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摘要：在“雙碳”目標(biāo)下，煤炭發(fā)電逐漸由主體能源向托底能源轉(zhuǎn)變，燃煤發(fā)電技術(shù)在煤炭清潔處理、高效率發(fā)電及排放物低碳處理等各方面不斷發(fā)展，同時(shí)也向深度調(diào)峰輔助服務(wù)、“燃煤+”耦合發(fā)電等方向轉(zhuǎn)型，探索高效清潔的先進(jìn)煤炭發(fā)電技術(shù)意義重大。分析超臨界煤氣化、超臨界煤液化以及超臨界水煤氧化等煤炭清潔利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，討論超臨界水煤氧化熱力發(fā)電技術(shù)、超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)、超超臨界循環(huán)流化床技術(shù)等先進(jìn)燃煤低碳發(fā)電方式的技術(shù)特點(diǎn)，論述碳捕集利用與封存技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)展望煤炭清潔利用發(fā)電技術(shù)的轉(zhuǎn)型方向，為碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供發(fā)展思路。
引文信息
董潔, 喬建強(qiáng). “雙碳”目標(biāo)下先進(jìn)煤炭清潔利用發(fā)電技術(shù)研究綜述[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(8): 202-212.
DONG Jie, QIAO Jianqiang. A review on advanced clean coal power generation technology under "carbon peaking and carbon neutrality" goal[J]. Electric Power, 2022, 55(8): 202-212.
引言
“2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”（簡(jiǎn)稱“雙碳”目標(biāo)）是中國(guó)在解決全球氣候問(wèn)題方面的具體目標(biāo)和莊嚴(yán)承諾。中國(guó)長(zhǎng)期存在“多煤少油少氣”的資源稟賦，煤炭仍將在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。根據(jù)中電聯(lián)最新數(shù)據(jù)顯示，截至2022年4月，中國(guó)煤電裝機(jī)占比已下降至46%左右，但仍提供近60%的發(fā)電量，在“雙碳”目標(biāo)下，探索低碳高效的煤炭清潔利用發(fā)電技術(shù)至關(guān)重要[1-4]。
超臨界煤液化技術(shù)[5-12]、超臨界煤氣化技術(shù)[13-21]和超臨界水煤氧化技術(shù)[22-23]是重要的煤炭清潔利用方式，可充分利用煤炭熱值，將原煤加工轉(zhuǎn)化成航天燃油、燃?xì)?、氫能等不同類型的清潔能源，是未?lái)煤炭清潔利用、尋求清潔高效發(fā)電技術(shù)的前端關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)；超臨界水煤氧化熱力發(fā)電技術(shù)[24-26]、超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)[27-28]、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)（integrated gasification combined cycle，IGCC）[29-31]以及超臨界循環(huán)流化床技術(shù)[32-33]是國(guó)內(nèi)外燃煤低碳高效發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向，可有效提高化石能源的發(fā)電效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較低污染物排放；碳捕集利用與封存技術(shù)（carbon capture utilization and storage，CCUS）[34-39]是“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)手段，將燃煤發(fā)電廠尾氣中CO2直接捕集固定，提純后投入新的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行循環(huán)再利用，既可以實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)零碳排放，又可以實(shí)現(xiàn)碳資源的有效利用，產(chǎn)生額外的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)隨著煤炭發(fā)電向著保障性、基礎(chǔ)性能源方向轉(zhuǎn)型，對(duì)燃煤機(jī)組的靈活性改造和參與調(diào)峰輔助服務(wù)[40-41]成為必然選擇，“燃煤+”耦合發(fā)電技術(shù)[42-47]也成為燃煤發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)型的重要方向。
本文主要綜述國(guó)內(nèi)外先進(jìn)煤炭清潔利用發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)合中國(guó)能源結(jié)構(gòu)變革和轉(zhuǎn)型趨勢(shì)，展望未來(lái)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和趨勢(shì)，并給出了燃煤發(fā)電機(jī)組的主要轉(zhuǎn)型方向，為早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供借鑒。
1 煤炭清潔利用發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展
