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    “雙碳”目標下的化石能源高效清潔利用

    作者:呂清剛 柴禎 來源:中國科學院院刊 發布時間:2022-07-20 瀏覽:

    中國儲能網訊:呂清剛1,2*    柴 禎1  

    1 中國科學院工程熱物理研究所

    2 中國科學院大學 工程科學學院

    1、我國化石能源利用現狀

    燃煤發電技術

    新中國成立以來,在國家持續投入和支持下,燃煤發電技術取得了長足進步,燃煤發電技術和裝備不斷向高參數、大容量及低排放方向發展。目前,在超超臨界燃煤發電技術、循環流化床燃燒技術、常規煙氣污染物超低排放技術等方面,我國已達世界先進水平;煤電機組煤耗呈逐漸降低趨勢,但由于機組調峰和利用時間降低等原因,煤耗下降幅度逐步放緩(表 1)。

    表1 2010 — 2020 年我國 6000 千瓦及以上電廠發電 / 供電煤耗

    清潔燃煤發電方面。經過 10 多年的發展,燃煤發電常規污染物排放得到有效控制。截至 2020 年底,我國共有煤電機組 4990 臺、裝機容量 10.8 億千瓦,已有超過 9.5 億千瓦煤電機組達到超低排放限值。我國已建成世界上最大的清潔燃煤發電體系,常規污染物已不再是制約燃煤發電的主要約束,目前正在向近零水平努力。

    高效燃煤發電方面。過去的幾十年里,煤電機組一直都在向高參數發展。先進超超臨界發電技術是目前世界上的主要燃煤高效發電技術,其包括二次再熱超超臨界機組和超超臨界循環流化床機組?!笆濉币詠?,我國部署重點項目并持續支持超超臨界發電技術研發與應用;“十三五”期間相繼在安源、泰州、萊蕪、蚌埠、宿遷、句容投產運行 6 個二次再熱機組,蒸汽參數為 31 MPa/600℃/610℃/610℃ 和31 MPa/600℃/620℃/620℃ 2 種類型,并開工建設貴州威赫和陜西彬長 2 臺超超臨界 660 MW 循環流化床燃煤發電機組。2020 年,超超臨界機組占全國現役煤電機組總裝機容量的 26%,其中在役 1000 MW 等級超超臨界機組共 137 臺,整體供電煤耗平均值為 283.59 g/kWh。目前,我國已積累了超超臨界發電機組設計、制造和運行等方面的豐富經驗,相關技術實現了跨越式發展:整體上與國際先進水平同步,部分機組的供電煤耗和發電效率等技術指標實現世界領先,發展速度、裝機容量和機組數量穩居世界首位。

    工業過程燃燒技術

    工業領域煤炭燃燒利用形式以燃煤工業鍋爐和工業窯爐為主。

    燃煤工業鍋爐。我國在役燃煤工業鍋爐近 50 萬臺,約占全國煤炭消費總量的 20%。目前,我國燃煤工業鍋爐以鏈條爐排為主,實際運行燃燒效率、鍋爐熱效率低于國際先進水平 15% 左右。近年來,循環流化床鍋爐技術也得到了很好的應用,形成 35 t/h、65 t/h、75 t/h、130 t/h、240 t/h 的蒸汽鍋爐系列;另外,還有部分煤粉工業鍋爐在市場上得到推廣應用。較鏈條爐而言,循環流化床和煤粉工業鍋爐熱效率有很大提升,已接近 90%,氮氧化物(NOx)原始排放水平也有較大程度降低。但由于燃煤工業鍋爐保有量大,目前依然存在整體能耗高、污染重的問題。

    工業窯爐。煤炭是冶金、建材等基礎工業的主要燃料和原料,我國工業爐窯存量巨大,但因技術和工藝裝備落后等原因而普遍存在系統熱效率低、能耗高、燃料適應性差、污染物原始排放濃度高等問題。以水泥為例,目前全國采用干法水泥熟料生產線數量約 1500 多條;這些生產線工藝核心設備熱效率普遍較低,節能潛力較大,絕大部分未實現常規污染物超低排放,且排出大量CO2。2020 年,我國水泥熟料產量 15.79 億噸,水泥產量 23.77 億噸,水泥行業 CO2 排放占全國排放總量的近 14.3%;噸水泥、噸水泥熟料 CO2 排放量分別約為 616.6 千克、865.8 千克,減排任務艱巨。因此,工業窯爐領域急需變革性技術,以推動節能環保和有效提高資源利用率的方向發展。

