能源绿色转型 让煤电越来越“干净”

实现“碳达峰、碳中和”是国家重要战略目标，燃煤发电在为工业生产提供强大动力的同时，也占碳排放总量的“半壁江山”，煤电转型、低碳高效成为近几年燃煤发电领域的重点研发方向。

燃煤电厂怎样才能实现低碳、智能、超净3个目标？这就是“低碳智能燃煤发电与超净排放全国重点实验室”的攻关重点。近日，记者来到位于南京江北新区的国家能源集团科学技术研究院，走进该全国重点实验室实验基地，看能源绿色转型如何让煤电越来越“干净”。

低碳、智能、超净，成为煤电能源“关键词”

“烧什么才能低碳？怎么烧才能实现煤电机组的超灵活？烟气怎么处理才能实现超净排放？燃煤电厂要实现低碳、智能、超净，必须得解决这几个问题。”实验室主任、俄罗斯自然科学院外籍院士、国家能源集团首席科学家朱法华说。

我国“富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋和现有能源基础，决定了我国能源消费以煤为主，且还需要持续较长一段时间。煤电在今后相当长的时期内仍将承担保障我国能源安全的重要作用，因此，优化煤炭产能布局，以节能降碳为引领，建设先进煤电，是保障能源高质量发展的关键。

“发展可再生能源，目前仍需要煤炭发电作为保障。”朱法华说，煤电是为可再生能源开路的。目前，风电和太阳能都不够稳定，无法储存，但电网的供电必须稳定输出，这时，就需要煤电发挥调节作用。

烧什么才能低碳？首先要研究“煤炭与可再生能源耦合发电技术”。“从源头就要掺烧生物质、氨，重点攻克的是大比例掺烧问题。”朱法华分析道，就生物质掺烧来说，我国实际上是跟跑的，欧洲已经实现了50%以上的掺烧，而国内农业生物质直接掺烧比例一般控制在5%—10%，因此，要突破大比例掺烧，实现50%。在大比例掺氨这方面，我国已经率先实现了35%，处于世界领先水平，目标是“十四五”期间实现工程化，10年内实现50%的大比例掺烧。

然而，煤炭和生物质、氨的燃点都不同，如何实现不同燃点的物质能够在同一个燃烧器里高效燃烧，也就是“怎么烧才能实现超灵活”？“核心是要研发燃烧器。”朱法华表示，不管是掺生物质，还是掺氨，实际上是要解决着火稳定性、燃烧安全性、燃尽经济性等燃烧的问题，有效控制NOx排放。另外，就是将机组作为一个整体进行智能调控与耦合匹配研究。“在智能调控领域，我国还处于跟跑水平，这是未来需要进一步探索的研究方向。”

煤炭与零碳燃料（碳中性燃料）燃烧后，还要解决烟气怎么处理才能实现超净排放的问题。朱法华表示，燃煤电厂中，传统的脱硫、脱硝、除尘是分开的，这种“羊肉串”式的系统，在运行经济性、系统协调性、资源化利用等方面存在诸多问题。新的研究方向是“炭基催化法尘硫硝一体化控制技术”，在实现全时段超净排放目标的同时，系统由以前的“羊肉串”式向“短流程、一体化、资源化”式转变。

走进“双碳中心实验室”和“风洞实验室”

该全国重点实验室由多个各具实力的“实验室”组成，比如，承担碳排放和煤质验收检测及研发的“双碳中心实验室”，是国内首创的“区块链＋智慧实验室”；研究烟气和污染物扩散的“风洞实验室”，为亚洲最大的模拟自然环境的“环境风洞实验室”。

记者走进“双碳中心实验室”，走廊两侧是一个个现代化的智能检测室。“曾经，我们实验室中的煤都是人工取样化验，工作人员多，工作时间也比较长，现在我们实现了全自动的无人作业。”朱法华介绍，该实验室目前已实现业务流程、数据、设备和危化品管理的全流程数字化管控。

在走廊尽头的一个大房间里，占据大半位置的“机器人智能化验系统”映入记者眼帘。这套大型智能系统既可单机运行，替代传统煤质化验室大量化验人员手工操作各种分析仪器的传统作业方式，又可与燃料管理智能化采制样系统对接，实现采、制、化全过程无人为干预自动作业，补齐了燃料管理智能化系统的末端短板，实现全流程闭环管控。