煤炭清潔利用發(fā)電技術(shù)發(fā)展方向繁多，按照原料處理、生產(chǎn)加工、尾氣排放的基本發(fā)電過(guò)程，大體可分為對(duì)煤炭的清潔處理技術(shù)、先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)以及尾氣低碳處理技術(shù)。
1.1 煤炭清潔處理技術(shù)
煤炭清潔處理是燃煤發(fā)電清潔環(huán)保的關(guān)鍵，先進(jìn)超臨界煤液化技術(shù)、超臨界煤氣化技術(shù)及超臨界水煤氧化技術(shù)可以在低污染物排放的同時(shí)實(shí)現(xiàn)化石能源的高效利用，是低碳燃煤發(fā)電技術(shù)的重要基礎(chǔ)。超臨界流體技術(shù)的發(fā)展歷程如圖1所示。
圖1 超臨界流體技術(shù)發(fā)展歷程
Fig.1 Development of supercritical fluid technology
1.1.1 超臨界煤液化技術(shù)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，使用石油等液體燃料發(fā)電的小型備用發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，20世紀(jì)70年代有學(xué)者開(kāi)始了超臨界煤液化技術(shù)的試驗(yàn)研究。超臨界煤液化技術(shù)是指在超臨界狀態(tài)下，對(duì)粉碎后的煤粉在有催化劑的條件下進(jìn)行化學(xué)加工，使得煤粉在超臨界溶劑的作用下加氫裂解轉(zhuǎn)化成液體燃料[2-5]，常規(guī)超臨界煤液化技術(shù)工藝流程如圖2所示。超臨界煤液化技術(shù)主要的目標(biāo)產(chǎn)物是柴油、汽油以及航空燃油等高附加值化工產(chǎn)品，其副產(chǎn)物氣體可作為高熱值氣體燃料，固體可作為吸附劑，通過(guò)對(duì)不同煤種在不同的溫度及壓力條件下進(jìn)行催化反應(yīng)，生成不同種類的目標(biāo)產(chǎn)物。
圖2 超臨界煤液化工藝流程
Fig.2 Schematic of supercritical coal liquefaction process
超臨界煤液化首先用熱解法或萃取法除碳，然后采用直接法或間接法加氫，根據(jù)不同的目標(biāo)產(chǎn)物調(diào)節(jié)配比H/C的原子比例，褐煤、煙煤等低品位煤的粘結(jié)性較低、揮發(fā)分高，是超臨界煤液化技術(shù)的首選煤種[6-7]。煤液化過(guò)程中，催化劑的作用非常明顯，可以顯著提高反應(yīng)速率，提高有機(jī)物萃取過(guò)程的轉(zhuǎn)化率[8-9]。經(jīng)除碳、加氫處理后隔絕空氣，使大分子煤粉發(fā)生裂解，獲得汽油、柴油、航空燃料、石腦油等液體燃料，并通過(guò)超臨界萃取劑對(duì)產(chǎn)物分類萃取，有機(jī)溶劑對(duì)煤液化反應(yīng)的中間產(chǎn)物也具有較好的溶解性，因此目前廣泛采用的超臨界萃取劑主要包括多環(huán)芳烴化合物、小分子醇類、烷烴類物質(zhì)以及H2O/CO等混合溶劑[10]。超臨界煤液化過(guò)程中液化產(chǎn)物含氧量增加會(huì)降低產(chǎn)物的熱值，秸稈、木屑、橡膠等生物質(zhì)中富含大量氫元素，在與煤粉共液化過(guò)程中可產(chǎn)生大量自由基，有效降低液化反應(yīng)的氫耗量，對(duì)煤液化反應(yīng)有很好的促進(jìn)作用，因此超臨界煤與生物質(zhì)共液化耦合余熱利用技術(shù)正逐漸應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)的能源供應(yīng)[11-12]。超臨界煤液化技術(shù)將煤炭轉(zhuǎn)化為高熱值液體燃料，是小型燃煤發(fā)電技術(shù)清潔低碳發(fā)展的重要基礎(chǔ)。
1.1.2 超臨界煤氣化技術(shù)
隨著氫能源的推廣，超臨界煤氣化制氫技術(shù)以其工藝成熟、氣化效率較高、過(guò)程清潔等優(yōu)點(diǎn)逐漸引起關(guān)注，掀起構(gòu)建新型超臨界水煤氣化制氫熱力發(fā)電系統(tǒng)的熱潮。超臨界煤氣化反應(yīng)是指在超臨界溫度及壓力的條件下，煤或焦炭與氣化劑發(fā)生氣化反應(yīng)，獲得CO、CH4、H2等高品位清潔合成氣的過(guò)程[13-14]。傳統(tǒng)超臨界煤氣化技術(shù)流程如圖3所示，氣化劑通常為氧氣或富氧空氣、水蒸汽等，不同氣化劑種類和不同氣化反應(yīng)條件可獲得不同組分的燃料煤氣，再通過(guò)CO變換、酸性氣體脫除、分離和提純等處理，獲得一定純度的H2。研究表明，提高反應(yīng)溫度有利于提高產(chǎn)氫率，降低產(chǎn)物中煤焦油比例[15-16]。
圖3 超臨界煤氣化工藝流程
Fig.3 Schematic of supercritical coal gasification process
此外，超臨界水煤氣化制氫過(guò)程中配合KOH、K2CO3、Na2CO3、羧甲基纖維素鈉等經(jīng)濟(jì)性較高、催化效果較好的堿性催化劑，也可提高煤氣化過(guò)程的產(chǎn)氫率[17]。目前，超臨界煤氣化制氫仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，文獻(xiàn)[18-19]搭建了連續(xù)式超臨界煤氣化制氫試驗(yàn)平臺(tái)，在有催化劑和無(wú)催化劑條件下分別討論臨界煤氣化制氫過(guò)程規(guī)律，催化劑可以有效提高氫氣產(chǎn)率，但是催化劑的使用會(huì)使煤氣化過(guò)程更加復(fù)雜，且存在催化劑分離的技術(shù)難題；文獻(xiàn)[20-21]構(gòu)建了新型超臨界水中煤氣化制氫熱力發(fā)電系統(tǒng)，并采用熱力學(xué)方法分析了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化機(jī)理及系統(tǒng)效率。超臨界煤氣化技術(shù)可制取清潔合成氣以及氫氣，有利于IGCC等先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
1.1.3 超臨界水煤氧化技術(shù)
