碳達峰碳中和目標下對先進燃煤發電及科技創新的再認識
中國工程院院士 岳光溪
能源是人類文明進步的基礎和動力，事關國計民生和國家安全，對于促進經濟社會發展、增進人民福祉至關重要。加快推進能源技術革命，支撐引領能源高質量發展既是貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰略的重要任務，同時也是實現碳達峰碳中和目標的必然選擇。我國已經連續多年成為世界上最大的能源生產國、消費國和碳排放國，能源領域作為實現碳達峰碳中和的主戰場面臨的挑戰空前，承擔的壓力巨大。根據《2030年前碳達峰行動方案》，“十四五”將嚴格控制煤炭消費增長，加快構建新型電力系統，研發和推廣應用綠色低碳技術。到2025年，非化石能源消費比重將達到20%左右，單位國內生產總值二氧化碳排放比2020年下降18%。因此，重新審視燃煤發電在我國能源結構體系中的地位和作用具有特殊意義。
一、燃煤發電是我國能源安全的重要保障
能源安全是關乎國家經濟社會發展的全局性、戰略性問題，煤炭是我國最為重要的基礎能源，也是我國自主保障能力最強的能源。中國的資源稟賦特點決定，在保障能源安全的前提下，煤炭在一次能源消費中的比例只能逐步降低，在相當長的時間內，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型的關鍵窗口期，考慮到新能源發電有效容量低，仍需建設一定規模的燃煤發電機組托底保供，以此滿足電力平衡需求。同時，為確保電網運行安全以及國計民生，也需要相當數量的燃煤發電機組作為支撐電源點和居民熱源點。初步估計到2025年，仍需新增火電裝機約2.6億千瓦，其中燃煤發電機組占絕大多數，在更新的低碳、零碳、負碳技術取得重大突破前，燃煤發電仍將發揮重要作用。不久前下發的《全國煤電機組改造升級實施方案》要求，對于能耗高于300克/千瓦時的燃煤發電機組加快實施節能改造，對于無法改造的機組應逐步淘汰關停并視情況轉為應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電機組需要常態停機、頂峰應急，因此對于燃煤發電機組除了安全、環保、能效運行水平外，還要充分考慮急備用保障這一特殊因素。
二、我國燃煤發電規模和技術水平已居于世界領先
我國長期以來注重燃煤發電的技術進步和產業升級，截至2020年底，我國煤電總裝機約10.8億千瓦，平均供電煤耗305.5克/千瓦時，達到國際領先水平。針對以煤為主的能源結構，我國一直將燃煤發電作為能源科技創新的重點支持方向，形成了一批具有自主知識產權的核心技術，建成了一批具有重大國際影響的示范工程，培養了一批高水平創新人才和團。通過科技創新的引領，我國在成為世界上最大能源生產消費國的同時，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體系，超超臨界機組技術水平、裝機總量和機組數量均居世界首位，燃煤發電超低排放機組占比超過85%，大氣污染物排放水平進入世界領先行列，同時還建成了世界最高參數的百萬千瓦超超臨界二次再熱機組、世界首臺60萬千瓦超臨界循環流化床發電機組，正在有序推動建設具有自主知識產權G115高溫合金材料的630℃超超臨界二次再熱機組、66萬千瓦等級超超臨界循環流化床發電機組。
“十四五”期間燃煤發電將向基礎保障性和系統調節性電源轉型，為實現高質量發展，構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系，需要進一步發掘燃煤發電的降碳潛力，通過推進燃煤發電機組節能、供熱和運行靈活性提升改造，繼續優化煤電布局和技術升級，未來五年預計實施節能和供熱改造的燃煤發電機組將超過4億千瓦，改造規模可占現役機組總裝機的37%，同時還將對存量燃煤發電機組增大靈活性改造范圍，增加系統調節能力4000萬千瓦。
三、“十四五”先進燃煤發電技術的攻關方向
科技創新助力我國建立了完備的能源科技創新鏈和裝備制造產業鏈，打開了能源轉型發展的重要突破口，未來也會是推動能源發展變革的基本力量。為加強“十四五”先進燃煤發電技術研發，《規劃》確定了6項集中攻關、7項示范試驗任務和相關的技術路線圖，部署了能源科技創新的重大舉措和重大任務，將有助于我國構建綠色能源技術創新體系，進一步提升能源科技和裝備水平。
一是加快傳統燃煤發電技術升級換代。在能源綠色低碳轉型發展趨勢下，以更先進的高參數超超臨界燃煤發電技術為目標，研發650℃等級蒸汽參數的超超臨界機組高溫材料生產及關鍵高溫部件的制造技術，開發高溫段鍋爐管道及集箱、主蒸汽管道和汽輪機高壓轉子等高溫部件產業化制造技術，突破高溫部件應用的同種/異種焊接、冷熱加工和熱處理等關鍵技術，推動全產業鏈技術創新，開展650℃等級超超臨界燃煤發電機組工程示范，發揮高參數機組承擔基本負荷時清潔高效的技術優勢。以高效超低排放為目標開發新一代循環流化床鍋爐發電技術，開展循環流化床鍋爐爐內石灰石深度脫硫以及NOx超低排放機理基礎研究，優化大型循環流化床鍋爐的物料流態、水動力和傳熱、均勻布風、受熱面壁溫偏差控制以及受熱面布置等設計，突破高效、低成本的超低排放循環流化床鍋爐發電關鍵技術，大幅降低循環流化床鍋爐的污染物控制成本，保持我國在這一方向的領先優勢。
