通过改变煤炭成分来减少二氧化碳排放：一项技术经济优化研究

《Energy》：Reduction of carbon dioxide emission by varying coal composition: A techno-economic optimization study

　　I.G. Donskoy | N.O. Epishkin
俄罗斯科学院西伯利亚分院梅伦捷耶夫能源系统研究所，Lermontova街130号，伊尔库茨克，664033，俄罗斯联邦

**摘要**
尽管有脱碳的趋势，但完全淘汰化石燃料的使用还需要很长时间。例如，在气候寒冷且燃料基础设施不发达的地区，唯一可行的方式是使用煤炭来发电和提供热量。因此，主要目标在于寻找减少二氧化碳排放的方法，而不是用可再生能源代替化石燃料发电厂。在本文中，我们研究了煤炭成分对朗肯循环特性的影响，并探讨了通过选择不同类型的煤炭来降低二氧化碳排放的限制。为此，我们对具有先进蒸汽参数的燃煤电厂进行了优化研究，并将结果与30种不同煤炭进行了比较。研究表明，热力学和经济标准形成了两组最优解。对于碳含量在30%到80%之间的煤炭，二氧化碳的特定排放量从700千克/兆瓦时变化到1500千克/兆瓦时不等。我们分析了在不同燃料成本水平下蒸汽参数和发电成本的差异。这些结果使我们能够估算通过提高蒸汽参数来减少二氧化碳的成本。

**引言**
气候和环境目标导致了对化石燃料使用的限制。这些限制可能表现为排放税或对发电结构的监管限制。在每个具体情况下选择碳政策需要进行深入的经济研究[1][2]。由于高有害物质和温室气体排放量（相对于天然气或核燃料），煤炭通常被认为是“最脏”的燃料。因此，对于煤炭的能源预测较为悲观[3]。同时，基于煤炭的发电往往不可避免。在某些地区，由于燃料基础设施的严重限制，从煤炭向其他燃料（如天然气）的过渡可能会遇到困难[4][5][6]。此外，向天然气的过渡并不能完全解决温室气体排放问题。在寒冷地区，热能生产的可靠性往往比环境问题更为重要。这些条件要求实施减少二氧化碳排放的措施，如捕获和储存技术[7]、优化循环[8]以及部分用更清洁的能源（如生物质和其他可再生能源）替代煤炭[9][10]。虽然有一些有前景的方法可以减少碳排放，或至少减少捕获成本，例如富氧燃烧[11]、化学循环[12]、热能储存[13]等，但它们的技术成熟度仍然较低。

本研究通过提高蒸汽参数和优化能源工厂方案来考虑减少碳排放，从而能够在相对较低的效率损失下实现减排。进一步减少碳排放涉及二氧化碳的捕获和储存，这可能基于前一步提出的能源工厂方案：减排意味着捕获二氧化碳的成本降低。清洁能源（主要是可再生能源）的可接受比例及其在发电计划和技术过程中的逐步集成，将取决于可实现的可靠性和安全性指标。根据国际能源署的数据，2024年燃煤发电量为10,700太瓦时[15]，总煤炭消耗量为8.7吉吨，其中三分之二用于发电。这些数据使我们能够估算燃煤发电的平均净效率为30%-35%。如果将平均效率提高1%，则可以减少约400-500百万吨的二氧化碳排放（约占该行业总排放量的3%）。然而，实施碳捕获和储存技术会降低净效率，虽然会增加二氧化碳的产量，但会减少其排放量。主要问题在于捕获的二氧化碳的储存问题（估计每年需要储存20吉吨）。

提高蒸汽参数是提高热电厂效率的传统方法：在过去的几十年里，这一方向得到了广泛应用，包括超临界和超超临界朗肯循环[16][17][18]。其他燃煤发电技术（如集成气化联合循环）几乎无法与直接燃烧技术竞争。然而，由于对材料要求较高，设备的成本也更高，从而导致能源成本增加[19]。现有电厂与先进电厂之间的能源成本差异可以视为减少碳排放的成本。为了估算这一值，我们需要根据效率标准对电厂进行比较[20]。二氧化碳排放量取决于煤炭的类型和种类。不同类型的煤炭具有不同的碳含量和燃烧特性，因此电厂的效率也不同。即使是最近的研究[21]的初步估计也显示，使用不同煤炭时，发电和供热过程中的特定排放量会有数倍的差异。然而，这些数值是基于平均循环效率得出的；需要更详细的研究来评估通过改变煤炭成分可能实现的减排量。

本研究的目的是确定不同煤炭的特定二氧化碳排放量。我们考虑了俄罗斯联邦境内可用的煤炭种类，但它们的近似和元素组成范围足够广泛，可以找到其他国家的类似煤炭。我们对燃煤电厂参数进行了优化研究，并比较了不同煤炭的最佳结果。