煤粉燃燒是劇烈氧化反應(yīng)，在對(duì)熱能利用的過(guò)程中存在大量能量損失，且有NOx和SOx等污染物生成，因此亟須探索新的煤炭清潔利用方式。超臨界水煤氧化技術(shù)是指煤粉與空氣、氧氣等氧化劑在超臨界水環(huán)境下發(fā)生直接氧化反應(yīng)，煤粉在幾十秒內(nèi)快速氧化分解并釋放大量熱量[22-23]，超臨界水煤氧化反應(yīng)溫度約為600℃，NOx的產(chǎn)生溫度一般需達(dá)到1000℃以上，因此煤粉中的碳?xì)浠衔飼?huì)氧化生成H2O和CO2，氮元素會(huì)被徹底氧化為N2，硫元素會(huì)生成高價(jià)硫酸鹽，無(wú)NOx和SOx等污染物生成，產(chǎn)物綠色清潔。
超臨界水煤氧化技術(shù)中煤粉在超臨界水中發(fā)生直接氧化反應(yīng)釋放大量熱能，生成具有很大能量的超臨界水（supercritical water，SCW）和超臨界CO2（supercritical carbon dioxide，S-CO2）的混合蒸汽產(chǎn)物，具有反應(yīng)迅速、煤粉分解率高、產(chǎn)物清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。相較于超臨界煤氣化技術(shù)和超臨界煤液化技術(shù)，超臨界水煤氧化技術(shù)的主要區(qū)別在于其反應(yīng)條件、反應(yīng)原理、反應(yīng)程度和最終的目標(biāo)產(chǎn)物不同，技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。超臨界水煤氧化技術(shù)是一種煤炭清潔利用的新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的劇烈燃燒方式，由此引發(fā)眾多學(xué)者探索構(gòu)建新型超臨界水煤氧化熱力發(fā)電系統(tǒng)。
表1 超臨界流體技術(shù)特點(diǎn)
Table 1 Characteristics of supercritical fluid technology
1.2 先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)
在燃煤發(fā)電技術(shù)選擇方面，高參數(shù)高效率的先進(jìn)煤炭發(fā)電技術(shù)不斷成熟發(fā)展，IGCC、超（超）臨界循環(huán)流化床技術(shù)、S-CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)、超臨界水煤氧化熱力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展成熟度和研究深度不同，在集成化程度、規(guī)模化建設(shè)、燃料使用普適性、系統(tǒng)成熟度等方面各具優(yōu)勢(shì)，成為建設(shè)低碳排放燃煤電站的主要方向。
1.2.1 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)
IGCC是現(xiàn)階段發(fā)展迅速且較為成熟的煤炭清潔高效發(fā)電技術(shù)之一，由煤氣化部分和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)部分構(gòu)成，系統(tǒng)流程如圖4所示，具有清潔高效、能源梯級(jí)利用的特點(diǎn)。其中煤氣化部分主要包括氣化爐、空氣分離器和煤氣凈化裝置，占系統(tǒng)能耗比重較高；燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)裝置包括燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)以及余熱利用裝置，可實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，具有較高的發(fā)電效率。目前IGCC發(fā)電的凈效率可達(dá)43%~45%，污染物排放量相比于傳統(tǒng)燃煤電站大大降低，脫硫率可達(dá)99%以上，CO2的捕捉成本相對(duì)較低[24]，是最具有大型工業(yè)化發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵜禾坷冒l(fā)電技術(shù)。
圖4 IGCC系統(tǒng)流程
Fig.4 Flow chart of IGCC system
1984年美國(guó)建成的Cool Water電站是世界上第一座實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的IGCC商業(yè)示范電站。近年來(lái)，美國(guó)、日本、歐洲等多國(guó)的國(guó)家能源戰(zhàn)略均提出要大力發(fā)展IGCC技術(shù)。中國(guó)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030）》中也將IGCC列為未來(lái)燃煤發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。2012年投運(yùn)的華能天津IGCC電站是中國(guó)首座自主設(shè)計(jì)和建造的IGCC電站，額定裝機(jī)容量為265 MW，額定投煤量2 000 t/d，系統(tǒng)采用兩段式干煤粉加壓氣化爐，顯著降低了爐膛內(nèi)熱煤氣溫度，氣化爐碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)98%以上，冷煤氣效率達(dá)83%以上[25]。相比于未采用CO2捕集的燃煤電廠，IGCC電站的投資建設(shè)成本較高，存在更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，但是IGCC電站在燃燒前CO2捕集方面會(huì)更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)[26]，有利于煤基發(fā)電技術(shù)的高效利用和零碳排放。
1.2.2 超（超）臨界循環(huán)流化床技術(shù)
