火電給新能源調(diào)峰,這項(xiàng)技術(shù)行!
改造后的山東華勤集團(tuán)銀河電廠光伏利用率大大提升。
產(chǎn)品要出口歐洲，合資方對生產(chǎn)過程使用“綠電”要求嚴(yán)苛。這給山東華勤集團(tuán)出了道難題：企業(yè)自建的光伏電站面臨嚴(yán)重的“棄光”問題，多方嘗試不能解決，想用“綠電”不容易。
一次偶然的機(jī)會，華勤集團(tuán)聯(lián)系上了中國科學(xué)院工程熱物理研究所（以下簡稱工程熱物理所）循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)室，沒想到經(jīng)過幾個月的技術(shù)改造，所有難題迎刃而解。
“誰說中國人沒有好技術(shù)，這不就是？”華勤集團(tuán)銀河電廠廠長韓會忠如是說。
實(shí)際上，華勤集團(tuán)的問題在我國新能源發(fā)電領(lǐng)域比較普遍。數(shù)據(jù)顯示，截至2023年10月，我國風(fēng)光裝機(jī)占比約33.4%，而發(fā)電量僅占20.4%。如今，華勤集團(tuán)的成功案例預(yù)示著，能解決“棄光”問題的新技術(shù)有了眉目。
一個難以解決的問題
華勤集團(tuán)是山東濟(jì)寧一家大型民營企業(yè)，主營業(yè)務(wù)為高端輪胎、工程橡膠等，年產(chǎn)值達(dá)到500億元。
2010年，集團(tuán)公司每小時用電量達(dá)到6.5萬度。為此，園區(qū)自建了一座燃煤發(fā)電廠——銀河電廠，用以自產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)用電和工業(yè)生產(chǎn)所需的蒸汽，一舉兩得。
企業(yè)發(fā)展不僅要算好“經(jīng)濟(jì)賬”，也要算好“低碳賬”。2020年，響應(yīng)國家“雙碳”政策號召，華勤集團(tuán)投資4億元新增了100兆瓦光伏發(fā)電裝機(jī)。不過，問題隨之而來。
目前，我國多個省份出臺了峰谷電價政策——用電高峰期電價高、低谷期電價低。在山東，午間的谷電價遠(yuǎn)低于發(fā)電成本，對企業(yè)來說，此時少發(fā)電、多使用電網(wǎng)上富余的電量更為經(jīng)濟(jì)劃算、低碳環(huán)保。因此，在光照條件好的白天，為了多用光電，火電機(jī)組必須盡可能往下壓負(fù)荷；而在陰天或者夜晚沒有光電時，火電機(jī)組得保持出力，以維持企業(yè)24小時用電需求。
也就是說，想要最大化且最經(jīng)濟(jì)地利用光伏發(fā)電，火電機(jī)組必須具備隨意調(diào)整負(fù)荷的能力。
不料，看似簡單的“降負(fù)荷”卻成了不可能完成的任務(wù)。韓會忠表示，循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷降低后，爐內(nèi)溫度相應(yīng)降低。這會帶來兩個問題：一是產(chǎn)生不了生產(chǎn)所需的高溫蒸汽，二是污染物排放超標(biāo)。因?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)通常采用噴氨水的方法去除煙氣中的氮氧化物，但該反應(yīng)的溫度窗口在850攝氏度到1000攝氏度，溫度一旦低于800攝氏度，加再多氨水也不能反應(yīng)。
“我們想了很多辦法，但是鍋爐負(fù)荷最低到50%就降不動了。”韓會忠告訴《中國科學(xué)報》，這導(dǎo)致銀河電廠棄光嚴(yán)重。
如何在保證蒸汽溫度和環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提下，盡可能地降低鍋爐負(fù)荷、減少碳排放？韓會忠四處尋找這樣的技術(shù)。
一次超出預(yù)期的改造
2023年3月8日，經(jīng)朋友介紹，工程熱物理所研究員朱建國第一次來到銀河電廠。一聽對方的需求，他就知道自己來對了。
