中国煤电如何从高碳走向低碳零碳和负碳

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中国煤电如何从高碳走向低碳零碳和负碳2022年1月24日，习近平总书记在中共中央政治局集体学习时指出：推动能源革命，要立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，通盘谋划，传统能源退出必须建立在新能源可靠的替代基础上。要加大力度建设以大型风光电基地为基础、以其周边高效先进节能的煤电为支撑、以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系。习近平总书记的这一重要讲话精神为中国煤电的低碳转型发展指出了明确的方向，就是要采用创新的先进技术大力推动煤电节能降碳改造、供热改造和灵活性改造，通过“三改联动”，最大限度地实现煤电的低碳发展；要坚持先立后破，传统能源退出必须要建立在新能源可靠的替代基础上，就是说，作为传统能源的高碳煤电，不是先“破”，而必须要在其可替代的低碳燃料“立”起来以后才能退出。我们认为，能够替代煤炭的火电低碳燃料只有生物质能。因此，应该通过政策驱动首先大力发展生物质燃料，同时推动建立燃煤耦合生物质发电体系，以及创建发电系统的生物质碳捕获和存留技术体系（BECCUS）。以生物质能逐步替代燃煤发电，最终“破”除煤电，实现生物质火电，将其发展为零碳化乃至负碳排放。在煤电从高碳火电转型为低碳火电的过程中，火电将为建设大型风、光电基地保驾护航，形成新能源电力供给消纳体系，最终实现包括生物质火电在内的以新能源为主体的新型电力系统。习近平总书记指出，“推进碳达峰碳中和不是轻轻松松就能实现的，等不得，也急不得”。等不得，突出说明推动和实现“双碳”目标的重要性和紧迫性。急不得，突出说明推动和实现“双碳”目标的艰巨性和复杂性，必须要拿出“抓铁有痕踏石留印”劲头才能实现。我国煤电的低碳发展，首先要大力发展高效先进节能的煤电，以及推动建立有保障的生物质燃料的可靠供应，从而推动和保障生物质与煤耦合混烧直至生物质燃料替代，这样才能奠定煤电从低碳、零碳、乃至于负碳发展的基础。即：（1）改造升级现有煤电机组 (低碳)；（2）煤与生物燃料耦合混烧或燃料替换(零碳）；（3）高效煤电或生物质火电+CCUS(负碳)。一、改造升级现有煤电机组，实现高效低煤耗低碳排放7

1现在中国是世界上最大的二氧化碳排放国，其二氧化碳排放量占全球总排放量的近三分之一。而中国拥有世界最大的煤电装机容量，煤电也是中国最大的碳排放源。虽然2020年煤电10.81亿千瓦总装机容量的占比已降至49.11%，但其发电量的占比仍然高达65%。在煤电总装机容量中，单机容量为30万千瓦及以上的大机组占煤电总装机容量的82.4%。其中，超临界和超超临界机组为5.35亿千瓦，占比49.5%。现在中国已经建成世界上容量最大，机组技术最先进，效率最高，煤耗最低，实现了超低排放的煤电机组。然而30万千瓦及以上的亚临界机组仍有3.56亿千瓦，占比32.9%。因此，实现“双碳”目标除了大力发展风光电外，同时要大力推进煤电本身的低碳发展。改造现有在役的煤电机组。首先需淘汰落后低效率高煤耗的机组，其余的所有机组，通过政策驱动，制定对不同容量机组，如亚临界、超临界和超超临界具体的碳排放强度标准和灵活性低负荷性能达标的要求，并按照这一要求对机组进行升级改造，以大幅度降低供电煤耗和改善灵活性，力争在“十四五”期内完成。实现在役的煤电机组的高效和低煤耗发展，实现煤电的低碳发展，实际上是实现煤电与生物质耦合发电的基础和前提。按照国家发改委和国家能源局2021年10月29日发布的《全国煤电机组改造升级实施方案》的要求进行改造升级，对现役机组改造的要求：对供电煤耗在300克标准煤/千瓦时以上的煤电机组，应加快创造条件实施节能改造，对无法改造的机组逐步淘汰关停，并视情况将具备条件的转为应急备用电源。发改委《实施方案》对现役机组改造容量的目标要求：“十四五”期间改造规模不低于3.5亿千瓦”，这一改造升级的重点显然应当是占我国煤电总容量三分之一，其装机容量达3.56亿千瓦的亚临界机组。对按照特定要求新建的煤电机组：除特定需求外，新建煤电机组原则上采用超超临界，其供电煤耗须低于270克标准煤/千瓦时。对煤电灵活性改造要求：《实施方案》还要求，存量煤电机组灵活性改造应改尽改。“十四五”期间完成2亿千瓦，增加系统调节能力3000—4000万千瓦，促进清洁能源消纳。“十四五”期间，实现煤电机组灵活制造规模1.5亿千瓦。显然，应该同时实施的灵活性改造的重点也应该是亚临界机组。7