循環(huán)流化床（circulating fluidized bed，CFB）燃燒技術(shù)是劣質(zhì)煤炭清潔燃燒的最佳技術(shù)之一，適用的燃料范圍廣泛，包括低熱值無(wú)煙煤、煙煤、煤矸石、生物質(zhì)垃圾等，具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、資源綜合利用率高的優(yōu)點(diǎn)[27]。近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床大型化、高效率、低排放運(yùn)行，高參數(shù)的超（超）臨界循環(huán)流化床技術(shù)逐漸發(fā)展。超（超）臨界循環(huán)流化床技術(shù)能夠使燃料快速流體化，鍋爐爐膛中熱流密度在爐膛底部最高，并沿爐膛高度逐漸降低，相較于超（超）臨界燃煤鍋爐更有利于水冷壁結(jié)構(gòu)的冷卻，有利于保持爐膛熱負(fù)荷分布均勻和壁溫穩(wěn)定[28]。同時(shí)超（超）臨界循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度較低，煙氣側(cè)產(chǎn)生的結(jié)灰情況較少，有利于保持受熱面潔凈，具有換熱效率高、污染物排放量低等優(yōu)點(diǎn)。
2009年3月，由美國(guó)Foster Wheeler公司設(shè)計(jì)建造了世界上第一臺(tái)超臨界循環(huán)流化床鍋爐，即波蘭Lagisza電廠460 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐，具有良好的燃料適應(yīng)性，在商業(yè)運(yùn)行中性能穩(wěn)定。2012年由中國(guó)東方鍋爐自主研發(fā)并建設(shè)的四川白馬600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐示范工程，是中國(guó)首臺(tái)超臨界循環(huán)流化床機(jī)組，以高灰高硫低熱值貧煤為燃料，可以通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入換熱床循環(huán)灰的比例來(lái)調(diào)節(jié)床溫和汽溫，具有較好的靈活性。2020年9月，中國(guó)超臨界循環(huán)流化床領(lǐng)域的技術(shù)水平進(jìn)一步提高，東方鍋爐研發(fā)的世界首臺(tái)660 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐在山西平朔電廠通過(guò)試運(yùn)行并順利投運(yùn)。超（超）臨界循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具備了超超臨界燃煤鍋爐熱效率高的特點(diǎn)，同時(shí)兼具煤種適應(yīng)性廣、污染物排放低等優(yōu)勢(shì)，是煤炭清潔利用的發(fā)展方向之一。
1.2.3 超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)
由于S-CO2工質(zhì)的優(yōu)異性，S-CO2動(dòng)力循環(huán)的循環(huán)效率比以水蒸氣為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)顯著提高，S-CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)成為極具前景的新型發(fā)電方式。S-CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)是以超臨界CO2（臨界點(diǎn)為304.13 K/7.377 MPa）為循環(huán)工質(zhì)的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)[29]，簡(jiǎn)單系統(tǒng)示意如圖5所示。S-CO2作為熱力循環(huán)工質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)為：（1）CO2的臨界點(diǎn)較低，比H2O更容易達(dá)到超臨界狀態(tài)，具有更高的能量密度；（2）S-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，占地面積較小，其透平做功設(shè)備的體積可降至以水蒸氣為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)系統(tǒng)中汽輪機(jī)設(shè)備的1/10以下；（3）當(dāng)溫度高于550℃時(shí)，S-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的熱效率可達(dá)45%以上，其發(fā)電效率比傳統(tǒng)朗肯循環(huán)高5個(gè)百分點(diǎn)左右[30]。
圖5 布雷頓循環(huán)系統(tǒng)示意
Fig.5 Schematic of Brayton cycle system
21世紀(jì)初以來(lái)，美國(guó)、西班牙等國(guó)開(kāi)始對(duì)核能S-CO2循環(huán)開(kāi)展研究。其中美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室對(duì)集中式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用S-CO2循環(huán)進(jìn)行了研究；法國(guó)電力公司提出了S-CO2循環(huán)燃?xì)獍l(fā)電和碳捕捉耦合設(shè)計(jì)方式。2016年中國(guó)發(fā)布的《中國(guó)制造2025—能源裝備實(shí)施方案》提出要加快S-CO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)的研發(fā)和試驗(yàn)。2019年，華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成了300 kW超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)與燃煤鍋爐系統(tǒng)，該系統(tǒng)S-CO2壓力為30 MPa，溫度為450℃，熱功率為300 kW，為世界上首臺(tái)300 kW燃煤S-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)樣機(jī)。2021年12月，中國(guó)華能集團(tuán)自主研發(fā)的S-CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組順利投運(yùn)，機(jī)組運(yùn)行的最高參數(shù)為600℃、20 MPa，發(fā)電功率為5 MW，是目前國(guó)內(nèi)外運(yùn)行參數(shù)最高、容量最大的S-CO2循環(huán)發(fā)電機(jī)組。