朱建國所在團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)燃煤發(fā)電的靈活調(diào)峰技術(shù)，其中一條技術(shù)路線就專注于解決循環(huán)流化床鍋爐超低負(fù)荷穩(wěn)定高效運(yùn)行遇到的難題。
“這是一個鍋爐降負(fù)荷的普遍問題�！敝旖▏嬖V《中國科學(xué)報》，循環(huán)流化床作為目前兩大主流燃煤發(fā)電技術(shù)之一，不挑燃料，其他技術(shù)燒不了的劣質(zhì)煤都能被“吃干榨凈”，使尾氣排放達(dá)標(biāo)。但這一優(yōu)勢往往在高負(fù)荷運(yùn)行條件下才能充分發(fā)揮，刻意降負(fù)荷運(yùn)行，無疑是揚(yáng)“短”避“長”，暴露短板。
既要環(huán)保，又要經(jīng)濟(jì)，有沒有一種可行技術(shù)？工程熱物理所正高級工程師宋國良告訴《中國科學(xué)報》：“我們這項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)就是克服劣勢、發(fā)揮優(yōu)勢。”
他們采取的改造措施是為循環(huán)流化床鍋爐加裝預(yù)熱裝置，對燃料進(jìn)行預(yù)熱改性處理——將其從常溫預(yù)熱到900攝氏度，將大粒徑煤塊細(xì)化，再把固體燃料預(yù)處理為氣固燃料，從而提高反應(yīng)速率，最后通過結(jié)構(gòu)調(diào)整重新分配熱量，增加蒸汽吸熱量。
2023年11月，經(jīng)過第三方測試，銀河電廠的最低負(fù)荷已經(jīng)降低到33%，并能維持足夠的蒸汽發(fā)電溫度。
超出預(yù)期的是，改造后的鍋爐還實(shí)現(xiàn)了零噴氨超低排放。2023年8月30日的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，氨水可降低到0，環(huán)保數(shù)據(jù)依然達(dá)標(biāo)�！爱�(dāng)時現(xiàn)場中控室里響起了掌聲，那一刻我們很感動�！敝旖▏貞浾f。
“我們怎么都沒想到能有這么好的效果，完全超出預(yù)期�！表n會忠表示，目前電廠的光伏利用率從52%左右提高到78%左右，機(jī)組負(fù)荷的靈活調(diào)整使企業(yè)的制造成本得到控制，既算清了“低碳賬”，也算好了“經(jīng)濟(jì)賬”。
“環(huán)保不達(dá)標(biāo)是現(xiàn)在很多鍋爐負(fù)荷降不下去的根本原因，而且噴氨水需要額外的成本，還有腐蝕性。更重要的是經(jīng)過改造，火電機(jī)組更加靈活，企業(yè)可以根據(jù)自身特點(diǎn)安排最佳運(yùn)行模式�！彼螄急硎尽�
一個緊急部署的課題
近年來，我國可再生能源產(chǎn)業(yè)獲得長足發(fā)展。國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2022年底，我國可再生能源裝機(jī)已達(dá)到12.1億千瓦，首次實(shí)現(xiàn)超越煤電裝機(jī)的歷史性壯舉。
然而，2021年9月“東北限電”卻沖上微博熱搜。這背后體現(xiàn)出的是風(fēng)光等可再生能源出力隨機(jī)性、波動性、不確定性強(qiáng)，呈現(xiàn)“大裝機(jī)、小電量”的特點(diǎn)。
一方面是全國煤電供應(yīng)緊張，另一方面是新能源關(guān)鍵時刻不頂用、扛不住，這造成電力保障形勢嚴(yán)峻。
針對這一問題，中國科學(xué)院緊急部署“煤炭清潔燃燒與低碳利用”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，其中一個重要任務(wù)就是要解決煤電調(diào)峰保供。在該專項(xiàng)支持下，工程熱物理所循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)室開展了深度靈活調(diào)峰技術(shù)研究。