煤炭的选择问题通常需要考虑许多因素，包括开采和运输。在我们的研究中，这一因素被简化为煤炭价格。燃煤电厂的技术特性是主要关注点。材料科学的进步[22]使得使用几乎所有类型的煤炭来维持先进的朗肯循环成为可能，但合理的煤炭使用应基于对不同种类煤炭优点的了解。有几篇综述讨论了热电厂中超临界和超超临界蒸汽参数的最新技术[17][18]。即使是采用先进朗肯循环，燃煤电厂的二氧化碳排放量也是天然气电厂的两倍[23]，但如果选择使用煤炭，则这种减排方式优于继续使用旧的低效设备。许多论文探讨了超临界和超超临界朗肯循环的优化方法，例如[24]（多标准经济指标优化）、[25]（基于梯度的逐步方法）、[26]（遗传算法）、[27]（不同碳捕获剂的比较）、[9]（煤炭与生物质的联合燃烧）、[28]（添加冷凝泵）、[29]（侵蚀问题）、[12]（化学循环技术的实施）等[24][25][26][27][28][29][30]。

大多数关于燃煤电厂优化的论文都假设煤炭成分是恒定的。实际上，这一假设在实践中往往不成立。煤炭在开采、运输、储存等过程中会发生变化。在这种情况下，问题陈述应进行修正：燃煤电厂的参数必须适用于煤炭成分的所有可能变化范围。大多数研究没有考虑这一点，这限制了这些研究的适用性。如果不考虑不同的燃料，这些结果将局限于所选类型的煤炭。同时，煤炭并不总是在其开采地区使用；在某些地区，当地燃料的质量可能较低（例如在俄罗斯联邦，即使拥有大量煤炭储备的地区也会从其他地区进口煤炭，因为燃煤电厂的设备要求）。在煤炭选择上拥有自由度后，我们就可以自然地提出其优化问题。

在本文中，我们没有考虑煤炭的反应性和矿物成分的行为。尽管这些属性对于选择锅炉特性和运行参数很重要，但我们认为稳定的点火和渣滓去除问题可以在设备设计阶段解决，并忽略了不同锅炉布局在资本成本方面的差异。同样的简化也适用于硫氧化物和氮氧化物：尽管某些煤炭含有大量的硫，但这里没有考虑烟气净化问题。这是为了使不同煤炭的结果具有可比性；否则，需要进行更详细的分析，但这超出了本文的范围。初步研究已在我们的先前工作中发表[30]。本研究的目的是通过改变煤炭成分来评估可能的减排量，重点关注敏感性分析以及寻找使先进蒸汽参数在经济上可行的条件。

**本文结构**
第2节描述了燃煤电厂及其优化标准；第3节概述了研究的煤炭种类并介绍了方法论；第4节展示了优化问题的敏感性分析；第5节讨论了优化结果，并比较了不同条件下的燃煤电厂的技术经济特性；最后第6节对研究结果进行了总结。

**电厂优化问题**
我们考虑了一个640兆瓦的热电厂，该电厂使用粉煤锅炉产生高参数蒸汽。这些蒸汽驱动涡轮机，涡轮机配备有冷凝器、低压再热器、除氧器和三个再生高压再热器。该方案如图1所示。电厂的数学模型使用专有软件“TeplSh”构建，该软件可用于计算电厂参数并制定参数优化问题。

**煤炭成分**
我们研究了俄罗斯联邦境内可用的煤炭种类：其中大部分来自俄罗斯，但也有一些来自哈萨克斯坦。数据来源于不同年份的能源燃料手册[48][49][50]。表1列出了部分煤炭的成分，虽然样本不是全面的，但它涵盖了广泛的原子比（氧碳比最高达到0.33，氢碳比达到1.1）。根据[51]的数据，Kemerovo和Krasnoyarsk地区的煤炭储量最大（分别为121吉吨和68吉吨）。

**不同优化标准下的燃煤电厂参数**
作为优化结果的例子，表3展示了以Neryungri 1SS煤炭为主要燃料的电厂参数，根据不同的优化标准进行了优化。结果按以下顺序编号：选项1——最小化资本成本；选项2、3和4——分别最小化燃料价格为50美元/吨、100美元/吨和150美元/吨时的LCOE（平准化燃烧成本）；选项5——最大化净效率。列出了主要的质量和能量流动以及朗肯循环参数。

**碳含量和循环效率**
煤炭的碳含量是其热值的主要决定因素。同时，碳含量也决定了煤炭的变质阶段。我们比较了不同煤炭 carbon 含量相关的电厂特性。需要注意的是，基于原始炭的碳含量会随着水分和灰分含量的变化而变化。无论如何，高碳含量的煤炭可以被视为更优质的燃料。

**结论**
通过数学模型，我们对多种煤炭类型的燃煤机组进行了参数优化。结果显示，在最大可能的发电效率为45%-47%的情况下，经济上可行的净效率范围为39%-42%。水分或灰分含量相对于基准值增加10%不会显著影响电厂的性能指标。然而，煤炭种类对电厂性能有显著影响：

**作者贡献声明**
I.G. Donskoy：撰写初稿、可视化制作、资金获取、形式化分析、概念化。
N.O. Epishkin：撰写初稿、软件开发、方法论研究。

**资金信息**
本研究是在俄罗斯联邦2021-2030年基础研究计划的状态任务项目（项目编号FWEU-2026-0010）下进行的。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。