2022年4月，由國(guó)家能源局、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出要研究煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)和先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)，集中攻關(guān)S-CO2發(fā)電技術(shù)，示范試驗(yàn)開(kāi)展10~50 MW級(jí)S-CO2發(fā)電工程。目前S-CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)的廣泛應(yīng)用受到熱源設(shè)備材料性能、印刷電路板回?zé)崞飨到y(tǒng)及S-CO2壓縮機(jī)設(shè)計(jì)等因素制約，但是相較于朗肯循環(huán)，S-CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)具有效率高、經(jīng)濟(jì)性好、結(jié)構(gòu)緊湊且環(huán)境友好的特點(diǎn)，非常適用于分布式能源系統(tǒng)，是煤炭清潔利用發(fā)電技術(shù)的重要研究方向，同時(shí)有望與工業(yè)余熱回收利用、可再生新能源發(fā)電系統(tǒng)、核能發(fā)電等耦合應(yīng)用，將帶來(lái)能源綜合利用的技術(shù)變革。
1.2.4 超臨界水煤氧化熱力發(fā)電技術(shù)
基于超臨界水煤氧化技術(shù)高效清潔特性，超臨界水煤氧化熱力發(fā)電系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)，其基本系統(tǒng)示意如圖6所示。與傳統(tǒng)燃煤鍋爐和蒸汽汽輪機(jī)熱電廠相比，超臨界水煤氧化熱力發(fā)電系統(tǒng)由超臨界水煤氧化反應(yīng)釜取代了燃煤鍋爐，由煤粉燃燒釋放熱能加熱鍋爐水產(chǎn)生高溫蒸汽的方式，轉(zhuǎn)變成了煤粉在超臨界水中與氧化劑快速氧化直接生成高溫H2O和CO2混合氣體的方式，因此避免了燃燒熱量通過(guò)壁面?zhèn)鳠岬霓D(zhuǎn)化過(guò)程，降低熱量損失。
圖6 超臨界水煤氧化發(fā)電系統(tǒng)示意
Fig.6 Schematic of supercritical water coal oxidation power generation system
超臨界水煤氧化熱力發(fā)電技術(shù)的商業(yè)示范應(yīng)用較少，但已有研究表明超臨界水煤氧化熱力發(fā)電系統(tǒng)具有極大的發(fā)展空間。文獻(xiàn)[31]提出了基于超臨界水煤氧化反應(yīng)的新型發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，計(jì)算表明，在650℃、30 MPa條件下，超臨界水煤氧化熱力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)37.8%左右。文獻(xiàn)[32]提出了一種超臨界水煤氣化多級(jí)利用發(fā)電系統(tǒng)，即水煤漿及氧化劑在超臨界水中發(fā)生氣化反應(yīng)，H2、CO2和H2O的混合工質(zhì)直接進(jìn)入蒸汽透平做功，理想模擬熱效率可達(dá)60%以上。文獻(xiàn)[33]提出了一種超臨界水氧化煤粉的新型發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)以空氣作為氧化劑，在600℃、20 MPa條件下發(fā)生水煤氧化反應(yīng)，H2O、N2和CO2的混合工質(zhì)進(jìn)入透平發(fā)電，系統(tǒng)的凈效率為60.8%。此外，超臨界水煤氧化熱力發(fā)電系統(tǒng)中碳元素會(huì)完全氧化為CO2，經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)做功后，可作為不凝結(jié)氣體直接收集，低碳環(huán)保，相比于胺基化學(xué)吸收法等常規(guī)碳捕捉與收集技術(shù)，超臨界水煤氧化熱力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)需復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)或特殊的碳捕捉設(shè)備，可以大幅降低分離固定CO2的成本，完全符合“雙碳”目標(biāo)要求。
1.3 尾氣低碳處理技術(shù)
對(duì)燃煤電站尾氣低碳化處理是實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電低碳排放的最直接手段，可從根本上將尾氣中的CO2以一定手段捕集固定，避免排放到大氣環(huán)境中。CCUS是碳捕獲和封存技術(shù)（carbon capture and storage，CCS）的發(fā)展延伸，主要指將捕獲的CO2提純后繼續(xù)投入新的生產(chǎn)過(guò)程循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)了CO2的資源化利用，分為CO2的捕集、CO2的運(yùn)輸以及捕獲CO2后的封存、利用等過(guò)程[34-36]，如圖7所示。CCUS可以在固碳減排的同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳的資源化利用，隨著各國(guó)有力的政策支持，成為低碳領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)。
圖7 CCUS示意
