碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下對先進(jìn)燃煤發(fā)電及科技創(chuàng)新的再認(rèn)識(shí)
中國工程院院士 岳光溪
能源是人類文明進(jìn)步的基礎(chǔ)和動(dòng)力，事關(guān)國計(jì)民生和國家安全，對于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、增進(jìn)人民福祉至關(guān)重要。加快推進(jìn)能源技術(shù)革命，支撐引領(lǐng)能源高質(zhì)量發(fā)展既是貫徹落實(shí)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略的重要任務(wù)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的必然選擇。我國已經(jīng)連續(xù)多年成為世界上最大的能源生產(chǎn)國、消費(fèi)國和碳排放國，能源領(lǐng)域作為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的主戰(zhàn)場面臨的挑戰(zhàn)空前，承擔(dān)的壓力巨大。根據(jù)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，“十四五”將嚴(yán)格控制煤炭消費(fèi)增長，加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，研發(fā)和推廣應(yīng)用綠色低碳技術(shù)。到2025年，非化石能源消費(fèi)比重將達(dá)到20%左右，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2020年下降18%。因此，重新審視燃煤發(fā)電在我國能源結(jié)構(gòu)體系中的地位和作用具有特殊意義。
一、燃煤發(fā)電是我國能源安全的重要保障
能源安全是關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題，煤炭是我國最為重要的基礎(chǔ)能源，也是我國自主保障能力最強(qiáng)的能源。中國的資源稟賦特點(diǎn)決定，在保障能源安全的前提下，煤炭在一次能源消費(fèi)中的比例只能逐步降低，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，煤炭還需要作為主體能源，這是符合我國基本國情，安全降碳的必然選擇。
“十四五”是我國能源清潔低碳綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵窗口期，考慮到新能源發(fā)電有效容量低，仍需建設(shè)一定規(guī)模的燃煤發(fā)電機(jī)組托底保供，以此滿足電力平衡需求。同時(shí)，為確保電網(wǎng)運(yùn)行安全以及國計(jì)民生，也需要相當(dāng)數(shù)量的燃煤發(fā)電機(jī)組作為支撐電源點(diǎn)和居民熱源點(diǎn)。初步估計(jì)到2025年，仍需新增火電裝機(jī)約2.6億千瓦，其中燃煤發(fā)電機(jī)組占絕大多數(shù)，在更新的低碳、零碳、負(fù)碳技術(shù)取得重大突破前，燃煤發(fā)電仍將發(fā)揮重要作用。不久前下發(fā)的《全國煤電機(jī)組改造升級實(shí)施方案》要求，對于能耗高于300克/千瓦時(shí)的燃煤發(fā)電機(jī)組加快實(shí)施節(jié)能改造，對于無法改造的機(jī)組應(yīng)逐步淘汰關(guān)停并視情況轉(zhuǎn)為應(yīng)急備用電源也是出于這一考慮。為保障新能源消納，未來一部分在役燃煤發(fā)電機(jī)組需要常態(tài)停機(jī)、頂峰應(yīng)急，因此對于燃煤發(fā)電機(jī)組除了安全、環(huán)保、能效運(yùn)行水平外，還要充分考慮急備用保障這一特殊因素。
二、我國燃煤發(fā)電規(guī)模和技術(shù)水平已居于世界領(lǐng)先
我國長期以來注重燃煤發(fā)電的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級，截至2020年底，我國煤電總裝機(jī)約10.8億千瓦，平均供電煤耗305.5克/千瓦時(shí)，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。針對以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，我國一直將燃煤發(fā)電作為能源科技創(chuàng)新的重點(diǎn)支持方向，形成了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，建成了一批具有重大國際影響的示范工程，培養(yǎng)了一批高水平創(chuàng)新人才和團(tuán)。通過科技創(chuàng)新的引領(lǐng)，我國在成為世界上最大能源生產(chǎn)消費(fèi)國的同時(shí)，還成為了能源利用效率提升最快的國家。“十三五”期間，我國建成了世界最大的清潔煤電供應(yīng)體系，超超臨界機(jī)組技術(shù)水平、裝機(jī)總量和機(jī)組數(shù)量均居世界首位，燃煤發(fā)電超低排放機(jī)組占比超過85%，大氣污染物排放水平進(jìn)入世界領(lǐng)先行列，同時(shí)還建成了世界最高參數(shù)的百萬千瓦超超臨界二次再熱機(jī)組、世界首臺(tái)60萬千瓦超臨界循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組，正在有序推動(dòng)建設(shè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)G115高溫合金材料的630℃超超臨界二次再熱機(jī)組、66萬千瓦等級超超臨界循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組。
