综述：燃煤电厂绿色生产工艺转型路径

《Next Sustainability》：Pathways for coal-fired power plants green production process transition

本文系统综述了燃煤电厂（CPP）向绿色能源转型的多种技术路径，重点探讨了燃料替代（生物质、天然气、绿氢、绿氨）、碳捕集与封存（CCS）、热电联产（CHP）及核能改造（C2N）等策略。通过量化关键绩效指标（KPI），文章评估了各方案在技术可行性、环境效益（如CO2、SO2减排）、经济成本（如LCOE）及社会影响（如ESG）方面的表现，为决策者提供了从渐进式改造到彻底重构的综合性算法框架。

　　

引言

燃煤发电是全球能源供应的基石，但也是温室气体（GHG）排放的主要来源。面对日益严峻的气候变化挑战，燃煤电厂（CPP）的绿色转型已成为全球能源领域不可回避的议题。然而，这一转型过程并非简单的“关停并转”，而是涉及技术、经济、环境和社会等多维度的复杂系统工程。本文旨在系统梳理燃煤电厂绿色转型的多种可行路径，通过量化关键绩效指标（KPI），为决策者提供一个从渐进式改造到彻底重构的综合性评估框架。

转型路径与关键绩效指标

燃煤电厂的绿色转型并非单一方案，而是一系列从低到高、从易到难的技术选择。这些路径主要围绕两大核心目标：一是通过技术升级和燃料替代，从源头减少污染物和温室气体排放；二是通过系统优化和能源梯级利用，提升能源利用效率。

1. 渐进式改造

• •
  能效提升与余热利用：通过过程集成（如夹点技术）和优化算法，回收利用锅炉排烟和冷却塔的余热，可显著提高电厂整体效率。例如，集成余热利用可使空气预热器的火用效率从78.49%提升至95.88%，并降低汽轮发电机组的煤耗率。
• •
  碳捕集与封存（CCS）：这是实现近零排放的关键技术。CCS技术主要包括燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧。其中，燃烧后捕集技术相对成熟，可对现有电厂进行改造，实现超过90%的CO₂捕集率。然而，CCS系统会带来显著的能源惩罚，导致电厂净效率下降8-12个百分点，并大幅增加发电成本。此外，CCS系统对电厂的运行灵活性也有一定限制。

2. 燃料替代与混燃

• •
  生物质混燃：将生物质（如木屑、农业废弃物）与煤混合燃烧，是技术门槛较低、见效较快的减排方案。研究表明，20%的生物质混燃比例可减少11-25%的CO₂排放。生物质本身含硫量低，混燃还能有效降低SO₂排放。
• •
  天然气混燃：天然气作为一种相对清洁的化石燃料，其混燃或完全替代可显著降低CO₂、SO₂和NO_x的排放。但需注意天然气开采和运输过程中的甲烷泄漏问题。
• •
  绿氢与绿氨：这是最具前景的深度脱碳路径。绿氢（通过可再生能源电解水制取）和绿氨（由绿氢和氮气合成）作为燃料，在燃烧过程中不产生CO₂。目前，绿氢和绿氨的生产成本仍然较高，且绿氨燃烧可能产生NO_x，需要配套先进的脱硝技术。

3. 变革性转型

• •
  热电联产（CHP）与混合系统：将燃煤电厂改造为热电联产系统，利用发电过程中产生的余热为周边区域供热，可大幅提升能源利用效率。此外，将太阳能热利用系统与燃煤电厂集成，形成太阳能-燃煤混合系统，也是降低化石燃料消耗的有效途径。
• •
  卡诺电池（Carnot Battery）：这是一种利用热泵和热机循环实现电能-热能-电能转换的大规模储能技术。将退役的燃煤电厂改造为卡诺电池，可以利用其现有的热力循环系统，实现电网调峰和可再生能源消纳，是资产再利用的创新思路。
• •
  煤改核（C2N）：利用小型模块化反应堆（SMR）替代燃煤锅炉，是彻底摆脱化石燃料依赖的终极方案之一。研究表明，利用现有电厂基础设施进行核能改造，可比新建核电站节省15-35%的投资成本，并保留大量就业岗位。

关键绩效指标（KPI）评估体系

为了科学评估不同转型路径的优劣，本文构建了一套涵盖技术、环境、经济和社会四个维度的KPI评估体系。

• •
  技术与环境KPI：包括温室气体减排量、CO₂捕集效率、脱硫脱硝效率、能源利用效率、系统可靠性和灵活性等。例如，CCS技术可实现90%以上的CO₂捕集率，但会降低电厂净效率；而绿氢/绿氨路径则能实现近零碳排放。
• •
  经济KPI：包括平准化度电成本（LCOE）、基础设施改造成本、投资回报率（ROR）、净现值（NPV）等。目前，生物质混燃和天然气改造的经济性相对较好，而绿氢、绿氨和核能改造的初始投资成本较高，其经济性高度依赖于技术进步和政策支持。
• •
  社会KPI：包括环境、社会和治理（ESG）评级、公众接受度、就业影响、政策合规性等。例如，核能改造虽然能提供稳定、清洁的基荷电力，但面临公众对核安全的担忧和放射性废物处理的挑战。

转型算法与决策路径

基于上述分析，本文提出了一个燃煤电厂绿色转型的决策算法。该算法建议决策者遵循以下步骤：

1. 1.
   数据采集与系统优化：首先对现有电厂的运行数据进行全面分析，通过过程集成和优化技术，挖掘能效提升潜力，实现余热的最大化利用。
2. 2.
   燃料替代方案评估：评估不同燃料替代方案（如生物质、天然气、氢、氨）的技术可行性和经济性。对于仍涉及化石燃料的方案，必须配套CCS技术以实现深度减排。
3. 3.
   系统重构方案评估：对于无法通过燃料替代实现零碳目标的电厂，考虑更彻底的转型方案，如改造为热电联产、卡诺电池或核电站。
4. 4.
   综合评估与决策：结合技术、经济、环境和社会等多维度KPI，对备选方案进行综合评估，选择最优的转型路径。

结论

燃煤电厂的绿色转型是一个多目标、多路径的复杂决策过程。不存在“一刀切”的最佳方案，每个电厂都需要根据其自身条件、区域资源禀赋和政策环境，选择最适合的转型路径。从渐进式的能效提升和燃料混燃，到变革性的系统重构和核能改造，各种技术路径各有优劣。未来，随着绿氢、绿氨等零碳燃料成本的下降，以及核能安全技术的进步，燃煤电厂的绿色转型将拥有更多、更优的选择。