Fig.7 Schematic of CCUS
CCUS技術(shù)中CO2燃燒前捕集是指在燃燒之前將燃料氣化重整，分解轉(zhuǎn)化成H2、CO、CO2等，再將CO2分離，非常適用于IGCC系統(tǒng)；富氧燃燒即燃燒中捕集技術(shù)，在燃燒過(guò)程中投入大量純氧，可實(shí)現(xiàn)捕獲CO2濃度90%以上；燃燒后捕集是對(duì)燃燒后煙氣進(jìn)行CO2分離捕集，包括化學(xué)吸收法、吸附法、膜分離法等技術(shù)。CO2的利用主要為化工利用，包括生產(chǎn)尿素、水楊酸等無(wú)機(jī)化工原料，以及制備合成氣、低碳烴、乙二醇、甲醇以及一些高分子聚合物，還可以生物利用制備肥料。
燃煤電站配合CCUS技術(shù)可以大幅度降低碳排放量，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要手段之一。截至2021年年底，全球計(jì)劃的商業(yè)CCS項(xiàng)目高達(dá)135個(gè)，CO2捕集能力合計(jì)近百萬(wàn)噸，其中美國(guó)新增CCS設(shè)施最多，這得益于美國(guó)對(duì)CCS政策的支持，包括2021年1月份財(cái)政部和國(guó)稅局出臺(tái)的針對(duì)碳捕獲與封存的企業(yè)所得稅優(yōu)惠政策（45 Q條款）、美國(guó)能源部對(duì)CCUS研究撥款2億美元以及一些能源法案和氫能戰(zhàn)略中對(duì)CCS技術(shù)的支持等。截至2022年年初，中國(guó)已建成多個(gè)10萬(wàn)t級(jí)以上的CO2捕集示范項(xiàng)目，其中中石油吉林油田CO2捕集、埋存與提高采收率技術(shù)（CCS-EOR）示范項(xiàng)目最大捕集能力可達(dá)80萬(wàn)t/年[37]。2021年12月，國(guó)家能源集團(tuán)江蘇泰州電廠開(kāi)工建設(shè)了規(guī)模達(dá)50萬(wàn)t級(jí)的CO2捕集示范裝置，這是目前國(guó)內(nèi)火電領(lǐng)域規(guī)模最大的碳捕集項(xiàng)目。
CCUS技術(shù)對(duì)燃煤發(fā)電技術(shù)負(fù)碳化發(fā)展意義重大，但是CCUS的廣泛應(yīng)用仍存在許多制約因素[38-39]。從CCUS示范項(xiàng)目的運(yùn)行現(xiàn)狀來(lái)看，其捕集環(huán)節(jié)的能耗成本最高，典型CCUS項(xiàng)目成本構(gòu)成為捕集成本占60%、運(yùn)輸成本占22%及封存成本占18%。大規(guī)模CCUS項(xiàng)目投資巨大，使用過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量能耗，投資及運(yùn)行成本約千元/t以上，短期內(nèi)在煤電領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中很難產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)CCUS技術(shù)是捕集、利用、封存等多種技術(shù)的集成，對(duì)技術(shù)要求水平較高?！半p碳”目標(biāo)對(duì)CCUS的大規(guī)模使用具有推動(dòng)作用，但是目前中國(guó)碳交易體系尚未完善，碳稅政策仍未明確，燃煤電站加裝CCUS項(xiàng)目的投資巨大且很難保證項(xiàng)目收益，因此需要全力研發(fā)能耗較低的CCUS技術(shù)，并盡快優(yōu)化碳交易市場(chǎng)，拓展CO2的資源化利用領(lǐng)域，扶持CCUS產(chǎn)業(yè)化、集群化發(fā)展，有效改善燃煤發(fā)電碳排放問(wèn)題。
2 燃煤發(fā)電技術(shù)展望
隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源比重的增加，能源系統(tǒng)清潔轉(zhuǎn)型將從增量綠色發(fā)展逐步向存量減煤減碳與增量綠色發(fā)展并舉轉(zhuǎn)變，燃煤發(fā)電機(jī)組在提高發(fā)電效率的同時(shí)，深度調(diào)峰和耦合發(fā)電等需求逐漸增加。
2.1 深度調(diào)峰
“雙碳”目標(biāo)下，可再生能源發(fā)電比例不斷提高，間歇性不穩(wěn)定的風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)電網(wǎng)造成了較大沖擊，因此電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題尤為突出，燃煤發(fā)電的地位逐漸由主體能源向托底調(diào)峰能源轉(zhuǎn)變，深度調(diào)峰已成為燃煤電站靈活性改造的重要方向。
燃煤電站的調(diào)峰能力是指電站最大穩(wěn)燃負(fù)荷與最小穩(wěn)燃負(fù)荷之比，當(dāng)電站調(diào)峰深度達(dá)80%以上時(shí)，即為深度調(diào)峰。目前中國(guó)火電機(jī)組的調(diào)峰能力基本在60%~70%，部分發(fā)達(dá)國(guó)家采用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組并配置蓄熱罐的靈活性改造方式，調(diào)峰幅度可以達(dá)到70%~80%，因此中國(guó)燃煤發(fā)電機(jī)組還有很大的調(diào)峰提升空間[40]。近年來(lái)中國(guó)多省相繼出臺(tái)激勵(lì)性的調(diào)峰輔助服務(wù)實(shí)施辦法。2016年?yáng)|北地區(qū)出臺(tái)的《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》積極鼓勵(lì)燃煤電廠進(jìn)行調(diào)峰改造，挖掘調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)潛力?！丁笆奈濉爆F(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中提到，力爭(zhēng)到2025年，煤電機(jī)組靈活性改造規(guī)模累計(jì)超過(guò)2億kW，煤電的調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)對(duì)中國(guó)新能源消納具有重要意義。2022年1月，大唐秦嶺電廠660 MW機(jī)組實(shí)現(xiàn)10%低負(fù)荷深度調(diào)峰，成為火電廠深度調(diào)峰的新標(biāo)桿。
