◎  张文辉 李全生 陈为高

　　核心阅读：在未来的清洁燃煤电厂中，褐煤等低变质程度煤将是“双碳”目标下的优质动力煤。但褐煤水分含量高、发热量低的特性，限制了其能源效率的提高，因此应建设“利用电厂的余热对褐煤进行干燥脱水提质加工的煤电一体化”新模式，提高褐煤品质和发电效率，降低煤炭生产利用成本，为燃煤电厂实施CO₂捕集封存拓展足够的成本空间，使清洁燃煤电厂污染物和CO₂排放达到或低于天然气电厂水平，实现低碳化。与此同时，充分发挥清洁煤电在“双碳”目标下的“兜底”和能源安全保障作用，使清洁煤电成为碳中和后我国清洁能源中不可缺少的组成部分。

　　我国力争2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”是一场硬仗，为此，要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高能源利用效率，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。截至2020年底，我国清洁能源发电装机规模增长到10.83亿千瓦，首次超过煤电装机，占总装机比重达到约49.2%，建立起了多元能源供应体系。

　　尽管如此，我国能源电力领域碳减排的任务仍然较重。数据显示，能源燃烧是我国主要的二氧化碳排放源，占我国全部二氧化碳排放的88%左右，电力行业排放约占能源行业排放的41%。发展可再生能源是推动能源转型的重要措施。可再生能源大规模、高比例、市场化发展，提高其在能源、电力消费中的比重，将使可再生能源在“十四五”时期成为我国一次能源消费增量的主体。但风电和光伏发电具有波动性，未来随着新能源快速发展，新型用能设备广泛应用，电力系统的供需平衡难度、安全稳定运行保障难度的相应增大，构建新型电力系统势在必行。

　　“双碳”目标将推动我国煤炭清洁高效生产和利用实现跨越式发展。以实现“碳中和”为目标，构建以新能源为主体的新型电力系统，需要多方面协同发力，充分发挥清洁燃煤电厂灵活调节能力，研究完善清洁燃煤电厂主动深度调峰以及实施灵活性改造的技术方案，配套建设碳捕集和封存装置，着力提升燃煤电厂效率和清洁化水平，减少燃煤电厂污染物和碳排放，建设符合“碳中和”要求的清洁燃煤电厂，充分发挥清洁燃煤电厂的能源安全兜底作用，这对清洁燃煤电厂用煤质量提出了新的低碳化要求。

　　一、“双碳”目标下，清洁燃煤电厂的定位

　　1.清洁燃煤电厂将是“双碳”目标下新型电力系统的重要组成部分

　　新能源发电的不稳定性和波动性，需要煤电等其他电源配合新能源的波动性来维持电网系统的稳定，保证电力供应的稳定性和安全性。

　　在新能源高度发达的欧盟，煤电市场逐步缩小，但在电力调峰的灵活电源市场上仍占有重要位置。2019年，欧盟消耗煤炭约5亿吨，其中德国消耗煤炭约1.66亿吨。因此，煤电在清洁方面虽不如新能源，但其具有稳定性好和廉价的优势，在能源市场中仍将占有一席之地。在“双碳”目标下，对燃煤电厂的要求是，不仅CO₂、NOx、Hg和粉尘等污染物排放要低，达到天然气电厂的水平，而且CO₂排放水平也要低，达到天然气电厂CO₂排放水平，并且成本要与天然气电厂相当。在未来电力市场上，其市场大小关键取决于煤电的清洁生产成本，是否具有实施碳封存的成本空间，建成污染物和CO₂排放水平达到天然气电厂的清洁水平。因此，未来的清洁燃煤电厂将是高效、智慧，并将具有超低排放和CO₂捕集封存(CCS)能力的清洁燃煤电厂。

　　2.清洁燃煤电厂要配套建设CO₂捕集封存降碳装置

　　清洁燃煤电厂要实现CO₂排放水平达到天然气电厂的清洁水平，必须配套建设CO₂捕集封存等降碳装置。燃煤电厂CO₂捕集是指将CO₂从燃煤锅炉尾部烟道中通过物理或化学方法分离出来并浓缩聚集的过程。我国已有多家电力公司开展CO₂捕集和封存研究工作，结果表明，投资和运行费用昂贵是CO₂捕集最大的障碍。因此，降低投资费用和运行能耗是碳捕集封存技术的发展方向。目前，电厂主要有3种不同的CO₂捕集技术路线，即燃烧前脱碳、燃烧后脱碳以及富氧燃烧技术等。