    煤炭轉化技術

    2020 年我國煤化工(含焦化)用煤約 7.97 億噸標準煤,占全國煤炭消費量的 28% 左右。按照煤轉化為化工產品的生產過程產生的 CO2 估算,年排放 CO2 約 6.77 億噸,占全國碳排放量的 5.75% 左右。

    近 10 年來,我國煤炭轉化技術進步較為顯著,主要發展了煤制清潔燃料(如煤制油和煤制天然氣等)和大宗及特殊化學品(如煤制甲醇、烯烴、乙二醇等)兩大類技術與產品。我國煤氣化裝置最大單臺煤處理能力已達到 4000 噸/天,支撐了現代煤化工的發展。

    煤制清潔燃料。煤制油方面,一批擁有自主知識產權的技術示范工程相繼建成投產運行。目前已建成的 10 套煤制油項目,成功運行了 400 萬噸/年煤間接液化、108 萬噸/年煤直接液化等重大項目。

    煤制天然氣方面,我國已建成 4 套煤制天然氣示范及產業化項目,但低成本煤氣化技術和甲烷化技術仍處于研究開發階段,因此煤制合成天然氣產品經濟效益差,限制了推廣應用。

    煤制大宗及特殊化學品。煤制烯烴、煤制乙二醇等技術獲得突破性進展,已建成 32 套煤(甲醇)制烯烴、24 套煤制乙二醇示范及產業化推廣項目,成功運行了 137 萬噸/年煤制烯烴等大型現代煤化工裝置。

    我國煤化工技術總體處于世界領先水平,但煤耗大、固廢難處理、碳排放問題突出仍是我國煤化工發展面臨的問題。在煤轉化耦合利用、煤制特種燃料、煤制含氧化合物等高值化合物及可降解材料方面,仍需進一步突破關鍵技術,形成先進成套工藝技術,實現煤炭清潔高效利用,保障油氣安全。

    石油、天然氣利用技術

    2020 年,我國石油、天然氣行業的碳排放量占碳排放總量的 20.8%,“雙碳”目標下,減排壓力較大。

    石油。石油石化產業鏈的上、下游碳排放占比較高,其中石油開采和煉化是突出的高耗能、高排碳過程;在石油下游應用中,石油燃料屬性的利用占據主要地位,而化工品比例占比較低(一般不到 20%)?!半p碳”目標下,隨著能源消費由燃料向電氣化發展,未來石油在終端消費中的燃料屬性將被大幅弱化,交通用油等傳統石油利用模式將逐步被電氣化方式所替代。因此,石油利用過程面臨能效提升、大幅減碳和產品結構深度調整壓力。

    天然氣。天然氣利用途徑主要是作為城市燃氣、工業燃料與原料。城市燃氣主要用于居民生活、采暖,以及車用壓縮天然氣(CNG)等;天然氣的工業應用主要包括冶金、建材和化工領域;天然氣發電主要用于調峰電廠和分布式熱電聯產?!半p碳”目標下,一方面天然氣利用過程面臨提效降碳挑戰,另一方面天然氣可在能源主體由化石能源向非化石能源過渡的過程中積極發揮“橋梁”作用。

    2、“雙碳”目標下化石能源利用面臨新挑戰

    挑戰 1:迫切需要煤電靈活調峰平抑可再生能源的間歇性和波動性,保障電力穩定安全。構建以新能源為主體的新型電力系統是實現“雙碳”的基礎、關鍵與核心,煤炭的能源地位將從“主體”向“基礎”再向“保障”轉變。針對可再生能源電力的波動性、隨機性、間歇性等特點,長期大容量的先進儲能技術尚未出現,燃煤發電需要充分發揮在能源體系中的“穩定器”和“壓艙石”作用,在能源結構轉型過程中為電網大比例消納可再生能源提供靈活調峰能力。但是,現有燃煤發電機組是按基本負荷設計的,難以在寬負荷和快速變負荷方式運行,從而造成我國電力系統靈活性資源嚴重不足,影響電力穩定安全。迫切需要研發和推廣燃煤發電機組靈活調峰技術,滿足電網對可再生能源消納的重大需求。