常見(jiàn)的燃煤機(jī)組鍋爐側(cè)調(diào)峰改造技術(shù)為鍋爐富氧燃燒技術(shù)，通過(guò)一體化控制系統(tǒng)優(yōu)化氧量、燃料量等運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)控制[41]。燃煤機(jī)組在進(jìn)行調(diào)峰改造時(shí)，機(jī)組的最低穩(wěn)定負(fù)荷工況主要存在空氣預(yù)熱器腐蝕、結(jié)灰、阻力升高等問(wèn)題，極大影響了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。通過(guò)優(yōu)化燃燒調(diào)整、優(yōu)化空氣預(yù)熱器換熱面間隙、合理改造NOx燃燒器、控制煙氣脫硝裝置入口煙速等方法，可以有效保持機(jī)組低負(fù)荷工況穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)燃煤機(jī)組調(diào)峰能力還會(huì)受到環(huán)保及輔機(jī)系統(tǒng)的安全性等因素制約，為提高燃煤熱電機(jī)組的靈活性，可配套儲(chǔ)熱裝置“熱電解耦”以實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，例如高壓電極鍋爐技術(shù)、常壓/承壓式蓄熱罐技術(shù)等。
2.2 “燃煤+”耦合發(fā)電
“燃煤+”耦合發(fā)電是燃煤發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向之一，包括“煤電+生物質(zhì)/固廢”“煤電+光熱”“煤電+氫氨燃料”耦合發(fā)電等。2022年4月國(guó)家能源局、科學(xué)技術(shù)部發(fā)布的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中提出，鼓勵(lì)燃煤電廠進(jìn)行節(jié)能環(huán)保、靈活性提升、耦合生物質(zhì)發(fā)電等改造，要因地制宜推廣耦合農(nóng)林廢棄物、市政污泥、生活垃圾等發(fā)電技術(shù)，進(jìn)一步提高現(xiàn)役燃煤電廠耦合發(fā)電技術(shù)水平。
2.2.1 “燃煤+生物質(zhì)/固廢”耦合發(fā)電
在大型燃煤電廠進(jìn)行耦合生物質(zhì)/固廢發(fā)電，有助于生物質(zhì)/固廢無(wú)害化、減量化、資源化利用[42]，既可以提高生物質(zhì)/固廢資源利用率，又可以降低化石燃料燃燒的碳排放量，提高燃煤耦合電站的靈活性和燃煤發(fā)電的可持續(xù)性。大型燃煤電站耦合生物質(zhì)/固廢發(fā)電改造可以在電站附近建設(shè)燃料預(yù)處理工廠，對(duì)生物質(zhì)/固廢原料進(jìn)行分類、烘焙、除雜、研磨等加工處理，或采用氣化爐對(duì)生物質(zhì)/固廢進(jìn)行氣化處理，再將處理后的生物質(zhì)/固廢燃料以一定比例與煤粉摻燒，通常15%熱值比例混合對(duì)電廠運(yùn)行影響較小，便于耦合改造和提高經(jīng)濟(jì)效益。
早在1997年的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的京都議定書》中，歐盟國(guó)家就開(kāi)始采用燃煤與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電技術(shù)以降低CO2排放量，《巴黎協(xié)定》進(jìn)一步推動(dòng)了燃煤電站低碳化轉(zhuǎn)型。英國(guó)具有豐富的煤電生物質(zhì)混燒經(jīng)驗(yàn)[43]，其裝機(jī)容量最大的Drax電廠，從2003年開(kāi)始進(jìn)行生物質(zhì)摻燒試驗(yàn)，2018年最終將4臺(tái)660 MW的煤電機(jī)組完全改造成燃燒生物質(zhì)燃料機(jī)組，成為世界上最大的耦合生物質(zhì)燃料發(fā)電的火電廠。
中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈、農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)燃料供應(yīng)量巨大，但生物質(zhì)發(fā)電占比僅為2%，資源化利用水平很低。生物質(zhì)耦合燃煤發(fā)電可以降低生物質(zhì)電站投資運(yùn)維成本，是可再生能源發(fā)電的重要發(fā)展方向。2018年7月，湖北華電襄陽(yáng)發(fā)電有限公司自主研發(fā)了國(guó)內(nèi)首個(gè)生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電裝置，在600 MW火電機(jī)組上運(yùn)行良好，可以處理農(nóng)林廢棄物5萬(wàn)t/年，實(shí)現(xiàn)了良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。2019年12月，大唐長(zhǎng)山熱電廠首臺(tái)660 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組耦合20 MW生物質(zhì)發(fā)電示范項(xiàng)目順利通過(guò)試運(yùn)行。借鑒國(guó)際先進(jìn)燃煤生物質(zhì)混燒經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)燃煤電廠混燒生物質(zhì)進(jìn)行政策激勵(lì)、稅收補(bǔ)貼等手段，優(yōu)先在大型燃煤電廠進(jìn)行耦合改造，可進(jìn)一步推進(jìn)燃煤電廠低碳轉(zhuǎn)型。
2.2.2 “燃煤+光熱”耦合發(fā)電