“十四五”期間燃煤發(fā)電將向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，需要進(jìn)一步發(fā)掘燃煤發(fā)電的降碳潛力，通過推進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組節(jié)能、供熱和運(yùn)行靈活性提升改造，繼續(xù)優(yōu)化煤電布局和技術(shù)升級，未來五年預(yù)計(jì)實(shí)施節(jié)能和供熱改造的燃煤發(fā)電機(jī)組將超過4億千瓦，改造規(guī)模可占現(xiàn)役機(jī)組總裝機(jī)的37%，同時(shí)還將對存量燃煤發(fā)電機(jī)組增大靈活性改造范圍，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力4000萬千瓦。
三、“十四五”先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)的攻關(guān)方向
科技創(chuàng)新助力我國建立了完備的能源科技創(chuàng)新鏈和裝備制造產(chǎn)業(yè)鏈，打開了能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要突破口，未來也會(huì)是推動(dòng)能源發(fā)展變革的基本力量。為加強(qiáng)“十四五”先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)研發(fā)，《規(guī)劃》確定了6項(xiàng)集中攻關(guān)、7項(xiàng)示范試驗(yàn)任務(wù)和相關(guān)的技術(shù)路線圖，部署了能源科技創(chuàng)新的重大舉措和重大任務(wù)，將有助于我國構(gòu)建綠色能源技術(shù)創(chuàng)新體系，進(jìn)一步提升能源科技和裝備水平。
一是加快傳統(tǒng)燃煤發(fā)電技術(shù)升級換代。在能源綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢下，以更先進(jìn)的高參數(shù)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)為目標(biāo)，研發(fā)650℃等級蒸汽參數(shù)的超超臨界機(jī)組高溫材料生產(chǎn)及關(guān)鍵高溫部件的制造技術(shù)，開發(fā)高溫段鍋爐管道及集箱、主蒸汽管道和汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子等高溫部件產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)，突破高溫部件應(yīng)用的同種/異種焊接、冷熱加工和熱處理等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新，開展650℃等級超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組工程示范，發(fā)揮高參數(shù)機(jī)組承擔(dān)基本負(fù)荷時(shí)清潔高效的技術(shù)優(yōu)勢。以高效超低排放為目標(biāo)開發(fā)新一代循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術(shù)，開展循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)石灰石深度脫硫以及NOx超低排放機(jī)理基礎(chǔ)研究，優(yōu)化大型循環(huán)流化床鍋爐的物料流態(tài)、水動(dòng)力和傳熱、均勻布風(fēng)、受熱面壁溫偏差控制以及受熱面布置等設(shè)計(jì)，突破高效、低成本的超低排放循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)，大幅降低循環(huán)流化床鍋爐的污染物控制成本，保持我國在這一方向的領(lǐng)先優(yōu)勢。
二是向低碳技術(shù)領(lǐng)域和方向傾斜創(chuàng)新資源。依托重大裝備制造和重大示范工程，推動(dòng)關(guān)鍵能源裝備技術(shù)攻關(guān)、試驗(yàn)示范和推廣應(yīng)用，攻堅(jiān)整體煤氣化蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）及燃料電池發(fā)電（IGFC）系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)，研發(fā)IGFC系統(tǒng)高溫?fù)Q熱器、高溫風(fēng)機(jī)、純氧燃燒器等關(guān)鍵裝備開展系統(tǒng)集成優(yōu)化、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、發(fā)電系統(tǒng)控制及連鎖控制策略等關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)優(yōu)化尾氣純氧燃燒及CO2捕集技術(shù)，開展百萬噸級燃燒后CO2捕集、利用與封存全流程示范。研發(fā)新一代高效、低能耗的CO2捕集材料/吸收劑和裝置，提高碳捕集系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，為下一階段大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。匯聚行業(yè)上下游創(chuàng)新力量，開展CO2驅(qū)油驅(qū)氣、CO2資源化和能源化利用等技術(shù)研究，突破CO2封存監(jiān)測、泄漏預(yù)警等核心技術(shù)。
三是加強(qiáng)新興技術(shù)方向的研究部署。開展超臨界CO2（S-CO2）發(fā)電技術(shù)研究，掌握S-CO2基礎(chǔ)物性、閉式熱力循環(huán)以及發(fā)電系統(tǒng)集成優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，開展適配不同熱源的S-CO2發(fā)電系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究，研制燃煤鍋爐、透平、壓縮機(jī)、高效換熱器等關(guān)鍵設(shè)備，開展10-50MW級S-CO2發(fā)電工程示范及驗(yàn)證。
