在超低负荷条件下，利用氢气强化煤粉燃烧以实现深度调峰：基于稳定性约束的技术经济评估

《Journal of Cleaner Production》：Hydrogen-enhanced pulverized coal combustion under ultra-low load for deep peak regulation: A stability-constrained techno-economic assessment

　　•氢气能够提高超低负荷下煤炭燃烧的稳定性。
•CCRmix–LFLmix 改进了燃烧稳定性预测的准确性。
•稳定燃烧的范围从30%负荷扩展到了5%负荷。
•PI–EI框架评估了氢辅助运行的可行性。

引言
全球向碳中和的转变正在迅速增加风能和太阳能的装机容量，然而它们的间歇性严重威胁了电网的稳定性（Alsayegh等人，2010年；Basit等人，2020年）。因此，热力发电必须从基础负荷转向灵活调节。到2024年，热力发电将提供全球35%的电力（“国际能源署”，2025年），燃煤机组现在被迫在深度峰值调节期间实现前所未有的灵活性（Wu等人，2024年；Chen等人，2025年）。这一转变在人口众多的发展中国家尤为紧张，如中国、印度、印度尼西亚、巴基斯坦等，这些国家的电力结构迫使燃煤电厂频繁进行超低负荷运行以平衡快速增长的可再生能源。然而，低负荷下的燃烧不稳定对燃煤机组的超低负荷运行构成了重大挑战，引起了学术界和工业界的广泛关注。氢作为一种关键的清洁能源载体（Li等人，2026年；Liu等人，2025年；Wei等人，2024年；Xu等人，2025年），为稳定粉煤电厂的低负荷燃烧提供了有希望的解决方案（Ueki等人，2017年；Zhang等人，2024b）。此外，将燃煤电厂与来自削减的可再生能源电解产生的绿色氢结合使用可以减少二氧化碳排放（Arslan等人，2022年），实现灵活的峰值削减，并深化可再生能源的整合（Zhang等人，2024a；Petersen等人，2025年）。因此，将氢整合到燃煤锅炉中不仅是一种技术升级，也是能源转型的战略解决方案。它使燃煤机组从被动的基础负荷提供者转变为积极的、灵活的电网合作伙伴（Dong等人，2024年；Jin等人，2023年；Zhang等人，2024c；Ya?ci和Longo，2025年），将这一关键挑战转化为变革机遇。

氢在燃煤机组中共燃的潜在突破在于负电价频率的日益增加，即在低需求期间供应过剩，消费者需要支付使用电力的费用，这种情况在美国、欧洲等高可再生能源渗透率地区变得普遍（Yang等人，2025年），在中国也越来越常见。通过利用这些低成本甚至负价电力的时期进行电解，可以显著降低绿色氢的成本。然而，尽管如此，高比例氢在燃煤电厂中共燃的经济可行性仍然难以确定，这可以从2025年11月内蒙古取消的600兆瓦风能-太阳能-氢项目得到证明（“Polaris Hydrogen Energy Network”，2025年）。最终，将这一愿景变为现实需要在技术可行性和经济可行性方面取得进展。

传统的燃煤电厂通常面临一个最低稳定燃烧边界（30%-40%额定负荷（Sun，2011年），低于该边界时，每单位电力的煤炭消耗量会增加（Ma等人，2024年），热效率下降（Chen等人，2024年），并导致火焰不稳定，从而引发熄火或停机（Meng等人，2022年；Che等人，2019年）。已经采取了一系列措施来克服超低负荷引起的问题，包括柴油辅助点火（Raptotasios等人，2015年；Sáez等人，2012年；Musculus，2004年；Yu等人，2023年）、等离子点火（Messerle等人，2014年；Zhao等人，2016年）和智能控制系统（Wu等人，2024年；Mikulandri?等人，2013年）等。总体思路是利用外部能源在超低负荷条件下辅助燃烧。