2国家发改委和能源局这次煤电机组的改造升级的部署和要求，实际上是国家对煤电机组改造升级下达的动员令，要求统筹考虑节能降耗、供热改造和灵活性改造制造，实现“三改”联动。这也是推动煤电向电力基础保障型和系统调节型两者并重的转型。2019年9月，国家能源局在给全国政协1910号提案的答复函中，明确提出了我国2030年煤电低碳化发展的3个目标：(1)实现燃煤发电净效率突破50%，每年累计节煤8亿吨标煤、减排CO2约20亿吨；(2)燃煤发电机组实现20%-100%调峰，对可再生能源并网消纳支撑能力显著提升；(3)掌握百万吨碳捕集利用与封存成套技术。以上要求的累计8亿吨节煤目标，主要应由上述对现役煤电机组通过改造、提效、降耗和提高灵活性来完成。从而进一步大力推动光伏、风电发展，并解决风光电的间歇、不稳定的问题，以保障电网的稳定和安全运行。为了贯彻发改委和能源局改造升级中国煤电的要求，上海申能电力科技公司所研发的一系列先进煤电创新技术，全覆盖了超超临界、超临界和亚临界的各种煤电机组，可大幅度降低煤耗和提高其灵活性，这些创新技术所实施和应用的样板和示范工程有：1、上海申能外高桥第三发电厂2台100万千瓦一次再热超超临界机组：其设计供煤耗为291.5克标煤/千瓦时，设计供电效率为42.1%。经过不断的采用创新技术改造后，该2台机组的全年平均实际供电耗达276克标煤/千瓦时，全年平均实际供电效率达44.5%，为当时的世界最先进水平，同时实现了20%负荷的深度调峰，被国家能源局授予“国家煤电节能减排示基地”称号”。2、华润曹妃甸电厂2台100万千瓦一次再热超超临界机组新建机组:由上海申能电力科技公司按照“复制外三，超过外三”的要求提供全套创新技术进行设计和建设，于2019年建成投产，其机组性能为：额定工况供电煤耗：262.75克标煤/千瓦时，额定工况供电效率46.5%，其性能超过常规设计的现有100万千瓦二次再热超超临界机组。3、安徽淮北平山电厂二期135万千瓦高低位双轴布置二次再热超超临界机组：其设计的供电煤耗值为251克标煤/千瓦时，是世界容量最大、效率最高、供电煤耗最低的煤电机组。同时实现在20%的超低负荷下深度调峰。7

34、华润江苏徐州电厂32万千瓦亚临界升级改造：改造后供电煤耗从318克标煤/千瓦时降低到282/克标煤/千瓦时，降低供电煤耗36克标煤/千瓦时，达到超超临界机组煤耗水平，同时实现20%负荷的深度调峰，并在20%超低负荷时实现了全部污染物的超低排放。二、大力推动在役煤电机组采用生物质燃料与煤混烧，直至生物质燃料替换煤电的低碳发展，仅仅依靠提高煤电效率降低煤耗来减排二氧化碳，还远远不能满足中国实现碳中和碳减排的要求。煤电还必须更大幅度地降低碳排放，甚至于达到近零排放。唯一的途径就是采用低碳的燃料替换，而唯一能够作为低碳燃料替换煤炭的就是生物质燃料。生物质在替代煤炭燃烧过程中产生的碳排放与其生长过程中吸收的二氧化碳可视为相互抵消，对环境并不新增加二氧化碳，因此煤电掺烧生物质可以显著降低煤电的碳排放。按照联合国气候变化专门委员会IPCC发布的各种电源的碳排放强度数据，生物质燃料的碳排放强度为18克CO2/千瓦时，比光伏和光热发电还低，是煤电碳排放强度的0.018。因此，为建立以新能源为主体的新型电力系统，其主体电源除了风光电之外，还应该包括生物质能发电，使生物质火力发电、风电和太阳能发电三种可再生能源发电，均成为新型电力系统的主体电源，从而可确保我国的电网安全，电力安全，以及风光电的发展和消纳。用生物质燃料替代煤炭，将燃煤火电转型为生物质火电的关键，是中国有没有足够的生物质能的资源量，可足以满足用生物质燃料取代十几亿千瓦煤电的煤炭。多项研究指出，我国每年可作为能源利用的农林废弃物的生物质资源总量约相当于4.6亿标准煤，以农业粮食作物的秸秆类为主，2021年我国秸秆产量达8.02亿吨，可收集的秸秆资源量达6.71亿吨。实际上，上述所谓的生物质能资源量只是现有的农林废弃物，并没有包括可以大规模在“边际土地”7