　　中国华能集团公司高碑店热电厂项目是我国首个燃煤电厂CO₂捕集示范工程，由中国华能集团公司和西安热工研究院有限公司共同开发，项目总投资约3000万元。自2008年投入运行以来，CO₂回收率大于85％，CO₂纯度达到99%，售给当地饮料生产厂家。高碑店电厂每年排放CO₂约400万吨，日捕集量最大达12吨，生产每吨食品级CO₂的成本大约是400元。

　　中国电力投资集团公司重庆合川双槐电厂碳捕集项目，包括2座装机容量为300MW的机组，年产工业级CO₂约1万吨。该项目投资1235万元，碳捕集率高于95％，CO₂纯度高于99%，每捕集1吨CO₂需消耗低压蒸汽3吨，用电90kwh，初步测算双槐电厂生产液态CO₂成本约为400元/吨。

　　由于煤化工过程中为脱除酸性气体均配有低温甲醇洗装置，这种内嵌于生产工艺的碳捕集装置，会大大节省碳捕集封存成本，捕集成本比常规燃煤电厂低20％~50％。初步研究表明，对煤化工过程产生的CO₂进行碳捕集后封存至咸水层，单位成本为284.2元／吨。综上所述，燃煤电厂CO₂捕集封存费用在400~600元/吨。目前，国家能源集团、华润集团正在进行这方面的研究，2021年，国家能源集团在锦界电厂建成15万吨/年二氧化碳捕集示范项目，是我国目前规模最大的燃煤电厂燃烧后捕集示范项目。2019年，华润集团在海丰电厂建成碳捕集、利用和封存测试平台。随着技术的进步，未来CO₂捕集封存的成本还会进一步降低。以吨煤发电排放2.5吨CO₂来计算，如果CO₂脱除率按50%、发电煤耗按300g/kwh计算，则发电成本增加约15分~22分/kwh。

　　目前,各地天然气上网电价普遍较高，天然气发电上网电价在40分~80分/kwh。因此，与天然气电厂相比，国内配套CO2捕集封存装置的清洁燃煤电厂具有一定的市场竞争力，在清洁能源市场中将占有一席之地。

　　由于燃煤电厂排放CO₂数量巨大，依靠CO₂利用实现燃煤电厂碳减排目标很难实现。因此，目前碳减排的研究重点还是捕集和地质封存。

　　2020年,美国运营的CO₂捕集封存与利用项目38个，CO₂捕集量超过3000万吨。中国已投运或建设中的CO₂捕集封存与利用示范项目约40个，捕集能力为300万吨/年,多以石油、煤化工、电力行业小规模的捕集驱油示范为主，缺乏大规模的多种技术组合的全流程工业示范。

　　二、“双碳”目标下，清洁燃煤电厂对动力煤质量的新要求

　　1.H/C原子比将是评价动力煤质量优劣的重要指标

　　降低燃煤电厂成本，首先要降低电厂用煤成本。根据新型燃煤电厂减污降碳的要求，提供电厂的动力煤燃料不仅要低硫、低灰，而且要低碳，减少电厂降碳的成本。

　　为了严格控制燃煤电厂污染物排放，近年来，我国又实施了超低排放标准，进一步严控燃煤电厂CO₂、NOx和粉尘污染物的排放，使燃煤电厂这三类污染物的排放基本达到天然气电厂的水平，在减少电厂污染物排放方面走在了世界前列。燃煤电厂为了实现这些目标，对动力煤的质量要求是硫份、灰分含量低等，根据国家标准《商品煤质量评价与控制技术指南》，硫份大于3%，灰分大于40%及有害元素含量高的商品煤禁止进入市场销售。但在“双碳”目标下，动力煤仅硫份、灰分及有害元素含量低是不够的，因为还要碳含量低，不仅满足燃煤电厂排放减污的要求，而且要符合“双碳”目标下降碳的要求。因此，在“双碳”目标下，清洁燃煤电厂对动力煤的质量要求是H/C比高，硫份、灰分含量低等，H/C原子比将是评价动力煤质量优劣的重要指标。

　　2.不同H/C原子比煤种CO₂排放系数计算

　　根据国家煤炭分类标准，我国将煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三大类，其中根据挥发份、氢含量、透光率和粘结指数等指标，将褐煤分为2小类，烟煤分为12小类，无烟煤分为3小类，其中褐煤H/C比在0.8~1.1之间，烟煤的H/C原子比在0.5~0.9之间,无烟煤的H/C原子比在0.1~0.5之间。在动力煤中，对发热量的主要贡献是煤中的碳和氢，碳与氧燃烧放出的热量是96.6kcal/mol，碳燃烧放出热量是8050kcal/kg，氢与氧燃烧放出的热量是57.7kcal/mol，氢燃烧放出热量是28560kcal/kg，氢碳热量比是28560/96600=0.295。因此，若燃烧褐煤达到天然气的CO₂排放水平，脱除42%左右的CO₂即可。

