每年要烧掉16亿吨煤炭的燃煤发电，却能成为未来低碳电力的推动者？ | 吕清刚——科学讲坛
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我们这几十年的研究，
主要就是跟着国家的重大需求。
国家需要什么样的煤电，
我们就研发什么样的技术。
吕清刚 · 中国科学院工程热物理研究所研究员
大家好，我是来自中国科学院工程热物理研究所的吕清刚，我的报告主题是《煤炭：低碳电力的推动者》。
煤炭与低碳如何联系到一起？
下面这张照片这是内蒙古呼和浩特大唐托克托电厂。它是一座现代化的燃煤发电厂，装机容量为672万千瓦。它主要是给北京供电，北京每三盏灯里，有一盏就是托克托电厂点亮的。
像这样现代化的燃煤发电厂，在我们国家有超过1000座。它们实现了氮氧化物、二氧化硫和粉尘等常规污染物超低排放，达到了世界的先进水平。
我们国家燃煤发电占电力供应的60%，是发电的主力，它每年要烧掉16亿吨煤。煤的主要成分是碳，燃烧排放的是二氧化碳，所以煤电是二氧化碳排放的大户。
我们国家每年排放100亿吨的二氧化碳，其中煤电占了42亿吨。既然会排放这么多二氧化碳，那我们能不能不用煤炭？能不能只用可再生能源？我们用下边的两个例子来回
在美国得克萨斯州，可再生能源占24%。在去年（2021年）2月份的极端天气情况下，可再生能源几乎停止了。那个时候，电力的短缺非常明显，价格提升了200倍，有四五百万家庭的生活受到了影响。
我们国家的情况有点复杂，去年各地方电力的缺口达到了10%-20%，所以在当时拉闸限电很普遍。特别是在东北的辽宁，在极端条件下，有几天风力发电骤减，甚至几乎没有电了。电力缺口继续扩大，为了防止电网的崩溃，我们无选择地进行拉闸限电，这给工业生产和生活造成了很大的影响。因为无选择就意味着可能谁用电用的多，就直接拉掉，特别对钢铁工业、医院和一些特殊的部门来说，困扰是很大的。
所以说，我们对电力稳定输出的需求是非常迫切的。而可再生能源的波动性和间歇性非常严重。它不止表现在白天有电、晚上没电，更常常是有的时候电多、有的时候电少，甚至出现几天都没有电这种情况。
随着新型电气化的发展，我们对稳定电力输出的要求更加苛刻。所以在不稳定的可再生能源和要求苛刻的稳定电力输出之间存在一个矛盾。因此，我们需要有一个巨大的电源，在不稳定的可再生能源和稳定电力输出之间达成平衡。也就是说，在使用可再生能源的过程中，这个巨大的电源要时刻做准备，当没有可再生能源的时候，它就要立刻补上去，这就是调峰的概念。
那么怎么实现调峰？有的人说，储能可以解决这个问题。但是别忘了，我国煤电一年烧掉16亿吨，储能的技术还不能够实现这种大规模的长周期的调峰。
从刚才的两个例子中，我们可以看出电力的缺口问题不是一时，而是几天的，缺口有上千万千瓦，而先进的储能单机容量只有10万千瓦，它的功率输出只有1万千瓦，并且是短时的。在时间和功率尺度的累积计算，实际上它们差了3到4个数量级。
那么，先进国家是怎么来解决这个问题的呢？欧美可再生能源的比例是比较高的，达到了20%甚至50%。欧洲用天然气作为原料进行燃气轮机发电，解决调峰问题。美国用页岩气，页岩气的成分跟天然气的成分是相当的，主要也是甲烷。
用天然气作为燃料的燃气轮机发电，具有高效清洁的好处。比方说在同样的电力条件下，用天然气发电排放的二氧化碳的量是煤炭发电的55%，我们也可以把天然气称作是一个相对低碳的能源。那么，我们国家是不是也可以用天然气呢？
然而，我们国家的现状是富煤、缺油、少气。天然气只占化石能源储量的3%，目前接近50%的天然气依赖进口，而且主要是用来保障民生，所以用天然气来调峰是不大可能的。那么我们怎么办？目前，我们主要是燃煤发电，煤电是唯一选择，因为煤最便宜，储量最大。
我们这几十年的研究，主要就是跟着国家的重大需求，国家需要什么样的煤电，我们团队就研发什么样的技术。
20世纪80年代，正值改革开放的时期，经济发展迅速，当时我国煤炭的品质参差不齐，需要实现煤炭的高效燃烧，同时解决燃料适应性的问题。因此我们就开发了一种叫循环流化床锅炉的技术，通过它来实现煤的清洁高效燃烧。1982年，我们在北京中关村建立了首台工业装置，来完成技术的研发和迭代；1989年，在山东实现了发电行业的应用；到了1992年的时候，国家各个部委的领导来见证我们75吨循环流化床锅炉的鉴定，从此我们走向了大型化和批量应用的研究开发。这项产品也应用到了祖国的大江南北，最后实现了超过3000台装置的工业应用。