    挑戰 2:煤炭作為基礎工業的主要燃料和原料,迫切需要低碳化和高效利用,保障產業鏈安全。煤炭是冶金、建材等基礎工業的主要燃料和原料。目前,我國工業鍋爐及爐窯存量巨大,普遍存在系統熱效率低、能耗高、污染嚴重等問題,同時排出大量 CO2;降低碳排放對產業鏈生產用能造成挑戰。必須加大節能減排力度,提升能源利用效率,從源頭上降低碳排放強度。

    挑戰 3:國際形勢復雜,迫切需要煤制油/氣化學品補充替代進口,保障國家油氣安全。我國煤化工承擔著能源安全保障的作用,特別是在當前復雜的國際形勢下,煤制油/氣化學品、實現油/氣補充替代進口,是保障國家油/氣安全的剛需。但是,我國煤化工行業存在煤化工工藝流程過長,投資與運行成本過高;生產工藝過程中能耗高、碳排放量大;產品結構不盡合理,在差異化和高端化方面存在不足,產品靈活性不夠;煤化工的“三廢”(廢水、廢氣、固體廢物)處置費用高等問題。在“雙碳”背景下,煤化工必須加快轉型升級,走工藝低碳、產品高端之路。

    挑戰 4:“雙碳”目標下,油/氣地位重新定義,面臨利用屬性轉變、產品高端化、低成本化等挑戰?!半p碳”目標下,天然氣作為最清潔的化石能源,將保持快速發展,并將成為化石能源向新能源過渡的“橋梁”,在未來全球能源發展中發揮支柱作用;但是,其利用面臨進一步能效提升和減碳挑戰。石油消費逐步降低,并回歸原料屬性,石油利用面臨產品高端化、成本進一步降低等挑戰。

    3、“雙碳”目標下化石能源高效清潔利用思路

    “雙碳”目標和能源革命背景下,在建立新能源體系過程中,各種能源的比較優勢將取決于其本身技術創新的進展情況。要立足以煤為主的基本國情,推動煤炭等化石能源清潔高效利用,分階段實現能源供應主體的轉變。通過對煤炭、石油、天然氣等化石能源利用技術的變革性創新,加快煤炭資源從燃料屬性向原料和燃料耦合屬性轉變;開展發電、工業用能和化工等煤炭燃燒與轉化利用典型過程的技術革新與示范,以及天然氣燃燒高值化利用技術革新與示范,進一步提升石油原料使用屬性;促進化石能源與可再生能源互補融合,實現系統能效提升,保障我國能源安全和產業鏈安全,促進我國能源及相關工業低碳化發展。

    4、“雙碳”目標下化石能源高效清潔利用技術發展建議

    化石能源高效清潔利用技術是國家能源結構轉型的關鍵,是有效支撐“雙碳”目標實現的關鍵手段和途徑。在能源革命和“雙碳”目標新形勢背景下,大力發展化石能源高效清潔利用技術,推動煤炭高效燃燒和轉化、石油天然氣高效利用及煤化工“三廢”處理技術研究和應用,強化化石資源的燃料與原料屬性的耦合,對實現國家能源結構轉型意義重大。

    煤炭高效燃燒與低碳轉化技術

    現階段,煤炭仍然是我國主體能源,技術變革與創新、技術改造和挖潛是煤炭的清潔高效利用的主要著力點,國家能源局出臺的煤電機組改造升級實施方案中的“三改聯動”就是具體的扶持政策?!半p碳”目標下的能源轉型過程中要實現煤炭利用破立結合,需要大力發展適用于碳達峰、碳中和的典型工業過程煤炭利用變革技術,強化煤炭燃料與原料屬性,提高存量煤炭利用水平,安全、有序推動煤炭高效低碳技術研發與應用。在此目標和背景下,中國科學院部署戰略性先導科技專項(A 類)“煤炭清潔燃燒與低碳利用”,以煤炭的高效低碳利用為目標,以強化煤炭燃料屬性與原料屬性的耦合利用和設備過程強化為手段,加強關鍵技術研發和工程驗證,推動技術工程示范,實現煤炭減量化、低碳化、清潔化利用,為構建安全高效、低碳清潔的能源體系提供技術支撐。