“過去我們研究循環(huán)流化床都是研究如何保證高效燃燒，從2021年才開始著力解決低負(fù)荷燃燒的問題�！彼螄急硎�，預(yù)熱燃燒過去主要用于煤粉鍋爐，華勤集團(tuán)銀河電廠改造工程是循環(huán)流化床耦合預(yù)熱燃燒技術(shù)的首次試水。
對于這樣的新嘗試，企業(yè)經(jīng)過前期探討，僅1個多月就決定采用，5個月時間就試運(yùn)行成功。朱建國感慨：“必須感謝華勤集團(tuán)敢于‘第一個吃螃蟹’、支持創(chuàng)新的擔(dān)當(dāng)�！表n會忠則說：“科學(xué)家很有信心，我們也有了信心。”
順利合作的背后既有企業(yè)的迫切需求，也有實(shí)驗(yàn)室對預(yù)熱燃燒技術(shù)將近20年研究的歷史積淀，沒有厚積哪有薄發(fā)？長期不懈的基礎(chǔ)研究，是這支科技“國家隊(duì)”在國家需要時能拿出新技術(shù)的關(guān)鍵。
“電荒”之后，一度沉寂的煤電迎來核準(zhǔn)“熱潮”，近兩年我國新增核準(zhǔn)煤電項(xiàng)目裝機(jī)近2億千瓦。宋國良分析指出，煤電回暖與我國新能源裝機(jī)大增相匹配，反映了國家對能源安全的深遠(yuǎn)考慮，通過增加靈活性調(diào)節(jié)電源來保證能源供應(yīng)和電網(wǎng)安全。
在這樣的歷史性轉(zhuǎn)變中，煤電企業(yè)要同時做到環(huán)保、高效、靈活并不容易，老鍋爐要么關(guān)停要么淘汰，亟須科學(xué)界提供一種能夠逆轉(zhuǎn)窘境的新技術(shù)。
循環(huán)流化床耦合預(yù)熱燃燒技術(shù)在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。宋國良表示：“預(yù)熱改造既保留了循環(huán)流化床技術(shù)的優(yōu)勢，又彌補(bǔ)了之前的短板，希望能在更大規(guī)模的電站鍋爐上應(yīng)用，為保障國家能源安全作出貢獻(xiàn)。”
作者： 來源：中國科學(xué)報 責(zé)任編輯：jianping
產(chǎn)品要出口歐洲，合資方對生產(chǎn)過程使用“綠電”要求嚴(yán)苛。這給山東華勤集團(tuán)出了道難題：企業(yè)自建的光伏電站面臨嚴(yán)重的“棄光”問題，多方嘗試不能解決，想用“綠電”不容易。
一次偶然的機(jī)會，華勤集團(tuán)聯(lián)系上了中國科學(xué)院工程熱物理研究所（以下簡稱工程熱物理所）循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)室，沒想到經(jīng)過幾個月的技術(shù)改造，所有難題迎刃而解。
“誰說中國人沒有好技術(shù)，這不就是？”華勤集團(tuán)銀河電廠廠長韓會忠如是說。
實(shí)際上，華勤集團(tuán)的問題在我國新能源發(fā)電領(lǐng)域比較普遍。數(shù)據(jù)顯示，截至2023年10月，我國風(fēng)光裝機(jī)占比約33.4%，而發(fā)電量僅占20.4%。如今，華勤集團(tuán)的成功案例預(yù)示著，能解決“棄光”問題的新技術(shù)有了眉目。
一個難以解決的問題
華勤集團(tuán)是山東濟(jì)寧一家大型民營企業(yè)，主營業(yè)務(wù)為高端輪胎、工程橡膠等，年產(chǎn)值達(dá)到500億元。
2010年，集團(tuán)公司每小時用電量達(dá)到6.5萬度。為此，園區(qū)自建了一座燃煤發(fā)電廠——銀河電廠，用以自產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)用電和工業(yè)生產(chǎn)所需的蒸汽，一舉兩得。
企業(yè)發(fā)展不僅要算好“經(jīng)濟(jì)賬”，也要算好“低碳賬”。2020年，響應(yīng)國家“雙碳”政策號召，華勤集團(tuán)投資4億元新增了100兆瓦光伏發(fā)電裝機(jī)。不過，問題隨之而來。