2000年以后，我们的经济快速发展，对电力的需求也逐步地提高，这个时候我们面对的是怎么能提高发电效率和发电能力这个问题。因此，我们就研究大容量高参数锅炉，从中低参数到超高压，一直到超临界参数，我们都进行了研发和应用，使得供电的煤耗从2000年的392克降低到2010年的333克每度电，实现了显著的降低。
2010年，雾霾成为了社会的焦点，怎么样解决雾霾的问题也成了我们工作的焦点。通过对燃料燃烧过程的控制，我们实现了氮氧化物的超低排放，直接达到了国家的标准。到现在为止，我们国家90%以上的发电厂都实现了超低排放。也可以这样说，燃煤发电的污染，已经不再是大气污染的主要来源。
在双碳背景下，我国对煤电又提出了新的挑战，那就是调峰的问题。我们过去的发电装置都是按照高负荷要求设计的，而现在用于调峰的装置，要求是在低负荷下运行。而在低负荷的时候，目前的发电装置烧得不好，升负荷也很慢，这是固体燃料的一个特殊的特点。因此我们就在想，怎么样能够让煤炭烧得比较好？
我们想到了气体燃烧，像现在家家户户使用的煤气灶调节起来非常方便，火苗可大可小，炒菜的时候火大一点，煲汤的时候就小一点，燃烧也稳定。
而很早之前，很多人家用蜂窝煤进行采暖和做饭。要点燃蜂窝煤是很困难的，需要引子，火柴是点不着的。而当蜂窝煤点燃了之后，你很难调节火的大小，想要火大，要去吹风，想要火小的时候，我们常常需要把锅端走来解决这个问题。
所以可以看到，固体燃烧比气体燃烧要难，但我们现在又没有天然气，那怎么用煤来解决这个问题呢？我们就提出一个设想，能不能让煤炭像气体一样得好烧？
我们想了很多的办法，其中一个方法是伴烧，掺一点气、掺一点油，行不行？效果很好，但是油气是短缺的，而我们的煤炭有16亿吨，量太大。那我们能不能用催化燃烧？这样燃烧的效果很好，但是它用的催化剂很昂贵。我们自然也想到了可以把煤变成煤气，但是这个成本也很高。在这种大规模、低成本的约束情况下，到底怎么办？我们通过思考和研究，提出一个假设，我们能不能开发一种类气体的方式，来实现灵活调峰的作用？
我们通过机理的分析和各种实验想到了一个办法，这个办法就是热改性。也就是说，把煤的一部分加热燃烧，用自身的热量来实现整个煤粉的改性，使得它气化一部分，还留有一部分固体。
气化的成分越高，成本越贵。我们就想，怎么样把气化的份额降下来。当成本降下来时，规模也可以扩大。但是，气化的份额过低的时候，固体燃烧的效果又不好。所以，我们要在气化的比例和成本之间找到了一个平衡点。
最后，我们通过反复的实验和研究，达到了一个基本的指标，即当气体占60%，固体占40%的时候效果最好。它的规模性、成本和经济性满足了我们大规模的煤炭的燃烧使用。
气体都很好烧，但固体这部分呢？从上图中可以看到，改性前，煤颗粒表面光滑致密；改性之后，煤颗粒变成蜂窝状，多孔、疏松，更多的氧气容易进入。它燃烧的速率可以达到常规煤的20倍，实现了快速、充分地燃烧。
在理解这些机理的情况下，我们就想让技术实用化。一般来讲，从机理到小试、中试到工业运用是非常难的，很多的技术在机理上很好，但是在工业应用上就是很难。
我们的团队经过近十年的努力，做了上百次大型的试验，累计了3000多小时的试验时间，仅改性装置不同的结构，我们就使用了超过50个试验部件。这些部件现在都成为了“尸体”，但也为我们的成功奠定了基础。
在装置的开发过程之中，改进、完善、修整和系统的加工，对我们来说都是家常便饭的事。我们团队秉承科研人员的使命和责任，锲而不舍坚持试验。可以说，做科研，没有一个好身板是真的不行。
那么有了这个基础之后，刚好革命老区山东蒙阴有个工业园区，园区白天上班、晚上歇工。所以给园区提供蒸汽的蒸汽锅炉要求白天高负荷生产，到了晚间则需要超低负荷来进行热备。他们找了很多人，很多常规的技术都无法满足这一要求。这个时候他找到了我们，我们就把热改性的技术用在上边，形成了预热燃烧的锅炉，最后达到了这个要求。锅炉的最低负荷可以到15%，还可以稳定地燃烧，并且氮氧化物的排放直接达到了超低排放的标准。
燃料改性的工程应用，也为双碳目标的实现奠定了基础。2020年我们国家风光发电的装机容量占24%，然而实际的发电量不到10%，其中出现了大量的弃光、弃风，主要原因就是我们没有一个充分的、低成本的电源保障来支持上网。而到了2060年，我们将会有大量的可再生能源接入，特别是风电和太阳能，怎么样能够实现它稳定的供出？我们就是要解决煤电调峰的问题。
从上面这个例子中我们就可以看到，煤炭燃烧真的可以像燃烧气体一样，并且能够实现调峰。我们相信，预热燃烧技术可以使得电网能敞开怀，全部接受可再生能源的接入，并保障电力的稳定输出，大幅地降低二氧化碳的减排，为双碳目标奠定基础和保障。
谢谢大家！