    1、燃煤鍋爐靈活調峰技術

    可再生能源發電的快速發展為我國能源系統低碳轉型注入新的活力。由于可再生電力的波動性和間歇性,影響電力系統安全穩定運行。在目前尚無大規模、低成本、長周期的先進儲能技術可用狀況下,迫切需要煤電深度靈活調峰技術,以滿足可再生能源大規模接入電網的需求。加快開發和應用燃煤鍋爐深度靈活調峰技術、超低負荷穩燃技術、高效靈活電-熱雙供技術等,實現鍋爐深度調峰與快速變負荷,為可再生能源發電高比例接入電網保駕護航。特別是 2030 年以后,煤炭逐步向基礎能源和保障能源過渡。隨著可再生能源的深入發展,煤電深度調峰逐步向高靈活性和全負荷范圍調峰的方向發展,應利用變革技術建造新型調峰發電機組來保障可再生能源的接入,從而在高度靈活智能的前提下,實現清潔高效經濟運行,支撐新能源系統的構建及“雙碳”目標的實現。

    2、工業過程高效燃燒技術

    清潔高效燃燒技術是實現提升能源利用效率、有效降低碳排放強度的有效手段。針對冶金、建材等典型高耗能、高排放工業過程的節煤、降碳、減排等重大需求,突破氣化-燃燒、富氧/全氧燃燒、多污染物協同脫除等關鍵技術,完成典型流程的工業示范,實現高效低碳燃燒利用,從而推動工業用煤領域燃燒技術變革,節能增效。同時,推動冶金、建材等高耗能行業與煤化工的結合,充分發揮煤炭直接和間接轉化技術優勢,促使高耗能和高耗煤行業技術變革。例如,從焦炭高爐煉鐵轉型到還原冶煉工藝,可大幅度減少 CO2 排放。

    3、工業過程/流程低碳耦合關鍵技術

    充分發揮煤炭的能源屬性和物質屬性,重點突破高耗煤/高耗能行業間、流程/過程間的物質和能量的耦合瓶頸,形成煤電-可再生發電、煤化-冶金、煤化-石化、多過程聯產等系列高效低碳耦合利用技術,完成典型工業示范;推動煤炭由燃料屬性向燃料與原料屬性耦合轉變,實現系統綜合能效提升和 CO2 減排。其中,燃煤發電與可再生能源耦合發電方面,推動發展煤與生物質耦合發電,可實現生物質發電效率提高 15—20 個百分點,達到超超臨界發電水平;而燃煤發電與太陽熱耦合發電,可以充分利用低品位的太陽熱來減排 CO2。煤化-冶金耦合方面,開發甲醇-鋼廠煤氣制乙酸乙酯技術,可充分利用鋼鐵廠的尾氣(主要是焦爐煤氣、轉爐煤氣),通過提純形成合成氣原料,實現冶金尾氣原料化,具有顯著的降碳、固碳及增效效益。煤化-發電方面,推動煤化工與燃煤發電耦合,充分發揮煤炭的燃料屬性和原料屬性,實現電力和化學品聯合靈活生產,既滿足靈活調峰,又滿足大幅度減排 CO2 的需求。此外,可通過甲醇石腦油耦合制烯烴技術、鐵錳礦定向還原焙燒技術等實現煤化-石化、多過程聯產等多過程低碳耦合。

    4、煤炭高效轉化技術

    煤炭轉化方面發展空間很大,主要針對目前煤轉化過程中二氧化碳排放高、系統能效低、影響國家能源安全的特種油品及高端化學品不足等問題,提出煤炭轉化新路徑,加快推進低碳氣化、先進催化、含氧化合物制備、高端化學品及特種油品合成等關鍵技術研究和示范。一方面,發展煤炭清潔經濟制備一氧化碳技術,逐步利用大規??稍偕茉吹臍湓春铣赡茉串a品和化學品,實現少排甚至不排 CO2;另一方面,通過轉化-合成、氣化-轉化-合成等過程集成,實現煤炭低碳高效高質轉化,為實現“雙碳”目標、保證國家油氣和產業鏈安全提供技術支撐。

    石油、天然氣高效清潔利用技術

    1、石油高效利用技術

    “雙碳”目標下,未來對成品油的需求將急劇下降,推進煉化企業從“燃料型”向“化工型”轉型是發展趨勢。通過石油催化裂解生產烯烴/芳烴技術、原油直接催化裂解多產化學品技術等石油直接制備化學品技術,以及甲醇石腦油耦合制烯烴、甲醇-原油共催化裂解制烯烴等石油基與煤基原料耦合制烯烴芳烴技術,構建石油制烯烴/芳烴等化學品的新技術體系,實現其低碳、清潔、高值利用。從而提高我國基礎化工原料自給率,有效推動“雙碳”戰略實施。

