碳减排技术在火力发电行业内的应用现状与展望.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2023 年 12 月 21 日 作者简介:李承宇(2004),男,汉族,山东济南人,本科在读,研究方向为能源与环境系统工程专业。-121-碳减排技术在火力发电行业内的应用现状与展望 李承宇 韩 露 刘宇航 丁 硕 李承键 沈阳航空航天大学,辽宁 沈阳 110136 摘要:摘要:本文分析了火力发电行业具有实际或潜在应用价值的碳减排技术及其应用前景;探讨了火电企业在提高能源利用效率方面的发展路径,着重分析了 700等级先进超超临界燃煤发电技术、整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)、以及碳捕集、利用和封存(CCUS)技术的应用现状。在结合现实需求的基础上,
2、提出了火力发电行业后续发展过程中应当关注的技术重点,并讨论了其未来的发展方向及可能面临的挑战。通过碳减排技术重点方向的突破与革新,促进火电企业实现碳减排,形成火电企业发展新局面,助力我国实现“双碳”战略目标。关键词:关键词:火力发电;碳减排技术;超超临界燃煤发电技术;IGCC;CCUS 中图分类号:中图分类号:X196 0 引言 2020 年 9 月 22 日,第 75 届联合国大会上,“中国二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值,努力争取2060 年前实现碳中和。”我国实现“双碳”目标的一大挑战即为各行业的高碳排放,而在高碳排放的有关行业中,与民生经济、工业转型相关的电力行业更是“产碳”
3、大户,位居能源行业碳排放领域之首。其中,火力发电在发电行业中占首要地位,据中国能源发展报告 2023和中国电力行业年度发展报告 2023统计,我国以煤电为主的发电行业是国民经济中碳排放量最大的部门之一,约占碳排放总量的 38.76%。截至2022 年底,煤电装机容量为 11.2 亿千瓦,占全国发展装机总容量的 43.8%;煤电发电量 5.08 万亿千瓦时,占全国总发电量的 58.4%;全国单位火电发电量二氧化碳排放约 824 克/千瓦时,比 2005 年降低 21.4%。近年来,我国充分意识到传统火力发电行业的高碳排放问题,进而高度重视清洁能源的发展,加快清洁能源发电设施的建设与布局。据中国能
4、源大数据报告统计,2022 年,水电、核电、风电、太阳能发电等清洁能源发电量为 29599 亿千瓦时,同比上年增长 8.5%。富煤贫油少气是我国的基本国情,短期内煤炭的“压舱石”地位无法改变。现阶段,我国 CO2排放总量的 85%以上都来自煤炭燃料的燃烧1,也就是说,在未来一段时间内,以煤炭为主的火力发电仍是能源消费的主体,在能源消费结构中占据主导地位。在国家趋势方面,火力发电在加快清洁能源建设的大潮中一定程度上发挥了发电行业碳减排“压箱底”功效;在企业生存方面,随着清洁能源发电并网技术的不断发展与优化,火电企业将进一步减少碳排放量,此时,低碳指标将成为火电企业的另一项突出之处。然而,水力发电
5、、风力发电、核电等清洁能源发电技术的大力发展并未从根本上实现或促进火力发电本身的高效减排,基于以上局限性,碳减排技术在火电企业方面的大规模商业化推广受到极大阻碍。因此,依靠各项技术上的进步乃至技术上的革新来促进火电企业碳减排,具有十分重要且深远的意义。图 1 2013-2022 年能源生产结构 1 火电企业提高能源利用效率路径 目前,我国应用的碳减排技术主要有四种:一是减少间歇性可利用能源的浪费,即储能技术;二是发展清洁能源以改变低碳排放与高碳排放能源的比例,即调整能源结构;三是以有限化石燃料实现最大利用效率,即提高能源利用效率;四是 CCUS 技术。其中,中国科技期刊数据库 工业 A-122
