質(zhì)加工技術(shù)。
德國利用熱值為9.2MJ/kg的高水分褐煤,，實(shí)現(xiàn)了大容量1000MW等級(jí)超臨界機(jī)組的高效,、節(jié)能電廠目標(biāo)，年均供電煤耗降到292克／千瓦時(shí),，其主要是采用了利用電廠余熱的褐煤干燥技術(shù),，大幅度降低了褐煤發(fā)電煤耗；國內(nèi)研究也表明,，利用電廠余熱的高水分褐煤預(yù)干燥,，可使超臨界機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降到272克／千瓦時(shí)。
褐煤等低變質(zhì)程度煤埋藏淺,，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低,，在我國煤電一體化體系中,，褐煤預(yù)干燥和脫灰技術(shù)與火力發(fā)電技術(shù)的結(jié)合，是一套高效,、節(jié)能,、低碳、低成本的燃煤發(fā)電系統(tǒng),，同時(shí)也可以考慮利用電廠余熱對(duì)褐煤等低變質(zhì)煤種進(jìn)行干餾加工,，獲得高H/C的清潔燃料，彌補(bǔ)我國天然氣的短缺，減少碳排放,。這種技術(shù)必將引領(lǐng)我國火電先進(jìn)技術(shù)與煤炭先進(jìn)技術(shù)的跨行業(yè)技術(shù)融合發(fā)展,，建設(shè)在“雙碳”目標(biāo)下高效、節(jié)能,、低碳的清潔燃煤發(fā)電系統(tǒng),，使清潔煤電成為我國清潔能源的一部分，為我國早日實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)做出貢獻(xiàn),。
在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下,，清潔燃煤電廠對(duì)動(dòng)力煤質(zhì)量及生產(chǎn)模式的新要求是，在煤電一體化低成本生產(chǎn)模式中,，動(dòng)力煤不僅硫份,、灰分等雜質(zhì)含量要低，而且H/C原子比要高,，H/C原子比是評(píng)價(jià)動(dòng)力煤性質(zhì)的重要指標(biāo),。由于褐煤H/C原子比高，在釋放同樣熱量的情況下,，CO2排放少,，有助于燃煤電廠降低CO2排放。初步測算,，若燃燒褐煤達(dá)到天然氣的CO2排放水平,，脫除42%左右的CO2即可。因此,，在未來的清潔燃煤電廠中,，褐煤等低變質(zhì)程度煤將是“雙碳”目標(biāo)下的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤。為建設(shè)清潔高效的褐煤電廠,，應(yīng)充分發(fā)揮煤電一體化優(yōu)勢,，利用電廠余熱對(duì)褐煤進(jìn)行干燥脫水和脫灰提質(zhì)加工，提高電廠能源利用效率,，降低褐煤等低變質(zhì)程度煤生產(chǎn)利用成本,，為清潔燃煤電廠實(shí)施CO2捕集封存開拓足夠的成本空間，使清潔燃煤電廠不僅在減污方面可以達(dá)到天然氣電廠水平,，而且在降碳方面也可以和天然氣電廠競爭,，使清潔煤電成為“碳中和”后我國清潔能源中不可缺少的組成部分，為“雙碳”目標(biāo)下煤炭產(chǎn)業(yè)生存發(fā)展開辟一條新的途徑,。
（作者單位：中國神華能源股份有限公司,、國家能源集團(tuán)公司科技部)
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