由于太陽(yáng)能具有波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)，燃煤系統(tǒng)耦合光熱發(fā)電可以提高發(fā)電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)燃煤電站進(jìn)行光熱發(fā)電改造，即太陽(yáng)能燃煤集成項(xiàng)目（integrated solar coal，ISCoal），可以顯著降低化石能源使用率和污染物排放量。光熱耦合燃煤發(fā)電有多種集成方式，采用太陽(yáng)能替代高壓回?zé)峒訜崞鞒槠A(yù)熱給水的方式非常簡(jiǎn)便，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)整體改造較小，大大提升了系統(tǒng)調(diào)峰能力，運(yùn)行靈活，在與燃煤供熱機(jī)組耦合上更具優(yōu)勢(shì)。2010年美國(guó)科羅拉多州Xcel電站投建了太陽(yáng)能與49 MW燃煤機(jī)組集成發(fā)電系統(tǒng)，是國(guó)際上第一座ISCoal項(xiàng)目。2019年7月，印度國(guó)家電力公司在Dadri電廠配套建設(shè)了首個(gè)商業(yè)ISCoal項(xiàng)目，將年產(chǎn)14 GW·h熱能的光熱系統(tǒng)與210 MW的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)耦合集成，運(yùn)行結(jié)果表明：ISCoal在維持電廠基本負(fù)荷調(diào)度能力不變的條件下，有助于加快汽輪機(jī)啟動(dòng)，提高電廠整體效率，實(shí)現(xiàn)碳排放總量的降低。
現(xiàn)階段中國(guó)“燃煤+光熱”耦合發(fā)電技術(shù)還處于研究階段，部分學(xué)者開(kāi)展了集成方案和運(yùn)行模式的對(duì)比分析，以及光熱轉(zhuǎn)化、能量流耦合機(jī)理等研究[44-45]。未來(lái)關(guān)于多種能源系統(tǒng)的能量傳輸機(jī)理研究與集成優(yōu)化設(shè)計(jì)成為“燃煤+光熱”耦合發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵。
2.2.3 “燃煤+氫氨燃料”耦合發(fā)電
氨氣作為理想的儲(chǔ)氫燃料，具有易液化、便于儲(chǔ)運(yùn)的特點(diǎn)，且能量體積密度大，燃燒無(wú)CO2生成，是近期發(fā)展迅速的無(wú)碳綠色燃料，在燃煤電廠摻燒氨燃料可以大幅降低碳排放量，因此燃煤耦合氨燃料發(fā)電技術(shù)成為新的研究方向。2021年日本的JERA發(fā)電企業(yè)宣布將進(jìn)行20%比例混氨燃煤發(fā)電試點(diǎn)項(xiàng)目，擬開(kāi)發(fā)首個(gè)商業(yè)化“混氨”燃煤電廠。國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)始研究燃煤電廠大比例摻氨對(duì)機(jī)組的影響，計(jì)算結(jié)果表明，300 MW的燃煤機(jī)組摻燒40%質(zhì)量比例的NH3即可實(shí)現(xiàn)減排CO2約47萬(wàn)t/年[46]。2022年1月，國(guó)家能源集團(tuán)完成了40 MW燃煤鍋爐混氨燃燒工業(yè)試驗(yàn)，摻氨比例達(dá)到35%，充分證明了燃煤電站摻混氨燃料發(fā)電的技術(shù)可行性。但是由于氨燃料仍然存在燃燒不穩(wěn)定、NOx排放量較大等缺點(diǎn)，未來(lái)需進(jìn)一步研究氨燃料與煤粉混燒的燃燒機(jī)理、NO的生成特性、煙氣處理等問(wèn)題[47]。
3 結(jié)論
目前中國(guó)煤炭發(fā)電仍然占據(jù)主體地位，在“雙碳”目標(biāo)下，深入研究先進(jìn)煤炭清潔利用發(fā)電技術(shù)對(duì)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型意義重大。
（1）超臨界煤液化技術(shù)、超臨界煤氣化技術(shù)、超臨界水煤氧化技術(shù)等先進(jìn)煤炭清潔處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了化石燃料的低碳環(huán)保潔凈利用，有效提高煤炭能源轉(zhuǎn)換效率，是燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。
（2）高參數(shù)、大容量、低碳排放的先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)是燃煤電站發(fā)展的必然趨勢(shì)，超臨界水煤氧化熱力發(fā)電技術(shù)、超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)以及超臨界循環(huán)流化床技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)是傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的技術(shù)升級(jí)，在系統(tǒng)集成化及規(guī)?；潭?、發(fā)電熱效率、燃料普適性等方面各具優(yōu)勢(shì)，有利于構(gòu)建和完善綠色能源體系。
（3）CCUS是近期發(fā)展前景廣闊的碳減排技術(shù)，燃煤電站配合CCUS可以快速降低燃煤電廠的碳排放總量，對(duì)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)意義重大。
（4）燃煤機(jī)組能源支撐能力、調(diào)峰輔助能力的要求不斷提高，深度調(diào)峰改造和燃煤耦合發(fā)電是煤電機(jī)組的重要轉(zhuǎn)型方向。依托中國(guó)巨大的煤電裝機(jī)容量，廣泛開(kāi)展煤電的升級(jí)改造，可有效降低新能源發(fā)電的棄電率，助力能源結(jié)構(gòu)向以非化石能源為主的方向調(diào)整。
（5）政策支持是發(fā)展煤炭清潔利用發(fā)電技術(shù)不可或缺的因素之一，探索煤電機(jī)組負(fù)碳化發(fā)展、提高煤電機(jī)組輔助服務(wù)能力需要不斷建立健全碳交易市場(chǎng)和電力輔助服務(wù)市場(chǎng)體系，營(yíng)造競(jìng)爭(zhēng)有序、因地制宜的電力市場(chǎng)營(yíng)商環(huán)境。