6、-后两种碳减排技术与火电企业最为贴切,也最为重要。在火力发电行业,通常利用热电联产技术、循环流化床技术、整体煤气化联合循环发电(IGCC)技术以及超临界技术等进行能源结构的调整。据张全斌等6预估,以燃煤发电为代表的火力发电将在未来电力行业中起辅助作用,用来配合间歇性能源进行电力调峰,因此在提高能源利用效率方面,700等级先进超超临界燃煤发电技术和IGCC技术以其调峰灵活性将得到进一步发展。700等级先进超超临界燃煤发电技术是中国面向 2035 年最主要的洁净煤前沿技术2,早在 20 世纪末由燃煤发电基础雄厚的欧洲诸国提出,并计划于 2011年实现商业化运行,但因高温材料如镍基合金钢和奥氏体钢价
7、格昂贵,迟迟未进行大规模推广。2011 年 6月 24 日,国家能源局在北京组织召开了国家 700超超临界燃煤发电技术创新联盟第 1 次理事会议和技术委员会会议,我国 700等级先进超超临界燃煤发电项目正式启动3。我国在该项技术方面起步晚,成立之初较日本、美国及西方国家等差距较大,经过十余年的追赶,我国已逐渐接近欧洲诸国等发达国家的研发水平,正向可达 1500MW 等级的 700等级先进超超临界燃煤发电技术的超大容量、超高参数的火力发电技术冲刺。对一般火电机组而言,机组发电热效率与碳排放量成反比,燃煤发电机组蒸汽每提高 10,机组的发电效率就随之提升 0.22%-0.25%,再热机组热效率比一
8、次再热机组效率高 2.2%-3.1%。也就是说,700等级先进超超临界燃煤发电技术与 600超超临界发电技术相比,温度提高 100,可使单位煤耗降低 30g左右,碳排放量降低 14%,供电效率突破 50%大关。国内正从汽轮机、锅炉、汽水系统的关键高温耐热材料方面进行技术攻关,但现有成熟材料中,大部分材料无法满足相应的抗高温蠕变断裂特性,而奥氏体钢材料、新型高温合金钢以及镍基高温材料虽然满足所需条件,但始终存在造价过高,无法实现大规模商业化推广的问题。IGCC 技术是一种高效环保的燃煤发电技术,在IGCC 系统中,煤炭首先被转化为合成气,然后在燃气轮机中燃烧以产生电力,这一过程中产生的余热还可以
9、被用于产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功,进一步提高发电效率。IGCC 技术与传统的燃煤发电方式相比存在一定优势,在发电效率上可达 45%,今后可能会达到 50%以上3,从而减少了同等电力输出的煤炭消耗。同时,IGCC 技术还可以在煤炭气化过程中进行环保处理,有效减少了硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的排放,理论上先进的 IGCC 发电厂可达到 99%的碳转化率4,从而大大降低了二氧化碳的排放。美国早在 20 世纪 80年代为应对石油危机便已启动IGCC技术相关的科研活动,而我国从 2000 年开始重视 IGCC 技术的研发,投入了大量的资源。2009 年 7 月 6 日,我国首座自主开发、设计、制造并建
10、设的 IGCC 示范工程项目华能天津 IGCC 示范电站在天津临港工业区正式开工。在这之后,科研人员关于 IGCC 的提升系统净效率方面进行大量研究发现,通过 IGCC 系统与固废掺混燃烧技术、太阳能储热系统以及甲醇制备系统进行耦合生产5-6,可实现能源的多级利用,进而促进 IGCC 技术的进一步成熟应用7。图 2 中国火力发电技术发展路径演变示意图 2 碳捕集、利用和封存(CCUS)技术 在“双碳”愿景下,CCUS 技术作为国际公认的先进碳减排技术,被全球视为一项短期内有效减少碳排放的关键技术,将成为我国火电行业大规模减排脱碳的重要技术选择。CCUS 技术是指从工业或能源转换过程中分离二氧化
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