目前，我國多個省份出臺了峰谷電價政策——用電高峰期電價高、低谷期電價低。在山東，午間的谷電價遠(yuǎn)低于發(fā)電成本，對企業(yè)來說，此時少發(fā)電、多使用電網(wǎng)上富余的電量更為經(jīng)濟(jì)劃算、低碳環(huán)保。因此，在光照條件好的白天，為了多用光電，火電機(jī)組必須盡可能往下壓負(fù)荷；而在陰天或者夜晚沒有光電時，火電機(jī)組得保持出力，以維持企業(yè)24小時用電需求。
也就是說，想要最大化且最經(jīng)濟(jì)地利用光伏發(fā)電，火電機(jī)組必須具備隨意調(diào)整負(fù)荷的能力。
不料，看似簡單的“降負(fù)荷”卻成了不可能完成的任務(wù)。韓會忠表示，循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷降低后，爐內(nèi)溫度相應(yīng)降低。這會帶來兩個問題：一是產(chǎn)生不了生產(chǎn)所需的高溫蒸汽，二是污染物排放超標(biāo)。因?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)通常采用噴氨水的方法去除煙氣中的氮氧化物，但該反應(yīng)的溫度窗口在850攝氏度到1000攝氏度，溫度一旦低于800攝氏度，加再多氨水也不能反應(yīng)。
“我們想了很多辦法，但是鍋爐負(fù)荷最低到50%就降不動了。”韓會忠告訴《中國科學(xué)報》，這導(dǎo)致銀河電廠棄光嚴(yán)重。
如何在保證蒸汽溫度和環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提下，盡可能地降低鍋爐負(fù)荷、減少碳排放？韓會忠四處尋找這樣的技術(shù)。
一次超出預(yù)期的改造
2023年3月8日，經(jīng)朋友介紹，工程熱物理所研究員朱建國第一次來到銀河電廠。一聽對方的需求，他就知道自己來對了。
朱建國所在團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)燃煤發(fā)電的靈活調(diào)峰技術(shù)，其中一條技術(shù)路線就專注于解決循環(huán)流化床鍋爐超低負(fù)荷穩(wěn)定高效運(yùn)行遇到的難題。
“這是一個鍋爐降負(fù)荷的普遍問題�！敝旖▏嬖V《中國科學(xué)報》，循環(huán)流化床作為目前兩大主流燃煤發(fā)電技術(shù)之一，不挑燃料，其他技術(shù)燒不了的劣質(zhì)煤都能被“吃干榨凈”，使尾氣排放達(dá)標(biāo)。但這一優(yōu)勢往往在高負(fù)荷運(yùn)行條件下才能充分發(fā)揮，刻意降負(fù)荷運(yùn)行，無疑是揚(yáng)“短”避“長”，暴露短板。
既要環(huán)保，又要經(jīng)濟(jì)，有沒有一種可行技術(shù)？工程熱物理所正高級工程師宋國良告訴《中國科學(xué)報》：“我們這項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)就是克服劣勢、發(fā)揮優(yōu)勢。”
他們采取的改造措施是為循環(huán)流化床鍋爐加裝預(yù)熱裝置，對燃料進(jìn)行預(yù)熱改性處理——將其從常溫預(yù)熱到900攝氏度，將大粒徑煤塊細(xì)化，再把固體燃料預(yù)處理為氣固燃料，從而提高反應(yīng)速率，最后通過結(jié)構(gòu)調(diào)整重新分配熱量，增加蒸汽吸熱量。
2023年11月，經(jīng)過第三方測試，銀河電廠的最低負(fù)荷已經(jīng)降低到33%，并能維持足夠的蒸汽發(fā)電溫度。
超出預(yù)期的是，改造后的鍋爐還實(shí)現(xiàn)了零噴氨超低排放。2023年8月30日的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，氨水可降低到0，環(huán)保數(shù)據(jù)依然達(dá)標(biāo)�！爱�(dāng)時現(xiàn)場中控室里響起了掌聲，那一刻我們很感動�！敝旖▏貞浾f。