“双碳中心实验室”研究人员茌方告诉记者，在无人干预的情况下，智能机器人替代化验员完成收样、摇匀、开瓶、取样等一系列操作，确保测试结果真实公正。同时，智能高效、省时省力是应用机器人智能化验系统的强大优势，“这套系统8小时最多可测试30个样品，且能够实现7×24小时工作，效率上大大优于传统人工作业方式。”

在研究院里，还静静伫立着起源于上世纪80年代的“环境风洞实验室”。在这里，有3座各具特色的大型“环境风洞”，它们能够模拟与吹风相关的各种“自然和人为环境”，主要用于开展大气污染扩散、烟气脱硫过程、风电偏航与微观选址、光伏支架结构、建筑桥梁风振风压等各类实验研究。

1985年建设的“直流吸式边界层风洞”，是我国电力系统首座环境风洞，在“863”国家高技术研究发展计划等项目的支持下，完成了一系列火电厂烟气脱硫系统流场模拟实验，支撑了《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2003）的出台和燃煤电厂烟气脱硫国产化的发展以及推广应用。

2013年9月，为进一步提升实验室科研能力，“风洞实验室”进行了升级改造，独立设计新增建造了两座拥有自主知识产权的特色风洞——“回流式边界层风洞”和“直流吹式阵性风风洞”。

拥有3座风洞的“风洞实验室”，面积达到3800平方米，拥有仪器设备近百台套。3座风洞旁陈列的一个个试验模型装置，代表了以往的一次又一次模拟实验。指着模型，风洞实验室赵秀勇博士如数家珍：“这是国能永州电厂百万千瓦机组模型，该电厂是我国采用‘烟塔合一’排烟技术最南端的火电厂，技术应用难度大，我们通过试验研究如何使其烟气顺利排出冷却塔；这是南京新街口的模型，新街口车多、排放的污染物多，如何实现更好更快地扩散，降低污染，我们通过这组模型来研究；这一组是雄安新区的模型，用来模拟如何用通风道减少污染……”

据介绍，“环境风洞实验室”成立近40年来，完成空气污染、风环境、物质风力传输等不同种类的风洞试验和电力环保科研项目100余项，为我国环境保护和社会发展作出重要贡献。

攻克关键技术，让煤电可“按需调节”

作为我省今年重组成功的全国重点实验室之一，“低碳智能燃煤发电与超净排放全国重点实验室”在原“清洁高效燃煤发电与污染控制国家重点实验室”基础上，依托国家能源集团电科院、东南大学和国家能源集团科环集团重新组建而成。

“实验室的成功重组，对燃煤电厂实现低碳、超灵活、超净排放有巨大的推动作用。”朱法华表示，国家能源集团高度重视重组工作，出台支持全国重点实验室组建工作的文件，将燃煤清洁低碳发电列入“十四五”科技创新发展规划，支持实验室建成“电力科技创新冠军”“体制机制特区”“人才培养高地”。

实验室有着坚实的科研基础，重组前已形成重大科技成果达到国际领先水平的有19项，建成了36个“首台套”中试装置和示范工程，跻身行业前沿技术的引领者和产业技术升级的领头羊。

特别是在低碳方向，已研发建成世界最大、国内唯一的40MW等级氨-煤混合燃烧验证试验平台，达到国际领先水平；构建了涵盖“农林生物质、可燃垃圾、城镇污泥”等种类齐全的煤炭与生物质耦合发电的全链条技术研究体系，获得国家科学技术进步奖二等奖。

“未来，实验室将聚焦双碳目标，构建新型电力系统和火电功能定位等重大需求，在做好煤电基础保障性电源的基础上，逐步实现煤电调节性电源的功能。”朱法华说，实验室将进一步研究煤电耦合绿氢、绿氨、生物质、可燃固废和储能储热等可再生能源的发电技术，风光火储、风光气氢储多能互补关键技术，黑灯工厂智慧电厂、虚拟电厂技术，燃煤电厂污染物超净排放技术等，支撑我国低碳超净排放燃煤发电关键技术再上新台阶。