四是幫助在役煤電機(jī)組高效減碳。研發(fā)針對老舊煤電機(jī)組的延壽及靈活高效改造技術(shù)，建立臨近設(shè)計(jì)壽命的燃煤機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)組系統(tǒng)和主輔設(shè)備性能、主要金屬部件壽命等評估方法體系，研究延壽改造與節(jié)能提效改造、靈活性提升改造等集成的綜合改造技術(shù)，優(yōu)化電網(wǎng)對不同類型煤電機(jī)組的調(diào)峰能力和配置，探索煤電機(jī)組深度調(diào)峰支撐新能源消納、兜底保障電力安全穩(wěn)定供應(yīng)的可行路徑。
四、科學(xué)認(rèn)識(shí)能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新的一般規(guī)律
實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個(gè)大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇。目前能源行業(yè)面臨著保安全、轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)、補(bǔ)短板等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，以及排放總量大、減排時(shí)間緊、攻關(guān)難度大等不利因素，這一切更加要求我們在碳達(dá)峰碳中和過程中統(tǒng)籌謀劃、分類施策。
科學(xué)認(rèn)知和技術(shù)發(fā)展有其規(guī)律，從1927年傅里葉提出溫室效應(yīng)這一概念，再到阿倫尼烏斯定量計(jì)算出CO2對大氣溫度的敏感性，歷時(shí)近70年，時(shí)至今日對溫室效應(yīng)的認(rèn)識(shí)仍在不斷深入，對其的討論也早就跳出了環(huán)境問題這一初衷。碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中有一系列需要解決的科學(xué)問題、技術(shù)問題和經(jīng)濟(jì)問題，需要厘清科學(xué)原理、技術(shù)方法和經(jīng)濟(jì)代價(jià)之間的關(guān)系。科學(xué)原理回答是什么、為什么，專注于認(rèn)識(shí)世界、認(rèn)識(shí)自然規(guī)律這一層面。技術(shù)方法是改造世界層面的核心，專注于回答怎么辦。判斷技術(shù)第一需要分析其是否符合科學(xué)規(guī)律，第二要看技術(shù)在工程上的可實(shí)現(xiàn)性，第三還要看實(shí)現(xiàn)技術(shù)的代價(jià)是否可以承受。經(jīng)濟(jì)代價(jià)往往最終決定何時(shí)做以及能夠做多少。碳達(dá)峰碳中和涉及的重大技術(shù)在進(jìn)行大規(guī)模的社會(huì)行動(dòng)之前，都需要進(jìn)行上述三個(gè)層面的驗(yàn)證，科學(xué)問題是需要不斷探索的，技術(shù)方法是需要工程實(shí)踐檢驗(yàn)的，經(jīng)濟(jì)代價(jià)是判斷能否大規(guī)模推廣時(shí)反復(fù)考量的。
中國和美國對于實(shí)現(xiàn)碳中和有著很多路徑假設(shè)，美國提出的八種不同路徑中最優(yōu)的碳中和路徑是保留部分化石能源，其在2018年制定的Coal FIRST計(jì)劃就是對這一認(rèn)識(shí)的具體表現(xiàn)。不久前結(jié)束的第二十六屆聯(lián)合國氣候變化會(huì)議上，煤炭問題同樣引起各方關(guān)注，以至最后時(shí)刻將協(xié)議文本中的各國加速“逐步淘汰”（phase-out）改為“逐步減少”（phase-down）煤炭。對于世界上大多數(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的發(fā)達(dá)國家而言，其基本是在城市化和工業(yè)化任務(wù)完成后自然實(shí)現(xiàn)碳的。而我們?nèi)蕴幱诎l(fā)展期，更加需要探索科學(xué)的實(shí)現(xiàn)路徑，平衡好碳減排和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系。正如中共中央、國務(wù)院在《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》所要求的那樣— “堅(jiān)持系統(tǒng)觀念，處理好發(fā)展和減排、整體和局部、短期和中長期的關(guān)系，把碳達(dá)峰、碳中和納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局”。
近期的一些事實(shí)表明，盡管對于煤炭有著很多不同的觀點(diǎn)，但其仍是中國不可或缺的基礎(chǔ)能源，是能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的“壓艙石”和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“助推器”，以煤炭為代表的傳統(tǒng)能源領(lǐng)域較難出現(xiàn)顛覆性技術(shù)，為了探索碳達(dá)峰碳中和的最佳技術(shù)和最優(yōu)路徑，需要從大量創(chuàng)新想法中篩選工程上可實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)上可接受的適用技術(shù)，因此近期對于減碳技術(shù)研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，中遠(yuǎn)期對于零碳技術(shù)、負(fù)碳技術(shù)還需要持續(xù)探索，相關(guān)領(lǐng)域的科研投入也需要增加。結(jié)合我國資源稟賦特點(diǎn)，《規(guī)劃》在尊重客觀規(guī)律的基礎(chǔ)上，制定了集中攻關(guān)一批、示范試驗(yàn)一批、應(yīng)用推廣一批的路徑，為碳達(dá)峰碳中和涉及到的科技創(chuàng)新工作進(jìn)行了系統(tǒng)謀劃和總體部署，“十四五”期間的重點(diǎn)在于碳達(dá)峰技術(shù)示范，以及碳中和技術(shù)探索，并由此實(shí)現(xiàn)科學(xué)降碳、安全降碳。
編輯：吳蘇靈 校對：高慧君