4上种植的能源植物。边际土地是指因温度、水分和土壤养分等条件不适宜种植粮、棉、油等的土地，包括限于年降水量低于400毫米、不能种乔木的土地。迄今几乎所有的我国生物质资源潜力的预测研究，都忽略了边际土地种植能源植物的巨大潜力，从而造成我国生物质能资源量不够充足的普遍误解。实际上，我国属于边际土地范畴的草地和林地、加上多种有障碍因子(如盐碱、沙)的土地面积数倍于耕地。如果人工种植，必然会增加水、肥，选种等的投入和管理，则能源植物的生物量和能源潜力将可翻一、两番甚至更多。与此同时，随着生产和生活水平的不断提高，城乡有机垃圾的资源量也还会继续增加。扩大造林面积也将增加森林“三剩物”的产出。因此，预测届时生物质可利用的年资源量将超过20亿吨标准煤/年。特别是如果推动技术创新，运用现代生物科技解决培育和种植能源植物，发展高效化和规模化的先进能源植物产业，研发出高效、廉价、对土地和环境适应性强的能源植物，并推动其作为独立的能源产业大力发展，不但可推动乡村振兴，绿水青山农民致富，而且将会极大地推动其与煤电的生物质燃料混烧直至燃料替换相结合，促进中国煤电的低碳燃料的彻底转型。以武汉兰多生物科技公司为例。他们从我国境内200多种野生芦竹中，选出了优秀品种，再通过采用创新技术进行基因改良，在行业内率先成功培育出“兰多超级芦竹”。已有五个品种，并已具备年培育3亿株优质种苗的能力，可供90万亩边际土地种植。超级芦竹年生长量是热带森林的5倍，玉米的7倍以上，稻谷的15倍以上，一亩超级芦竹第三年当年的产量可达5-10吨干基生物质能燃料。其干基的热值是4000-4500大卡/公斤，高于褐煤的热值。超级芦竹在年降雨量500毫米以上地区的边际土地、荒坡、滩涂、盐碱地上都可以种植，一年能长6、7米高，可以年年收割，旺产期20年。超级芦竹每年的生长期是优质碳汇，收割后就成为优质生物质燃料。根据国家林草局的数据，中国33亿亩森林每年新增加的碳汇有8亿吨。而如果种植1亿亩超级芦竹，碳汇就超过10亿吨。我国现在有边际土地25亿亩，还有10亿亩盐碱地，荒地也很多。按每亩5吨/亩干基生物质燃料产量的计算，如果有6亿亩边际土地种植，就可以将我国全部燃煤电厂的燃煤都替换成生物质燃料。实际上，在我国已被证明适宜用作发电燃料的能源植物还有柠条、沙柳、芒草等，大力发展这些能源灌木和草类能源植物，不仅可以解决煤电的真正低碳转型，而且这还是一个年总产值超万亿元的巨大支柱型产业和市场，包括可提供大量的劳动力岗位，这恰恰是振兴乡村农民致富的急需。可以预见，如果在这方面，能够有政府在法规、税收、财政等多方面的综合政策的大力支持，使生物质能的机械化生产种植、收集、处理(特别是压缩成型)储运等形成一个完整产业链，在其强大的相应产业形成后，将会彻底改变原来生物质原料过于分散和收、储、运的困难和成本高的局面。那时，火电采购、运输、储存和燃用生物质燃料，就会像现在煤电使用煤炭一样方便。三、大力推动碳捕集利用和封存(CCUS)和生物质能的碳捕集利用和留存7