　　根据CO₂排放系数测算，取得同样的发热量，褐煤H/C原子比高，比烟煤少排放约5%的CO₂，比无烟煤少排放约14%的CO₂。因此，在“双碳”目标下，褐煤是优质的动力煤，有助于减少燃煤电厂CO₂的排放。

　　三、“双碳”目标下，建设煤电一体化高质量发展新模式

　　1.煤电一体化生产模式特点

　　“双碳”目标下，清洁燃煤电厂对动力煤生产成本提出了新的要求，要求降低煤炭生产成本，降低燃煤发电减污降碳成本，提高清洁煤电的市场竞争力。煤电一体化是低成本、高效率的煤炭生产利用模式，由于减少了煤炭存储转运等中间环节，具有运营效率高、能源利用率高、产品质量和数量有保障等特点，减少煤炭生产和发电利用过程中污染物排放，助推建设清洁高效煤电产业链，提高煤电绿色发展水平，降低煤电成本，为燃煤电厂实施CO₂捕集和封存开拓足够的成本空间和清洁煤电市场空间。

　　2.以煤电一体化模式为基础，利用电厂余热对褐煤进行干燥脱水

　　节能提效是目前最有效的减少碳排放措施。2020年，我国供电煤耗平均值在305.5克/千瓦时左右，我国部分百万超临界机组供电煤耗降到270克/千瓦时以下；2019年，我国供电最低煤耗253克/度。因此，我国燃煤电厂节能提效减排CO₂潜力巨大，若我国供电煤耗从目前的305.5克/千瓦时，降到260克/千瓦时，则可以节省动力煤3.2亿吨左右，直接减排CO₂约8亿吨。最新研究成果表明，提高煤质稳定性，提高燃料煤发热量，均有利于降低供电煤耗。

　　与其他煤种相比，虽然褐煤具有H/C原子比高的优势，但褐煤普遍水含量比较高，发热量低。关于褐煤干燥提高能源利用效率，国内外已经开展了大量的研究工作，研究主要集中在干燥原理和干燥方法，以及干燥后煤质特性及工业示范，成功的褐煤干燥技术是以煤电一体化为基础，利用电厂余热对褐煤进行干燥脱水的提质加工技术。

　　德国利用热值为9.2MJ/kg的高水分褐煤，实现了大容量1000MW等级超临界机组的高效、节能电厂目标，年均供电煤耗降到292克／千瓦时，其主要是采用了利用电厂余热的褐煤干燥技术，大幅度降低了褐煤发电煤耗；国内研究也表明，利用电厂余热的高水分褐煤预干燥，可使超临界机组发电标准煤耗降到272克／千瓦时。

　　褐煤等低变质程度煤埋藏浅，地质结构简单，生产成本低，在我国煤电一体化体系中，褐煤预干燥和脱灰技术与火力发电技术的结合，是一套高效、节能、低碳、低成本的燃煤发电系统，同时也可以考虑利用电厂余热对褐煤等低变质煤种进行干馏加工，获得高H/C的清洁燃料，弥补我国天然气的短缺，减少碳排放。这种技术必将引领我国火电先进技术与煤炭先进技术的跨行业技术融合发展，建设在“双碳”目标下高效、节能、低碳的清洁燃煤发电系统，使清洁煤电成为我国清洁能源的一部分，为我国早日实现“碳中和”目标做出贡献。

　　在“双碳”目标引领下，清洁燃煤电厂对动力煤质量及生产模式的新要求是，在煤电一体化低成本生产模式中，动力煤不仅硫份、灰分等杂质含量要低，而且H/C原子比要高，H/C原子比是评价动力煤性质的重要指标。由于褐煤H/C原子比高，在释放同样热量的情况下，CO₂排放少，有助于燃煤电厂降低CO₂排放。初步测算，若燃烧褐煤达到天然气的CO₂排放水平，脱除42%左右的CO₂即可。因此，在未来的清洁燃煤电厂中，褐煤等低变质程度煤将是“双碳”目标下的优质动力煤。为建设清洁高效的褐煤电厂，应充分发挥煤电一体化优势，利用电厂余热对褐煤进行干燥脱水和脱灰提质加工，提高电厂能源利用效率，降低褐煤等低变质程度煤生产利用成本，为清洁燃煤电厂实施CO₂捕集封存开拓足够的成本空间，使清洁燃煤电厂不仅在减污方面可以达到天然气电厂水平，而且在降碳方面也可以和天然气电厂竞争，使清洁煤电成为“碳中和”后我国清洁能源中不可缺少的组成部分，为“双碳”目标下煤炭产业生存发展开辟一条新的途径。

　　（作者单位：中国神华能源股份有限公司、国家能源集团公司科技部)