除了上述方法外，氢共燃在燃煤电厂中还带来了显著优势，特别是在深度峰值削减期间克服运行限制方面。事实上，化学副产物氢或富氢气体在锅炉中的共燃已在全球范围内得到成功验证，美国、日本、德国和中国等地部署了超过1000台50至300兆瓦的机组。这表明，在大型公用事业锅炉中应用氢共燃并没有不可克服的技术障碍。氢共燃通过提高稳定性、减少煤炭消耗、降低熄火风险和提升热效率来应对超低负荷问题（Wang等人，2023年；Habib等人，2024年）。一项数值研究（Liu等人，2023年）表明，适量的氢添加（5%-10%）可以提高煤颗粒温度，减少点火延迟，增强炭的反应性，并在1000兆瓦的超临界切向燃煤锅炉中稳定低负荷燃烧。它显著提高了动态调节能力，使燃煤机组能够灵活应对负荷变化，并支持高可再生能源整合电网的深度峰值削减。此外，氢共燃通过优化温度控制和燃烧阶段有助于减少NOx排放（Zhang等人，2024d，2025年）。鉴于氢共燃的诸多好处，尤其是在提高低负荷燃烧稳定性和实现深度峰值调节方面（Romeo等人，2020年），使用过剩的可再生能源生产氢或氨用于燃煤电厂的峰值削减在技术上是可行的，还需要进一步的经济研究。

氢在燃煤锅炉中共燃的经济可行性取决于解决一个核心难题：在追求氢共燃带来的深度峰值削减利益与增加的资本和运营支出之间找到平衡。这使得氢共燃的比例成为核心优化变量，因为它直接决定了上游电解槽投资和氢供应所需的电力消耗。成功应对这一难题需要精确优化这一比例，但目前这方面的知识还很缺乏。

氢共燃对锅炉效率的影响仍存在争议，使得氢共燃的经济性不确定。现有文献关于氢共燃对锅炉效率的影响结果不一。一些研究表明，氢共燃通过改变燃料性质提高了燃烧温度，减少了煤炭消耗，并改善了燃烧稳定性（Wang等人，2025年）。相比之下，其他研究则认为较高的氢比例可能会降低效率，因为增加的水蒸气会降低炉温并改变热负荷分布（Wei等人，2024年；Yao等人，2022年）。例如，对一台300兆瓦亚临界机组的热力学分析发现，尽管氢共燃比例达到了30%，但烟气温度有所升高，但锅炉效率却略微下降了约0.47个百分点（Jia和Yin，2016年）。由于效率与经济性能密切相关，因此需要更深入地研究氢共燃后燃煤机组的效率变化。

影响经济可行性的另一个关键因素是氢共燃后火焰稳定极限的扩展。最终，优化共燃比例取决于准确量化燃烧稳定边界。虽然已经进行了一系列关于氢/氨共燃下粉煤燃烧稳定极限的基础研究，并提出了一些表征方法，例如煤炭颗粒中的碳烧尽（Ueki等人，2017年）、火焰振荡频率、图像中的灰度分布和点火时间波动（Xu等人，2025年）、燃烧速率、烟气成分（Zeng等人，2024年）、整体平均炉温（Liu等人，2023年）、炉温分布/波动（Zhang等人，2024b；Jin等人，2023年；Meng等人，2023年）等，但在实际燃煤锅炉中仍缺乏稳定的燃烧边界的定量表征方法。这一知识缺口带来了一个困境：过于保守的策略（如限制氢比例）可能会阻碍深度峰值削减，而过于激进的策略可能会影响锅炉的安全性和热性能。Zhou等人（2000年）引入了燃煤机组的燃烧稳定性指数（CSI），使用12种条件下的三维模拟来预测最小负荷和煤质，但将煤的挥发物质简化为甲烷限制了其在深度峰值负荷运行（例如，高过剩空气比例下的安全问题）和氢共燃中的应用。因此，进一步确定超低负荷稳定燃烧边界的判据是进行后续经济评估的必要前提。