5除了现在正在大力研发和示范的碳捕集利用和封存（CCUS）技术外，另一类实用和可行的技术是生物方式碳捕获与留存。它与当前在重点研发示范中的物理方式碳地质封存(CCS，将捕获的CO2液化后用高压打入数千米深的地下盐水层和废矿井)完全不同，是通过植物的光合作用从大气中吸收CO2，以碳水化合物为主的形态贮存在植物体、动物体和某些微生物中。嗣后生物残体进入土壤，碳能长期保留于土层之中，也可在CO2被收集加工后，用于种植植物(CO2施肥)和养殖藻类。最终也进入土壤中被长期留存。要想达到“碳中和”的目标，光靠减少碳排放量是不够的，还需要用负碳排放产生的减量，抵消掉相当一部分的CO2排放量。这已是国际气候变化界的共识。生物质正独具负碳排放和生物性碳捕获与留存功能，是迄今为止任何一种温室气体减排手段都不具备的，值得引起高度重视。生物质能加碳捕获与留存的负碳排放，其英文简称为BECCUS（BioenergywithCO2capture，utilizationandstorage）。对于煤电的BECCUS技术，为获取生物质能的碳负排放效应，需要将农林生物质能源资源转化为生物质耦合发电的燃料，或加工为生物炭。同时通过收集利用烟道中的CO2。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2013年的第五次评估报告中，高度评价了BECCUS是“极少有的、能将近几百年来被大气吸收积存的CO2吸出/移走的技术”。IPCC在其关于“可再生能源的特别报告”中，为将本世纪末全球CO2浓度控制在430–480ppm范围、以确保本世纪末全球温升控制在2℃乃至1.5℃，提出了116个对策方案，绝大多数均要依靠BIOCCUS等碳净负排放技术才能实现。国际能源署(IEA)在其“能源技术展望2017:加速能源技术变革”报告中，提出的8种负碳排放途径中，有以下四种属于生物性碳捕获与留存，即：(1)生物质能+二氧化碳捕获利用储存(BECCUS)；(2)造林；(3)生物质制生物炭并用作土壤改良剂；(4)改良农业种植方式。我国生物质发电负碳排放的一个案例是，内蒙古毛乌素3万千瓦生物质电厂利用种植的能源植物沙柳作燃料、并采用养殖螺旋藻的液体吸收烟气中的CO2作为培养基碳源。据介绍螺旋藻液有很强的从烟气中吸收CO2的能力，回收率可达70%，将CO2压缩后供给成百上千个养殖螺旋藻大棚，每年可捕集发电产生的CO215万吨。加上沙柳地下部的固碳量，每年可实现吸收CO27

650-60万吨。同时，通过利用CO2代替传统养殖螺旋藻需用的小苏打，螺旋藻的产量可提高一倍，成本降低三分之一，2011年其螺旋藻的产值达4亿元。这种集固碳、减碳和用碳于一身，实现“负碳排放”的经济模式，获得2012年联合国环发大会的特别贡献奖。这一案例说明，采用生物质燃料发电实现碳的零排放，而通过生物质捕获用于生物质吸收实现负碳排放，实际上是一种通过生物质捕获和利用二氧化碳的技术，植物和藻类在生长过程中将碳从大气中“吸出”，如果再加上与生物质能配套的碳捕获利用技术，可大幅度减少其在利用时重新排放到大气中的CO2。最终产生负碳排放的效果。结束语习近平总书记关于能源革命和碳达峰与碳中和的一系列讲话和论述，对我国煤电的低碳发展与转型，具有极其重大的指导意义。由于我国贫油、少气、富煤的能源资源禀赋，我国现在的电源和电量结构，仍然是以煤为主。为了实现我国碳达峰和碳中和的战略目标，煤电如何实现低碳转型，这是煤电面临的巨大挑战，也是我国煤电必须解决的重大任务，更是我国煤电实现高质量发展，实现先进煤电和低碳煤电的难得机遇。煤电要实现转型，迎接挑战和抓住机遇，关键是要学习和遵循习近平总书记的重要讲话精神，“要立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，通盘谋划，传统能源退出必须建立在新能源可靠的替代基础上。”本文提出的煤电从低碳、零碳、乃至于负碳发展的三步走建议，即：（1）改造升级现有煤电机组(低碳)；（2）煤与生物燃料混烧或燃料替换(零碳）；（3）高效煤电或生物质火电+CCUS和BECCUS(负碳)，是我们在学习了习近平总书记的有关讲话精神后对我国煤电低碳发展的收获和认识。希望在我国广大能源和电力工作者的共同努力下，我国煤电的低碳转型能够早日实现。7