“我們怎么都沒想到能有這么好的效果，完全超出預(yù)期�！表n會忠表示，目前電廠的光伏利用率從52%左右提高到78%左右，機(jī)組負(fù)荷的靈活調(diào)整使企業(yè)的制造成本得到控制，既算清了“低碳賬”，也算好了“經(jīng)濟(jì)賬”。
“環(huán)保不達(dá)標(biāo)是現(xiàn)在很多鍋爐負(fù)荷降不下去的根本原因，而且噴氨水需要額外的成本，還有腐蝕性。更重要的是經(jīng)過改造，火電機(jī)組更加靈活，企業(yè)可以根據(jù)自身特點(diǎn)安排最佳運(yùn)行模式�！彼螄急硎尽�
一個緊急部署的課題
近年來，我國可再生能源產(chǎn)業(yè)獲得長足發(fā)展。國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2022年底，我國可再生能源裝機(jī)已達(dá)到12.1億千瓦，首次實(shí)現(xiàn)超越煤電裝機(jī)的歷史性壯舉。
然而，2021年9月“東北限電”卻沖上微博熱搜。這背后體現(xiàn)出的是風(fēng)光等可再生能源出力隨機(jī)性、波動性、不確定性強(qiáng)，呈現(xiàn)“大裝機(jī)、小電量”的特點(diǎn)。
一方面是全國煤電供應(yīng)緊張，另一方面是新能源關(guān)鍵時刻不頂用、扛不住，這造成電力保障形勢嚴(yán)峻。
針對這一問題，中國科學(xué)院緊急部署“煤炭清潔燃燒與低碳利用”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，其中一個重要任務(wù)就是要解決煤電調(diào)峰保供。在該專項(xiàng)支持下，工程熱物理所循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)室開展了深度靈活調(diào)峰技術(shù)研究。
“過去我們研究循環(huán)流化床都是研究如何保證高效燃燒，從2021年才開始著力解決低負(fù)荷燃燒的問題�！彼螄急硎�，預(yù)熱燃燒過去主要用于煤粉鍋爐，華勤集團(tuán)銀河電廠改造工程是循環(huán)流化床耦合預(yù)熱燃燒技術(shù)的首次試水。
對于這樣的新嘗試，企業(yè)經(jīng)過前期探討，僅1個多月就決定采用，5個月時間就試運(yùn)行成功。朱建國感慨：“必須感謝華勤集團(tuán)敢于‘第一個吃螃蟹’、支持創(chuàng)新的擔(dān)當(dāng)�！表n會忠則說：“科學(xué)家很有信心，我們也有了信心。”
順利合作的背后既有企業(yè)的迫切需求，也有實(shí)驗(yàn)室對預(yù)熱燃燒技術(shù)將近20年研究的歷史積淀，沒有厚積哪有薄發(fā)？長期不懈的基礎(chǔ)研究，是這支科技“國家隊(duì)”在國家需要時能拿出新技術(shù)的關(guān)鍵。
“電荒”之后，一度沉寂的煤電迎來核準(zhǔn)“熱潮”，近兩年我國新增核準(zhǔn)煤電項(xiàng)目裝機(jī)近2億千瓦。宋國良分析指出，煤電回暖與我國新能源裝機(jī)大增相匹配，反映了國家對能源安全的深遠(yuǎn)考慮，通過增加靈活性調(diào)節(jié)電源來保證能源供應(yīng)和電網(wǎng)安全。
在這樣的歷史性轉(zhuǎn)變中，煤電企業(yè)要同時做到環(huán)保、高效、靈活并不容易，老鍋爐要么關(guān)停要么淘汰，亟須科學(xué)界提供一種能夠逆轉(zhuǎn)窘境的新技術(shù)。
循環(huán)流化床耦合預(yù)熱燃燒技術(shù)在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。宋國良表示：“預(yù)熱改造既保留了循環(huán)流化床技術(shù)的優(yōu)勢，又彌補(bǔ)了之前的短板，希望能在更大規(guī)模的電站鍋爐上應(yīng)用，為保障國家能源安全作出貢獻(xiàn)。”
作者： 來源：中國科學(xué)報 責(zé)任編輯：jianping
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