二是向低碳技術領域和方向傾斜創新資源。依托重大裝備制造和重大示范工程，推動關鍵能源裝備技術攻關、試驗示范和推廣應用，攻堅整體煤氣化蒸汽燃氣聯合循環發電（IGCC）及燃料電池發電（IGFC）系統集成優化技術，研發IGFC系統高溫換熱器、高溫風機、純氧燃燒器等關鍵裝備開展系統集成優化、系統動態特性、發電系統控制及連鎖控制策略等關鍵技術研究，開發優化尾氣純氧燃燒及CO2捕集技術，開展百萬噸級燃燒后CO2捕集、利用與封存全流程示范。研發新一代高效、低能耗的CO2捕集材料/吸收劑和裝置，提高碳捕集系統的經濟性，為下一階段大規模應用奠定基礎。匯聚行業上下游創新力量，開展CO2驅油驅氣、CO2資源化和能源化利用等技術研究，突破CO2封存監測、泄漏預警等核心技術。
三是加強新興技術方向的研究部署。開展超臨界CO2（S-CO2）發電技術研究，掌握S-CO2基礎物性、閉式熱力循環以及發電系統集成優化等關鍵技術，開展適配不同熱源的S-CO2發電系統及關鍵設備設計制造技術研究，研制燃煤鍋爐、透平、壓縮機、高效換熱器等關鍵設備，開展10-50MW級S-CO2發電工程示范及驗證。
四是幫助在役煤電機組高效減碳。研發針對老舊煤電機組的延壽及靈活高效改造技術，建立臨近設計壽命的燃煤機組運行狀態、機組系統和主輔設備性能、主要金屬部件壽命等評估方法體系，研究延壽改造與節能提效改造、靈活性提升改造等集成的綜合改造技術，優化電網對不同類型煤電機組的調峰能力和配置，探索煤電機組深度調峰支撐新能源消納、兜底保障電力安全穩定供應的可行路徑。
四、科學認識能源領域科技創新的一般規律
實現碳達峰碳中和是以習近平同志為核心的黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策，是著力解決資源環境約束突出問題、實現中華民族永續發展的必然選擇。目前能源行業面臨著保安全、轉方式、調結構、補短板等嚴峻挑戰，以及排放總量大、減排時間緊、攻關難度大等不利因素，這一切更加要求我們在碳達峰碳中和過程中統籌謀劃、分類施策。
科學認知和技術發展有其規律，從1927年傅里葉提出溫室效應這一概念，再到阿倫尼烏斯定量計算出CO2對大氣溫度的敏感性，歷時近70年，時至今日對溫室效應的認識仍在不斷深入，對其的討論也早就跳出了環境問題這一初衷。碳達峰碳中和目標實現過程中有一系列需要解決的科學問題、技術問題和經濟問題，需要厘清科學原理、技術方法和經濟代價之間的關系。科學原理回答是什么、為什么，專注于認識世界、認識自然規律這一層面。技術方法是改造世界層面的核心，專注于回答怎么辦。判斷技術第一需要分析其是否符合科學規律，第二要看技術在工程上的可實現性，第三還要看實現技術的代價是否可以承受。經濟代價往往最終決定何時做以及能夠做多少。碳達峰碳中和涉及的重大技術在進行大規模的社會行動之前，都需要進行上述三個層面的驗證，科學問題是需要不斷探索的，技術方法是需要工程實踐檢驗的，經濟代價是判斷能否大規模推廣時反復考量的。
中國和美國對于實現碳中和有著很多路徑假設，美國提出的八種不同路徑中最優的碳中和路徑是保留部分化石能源，其在2018年制定的Coal FIRST計劃就是對這一認識的具體表現。不久前結束的第二十六屆聯合國氣候變化會議上，煤炭問題同樣引起各方關注，以至最后時刻將協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。對于世界上大多數已經實現碳達峰的發達國家而言，其基本是在城市化和工業化任務完成后自然實現碳的。而我們仍處于發展期，更加需要探索科學的實現路徑，平衡好碳減排和經濟發展之間的關系。正如中共中央、國務院在《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》所要求的那樣— “堅持系統觀念，處理好發展和減排、整體和局部、短期和中長期的關系，把碳達峰、碳中和納入經濟社會發展全局”。
近期的一些事實表明，盡管對于煤炭有著很多不同的觀點，但其仍是中國不可或缺的基礎能源，是能源安全穩定供應的“壓艙石”和經濟發展的“助推器”，以煤炭為代表的傳統能源領域較難出現顛覆性技術，為了探索碳達峰碳中和的最佳技術和最優路徑，需要從大量創新想法中篩選工程上可實現、經濟上可接受的適用技術，因此近期對于減碳技術研究還需要進一步加強，中遠期對于零碳技術、負碳技術還需要持續探索，相關領域的科研投入也需要增加。結合我國資源稟賦特點，《規劃》在尊重客觀規律的基礎上，制定了集中攻關一批、示范試驗一批、應用推廣一批的路徑，為碳達峰碳中和涉及到的科技創新工作進行了系統謀劃和總體部署，“十四五”期間的重點在于碳達峰技術示范，以及碳中和技術探索，并由此實現科學降碳、安全降碳。
編輯：吳蘇靈 校對：高慧君