关于热电厂的技经评估，文献中记录了一系列基于平准化电力成本（LCOE）和回收期的建模研究（Kong等人，2024年；Jeddizahed等人，2025年；Sun等人，2025年；Veltroni等人，2026年）。一些研究（例如，Oh等人，2025年；Wang等人，2025年）表明，氢共燃在热电厂中总体上具有积极的经济效益。需要注意的是，这些有利的结果依赖于相对较低的未来氢价格（0.9-1.8美元/千克氢），并且没有考虑低负荷共燃条件下机组整体热性能变化的额外成本。一项关于燃煤电厂峰值负荷调节的研究（Meng等人，2022年）提出了一个成本框架，包括峰值负荷煤炭消耗、运营成本、磨损和电力损失，这些也应考虑在氢共燃辅助的燃煤电厂峰值负荷调节模型中。因此，需要一个更全面的经济模型，该模型应整合深度峰值削减和氢共燃的成本、燃烧稳定性、锅炉热力学性能以及基于详细热力学分析的氢共燃比例边界。

本研究开发了一个用于燃煤机组氢辅助深度峰值调节的综合技经框架。与基于预定义氢共燃比例和负荷水平的先前技经评估（例如，Oh等人，2025年；Wang等人，2025年）不同，所提出的框架使用基于CSI的燃烧稳定性约束来确定氢需求和最低可行负荷，而不是假设这些值，并通过锅炉传热、蒸汽循环和经济分析传播这些受稳定性影响的运行限制。

本文的其余部分组织如下。第2节描述了燃烧稳定性、锅炉传热、热力学和技经模型及其验证。第3节确定了氢-煤共燃的燃烧稳定性和深度峰值调节限制。第4节分析了传热特性和整体系统性能。第5节评估了氢辅助超低负荷运行和可再生能源驱动电解槽整合的技经影响。

系统描述和建模框架
为满足燃煤电厂深度峰值削减的需求，本研究中的技术情景如图1所示。具体来说，（a）在仅依赖柴油共燃进行燃烧支持的超低负荷运行下，最低稳定锅炉负荷假设为30% THA（热怠速）；（b）通过用少量绿色氢替代柴油（能量份额不超过5%），机组可以实现更低的最低稳定负荷。

燃烧稳定性
稳定性模型表明，氢的添加可以降低煤的挥发性氢-空气混合物的有效点火温度和点火能量，从而促进低负荷条件下的火焰形成和传播。这种效应对于深度峰值调节尤为重要，因为降低的煤进料率和挥发物释放削弱了粉煤火焰的自我维持能力。如图5a所示，通过比较不同负荷（100%、75%和30%）下的燃烧稳定性来评估氢共燃对锅炉传热的影响。30%负荷情况代表深度峰值调节运行，而100%和75%情况提供了评估随着锅炉负荷降低炉辐射传热、下游对流和热负荷分布变化的参考条件。

氢共燃增加了H2O浓度

在可变负荷下氢共燃的技经评估
使用耦合的PI和EI框架比较了不同深度峰值调节情景下的氢共燃策略。分区标准和关键假设总结在表7和表8中。由于仅靠回收期无法捕捉负荷深度、燃烧稳定性裕度、锅炉性能、氢需求和经济风险的差异，PI-EI框架提供了更细化的技术和经济可行性评估，如图9所示。

这些假设并不...

结论
本研究开发并应用了一个基于燃烧稳定性的氢-煤共燃框架，整合了来自削减的可再生能源电力的现场氢生产、燃烧稳定性建模、锅炉传热分析和600兆瓦中国超临界机组的技经评估。主要的进展是，CSI衍生的运行限制而非预定义的共燃情景决定了耦合的锅炉、蒸汽循环和经济分析。得出了三个主要发现：

作者贡献声明
Keying Li：撰写——原始草稿、可视化、监督、方法论。
Yufan Shen：验证、方法论、数据管理。
Liming Cui：验证、数据管理、概念化。
Xiwei Ke：方法论、形式分析、数据管理。
Shijie Zhang：验证、软件、方法论。
Hai Zhang：验证、方法论、概念化。
Junfu Lyu：方法论、概念化。
Yang Zhang：撰写——原始草稿、验证、方法论、形式分析、概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号...）的支持。本项目得到了北京怀柔实验室（项目编号：U24B2069）、国家重点研发计划（项目编号：ZD2023008A）以及中国能源投资集团的技术项目（项目编号：GJNY-24-88和GJNY-23-9）的支持。主要研究人员包括：李凯、沈玉凡、崔立明、柯希卫、张世杰、张海、刘俊富、张阳。