    2、天然氣高效清潔利用技術

    充分發揮天然氣能源屬性的清潔低碳優點和物質屬性的原料特點。一方面,加快推進天然氣高效低排放燃燒、燃氣輪機聯合循環發電等技術研發和示范應用,充分發揮天然氣具有調節靈活、響應迅速的優點,與可再生能源協同發展,形成良性互補。另一方面,開展單活性中心甲烷無氧轉化制烯烴、芳烴和甲烷/二氧化碳干氣重整制合成氣等天然氣制備化學品技術,實現天然氣高效、清潔、高值化利用,有效支撐清潔低碳、安全高效現代能源體系構建。

    煤轉化及石油采煉過程“三廢”處理技術

    在我國化石資源利用過程中,仍然有廢水、廢氣、固體廢物大量排放,存在處理成本高、環境污染嚴重等問題。迫切需要突破規模換低成本關鍵技術的瓶頸。

    1、廢水處理方面

    推動煤化工廢水低成本處理及資源化利用,開展催化臭氧氧化、催化濕式電氧化、酚油協同萃取及高效生化處理等關鍵技術研究,并進行工程示范和應用。

    2、廢氣處理方面

    重點突破 NOx 和揮發性有機物(VOCs)等多種污染物協同脫除技術,進行污染物系統高效脫除催化劑開發和應用,進行廢氣催化凈化處理工程示范。

    3、固廢處理及資源化方面

    推動大宗化石資源的固廢資源化、高值化及低碳化利用,開發氣化灰渣焚燒利用、廢液與廢固高溫熔融高質化、油泥高質化利用等關鍵技術,完成工程示范和推廣應用。

    5、結  語

    在“雙碳”目標下,我國能源發展面臨煤炭所占比重偏高、油氣供應對外依賴度過高、碳排放強度高、可再生能源供給嚴重不足等問題。需要以變革技術推動化石能源利用發展,特別是突破化石能源的燃料屬性與原料屬性耦合技術,以及行業間耦合技術,固碳減排,促進化石能源與新能源協同融合發展,為新能源發展提供支撐。

    我們相信,隨著煤炭清潔高效利用技術研發的深入,會產生出一批經濟低成本的先進產業技術,為能源和產業轉型、保障產業鏈安全作出貢獻,為實現“雙碳”目標提供技術支撐。

    背景

    化石能源支撐能源轉型的地位和作用

    能源是人類生存和發展的保障,是人類文明進步的基礎和動力,關乎國計民生、工業生產和國家安全。作為全球最大的能源消費國,如何有效保障國家能源安全、有力保障國家經濟社會發展,始終是我國能源發展的首要問題。

    我國嚴重依賴化石能源,化石能源長期在能源系統中占主體地位。2020 年我國全年能源消費總量為 49.8 億噸標準煤,其中化石能源消費占比仍近 85%(煤炭、石油和天然氣消費量分別占能源消費總量的 56.8%、18.9% 和 8.4%)。

    我國經濟快速發展是化石能源生產和消費快速增長的驅動力。自 2005 年以來,我國都是與能源相關二氧化碳的最大排放國。電力和工業領域是我國化石能源消費主戰場,電力、鋼鐵、建材和化工等行業也因此成為我國 CO2 排放大戶。因此,化石能源高效利用是我國實現碳達峰、碳中和(以下簡稱“雙碳”)目標的關鍵。

    我國能源資源稟賦和不相適應的能源結構、錯綜復雜的國際環境、快速高質量發展的經濟社會及應對氣化變化需求等因素均要求必須堅定不移推進能源革命;特別是在“雙碳”目標要求下,能源中長期發展中的 CO2 減排任務更加明確,需要全面推進大規模開發利用清潔能源,建設多元清潔能源供應體系?;茉慈宰鳛橹黧w能源,需要總量控制、有序替代;實現化石能源高效、清潔、低碳利用,是推動能源革命和轉型,構建清潔低碳、安全高效能源體系的重中之重。

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    關鍵字:新能源

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