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煤电低碳转型的三种技术路线

2023年是我国风光新增装机容量创新高的一年，但尽管可再生能源得到快速发展，受用电需求保持刚性增长的影响，煤电发电量也增长了5%左右，仍占总发电量近六成，新增用电量仍有不少来自煤电。此外，为支持风光消纳导致煤电出力频繁升降和启停，火电平均供电煤耗为302克标准煤/千瓦时，出现小幅反弹。这些新形势给电力行业碳排放达峰带来了较大挑战。在这样的背景下，国家发展改革委和国家能源局在2024年6月底印发了《煤电低碳化改造建设行动方案（2024—2027年）》（以下简称《方案》），提出新增降碳改造需求，将采用生物质掺烧、绿氨掺烧、碳捕集利用与封存（CCUS）三种技术路线来实现煤电机组降碳，并明确了阶段性目标、项目布局、机组条件、降碳效果等改造建设要求。

长期以来，我国非常重视煤电的节能提效改造工作，但对大部分机组来说，通过继续改进煤炭燃烧技术实现能效提升的空间较小，加之灵活性运行会带来的度电煤耗增加，煤电行业很难再通过节能提效改造来满足国家降碳要求，需要通过技术创新来实现实质性降碳。该《方案》提出的三种技术能给煤电机组带来更明显的碳排放下降，可以减少度电煤耗和煤电发电量增长对我国碳达峰时间和碳排放峰值的影响，也是未来逐步实现煤电零排放转型的实践探索。

1、项目布局和规模设置

《方案》对列入改造计划的项目提出了具体碳减排要求，以2023年煤电机组平均碳排放为基准，2025年改造机组度电碳排放较2023年降低20%左右，2027年改造机组降低50%左右，接近天然气发电机组的碳排放水平。可以看到，对参与改造的项目提出的减排目标非常具有雄心，不过《方案》未对改造的整体规模提出量化目标，而是以鼓励为主。另外，《方案》就源端减碳燃料替代的掺烧比例提出了最低要求：具备掺烧10%以上生物质或绿氨的能力。就2025年20%和2027年50%的减排目标而言，考虑生物质的热值比动力煤（5500大卡/吨）低三分之一左右、氨的热值也略低于动力煤等因素，为实现减排目标，单一掺烧技术下掺烧比例需相应要高于20%和50%以上才能达到减排目标。因此，建议电厂在改造方案设计上要留有裕度以满足需求，也可以考虑通过采用多种路线组合的方式来达成减排目标，比如生物质和CCUS技术结合来实现对应发电量的负碳化。

《方案》提出，在可再生能源资源富集、经济基础较好、地质条件适宜的地区，因地制宜开展改造，并分别对三种技术的布局和实施条件给出了相应的的指引。比如在内蒙古、新疆等风光资源丰富、CO2封存地质条件较好且煤价较低的区域，可考虑开展绿氨掺烧或CCUS项目，或采用耦合技术。在农林废弃资源丰富的吉林等地区以及《方案》中提到的可规模化种植沙生或能源植物的地区则适合发展生物质掺烧等项目。

在筛选项目时，需要重点评估候选项目是否真正具备实施条件。项目实施过程中，建议借鉴过去燃煤耦合生物质发电技改试点的经验，不但要选址在生物质和可再生能源丰富的地区，还需要建立完善的供应链，要与该地区生物质、合成氨等专项规划相衔接，这样才能确保燃料的可持续供应以及整个项目的经济性。此外，项目规模和掺烧配比设计要在科学评估燃料供应能力的基础上确定。CCUS项目则是要更多结合捕集后续的运输、利用、封存等环节，来确定项目的规模。

2、技术经济性尚有不足

从技术类型看，三种技术可归结成源端减碳和末端固碳两类，生物质掺烧和绿氨掺烧属于源端减碳，CCUS属于末端固碳。目前，三种技术在国内外都有应用，但技术经济性仍然不足，需要技术和政策创新予以进一步支持。

·生物质掺烧：起步较早，在英国、丹麦等欧洲国家已得到广泛应用。英国煤电机组已实现煤改100%生物质直接燃烧。我国在2017年就开展过燃煤耦合生物质发电技改试点，但项目进展缓慢，掺烧比例基本都在20%以下。原因主要有生物质燃料收集难度大且价格高、电价补贴取消、高比例掺烧技术不成熟等。目前，国内主要采用初始投资小的直接掺烧生物质技术。而生物质颗粒燃料因热值不同，价格在500-1000元/吨不等。考虑生物质的热值比动力煤低三分之一，需花费比煤炭更高的经济代价才能实现对吨煤热值的等效替代，成本相对较高，需通过产业化发展降低燃料成本和保障燃料供应充裕。

·绿氨掺烧：煤电和绿氨结合实现降碳，与欧美推广的“氢就绪”燃气发电厂类似。日本是最先探索绿氨作为煤电替代燃料的国家，逐步提高掺烧比例，最终转为纯氨发电厂。我国发电企业正在开展低比例掺氨示范，比例在10%~35%之间，但由于绿氨的高生产成本，目前示范项目基本不使用绿氨。现阶段，我国灰氨的生产成本为2000元/吨左右，而绿氨的生产成本达到4000元/吨以上。若考虑运输存储等其他费用，电厂使用价格会更高。此外，氨本身也存在安全性和燃烧不充分带来氨逃逸、氮氧化物增加等问题，机组灵活性运行下高比例掺氨技术还有待改进。