改造后的山東華勤集團銀河電廠光伏利用率大大提升。

產品要出口歐洲，合資方對生產過程使用“綠電”要求嚴苛。這給山東華勤集團出了道難題：企業自建的光伏電站面臨嚴重的“棄光”問題，多方嘗試不能解決，想用“綠電”不容易。

一次偶然的機會，華勤集團聯系上了中國科學院工程熱物理研究所（以下簡稱工程熱物理所）循環流化床實驗室，沒想到經過幾個月的技術改造，所有難題迎刃而解。

“誰說中國人沒有好技術，這不就是？”華勤集團銀河電廠廠長韓會忠如是說。

實際上，華勤集團的問題在我國新能源發電領域比較普遍。數據顯示，截至2023年10月，我國風光裝機占比約33.4%，而發電量僅占20.4%。如今，華勤集團的成功案例預示著，能解決“棄光”問題的新技術有了眉目。

一個難以解決的問題

華勤集團是山東濟寧一家大型民營企業，主營業務為高端輪胎、工程橡膠等，年產值達到500億元。

2010年，集團公司每小時用電量達到6.5萬度。為此，園區自建了一座燃煤發電廠——銀河電廠，用以自產企業生產用電和工業生產所需的蒸汽，一舉兩得。

企業發展不僅要算好“經濟賬”，也要算好“低碳賬”。2020年，響應國家“雙碳”政策號召，華勤集團投資4億元新增了100兆瓦光伏發電裝機。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，午間的谷電價遠低于發電成本，對企業來說，此時少發電、多使用電網上富余的電量更為經濟劃算、低碳環保。因此，在光照條件好的白天，為了多用光電，火電機組必須盡可能往下壓負荷；而在陰天或者夜晚沒有光電時，火電機組得保持出力，以維持企業24小時用電需求。

也就是說，想要最大化且最經濟地利用光伏發電，火電機組必須具備隨意調整負荷的能力。

不料，看似簡單的“降負荷”卻成了不可能完成的任務。韓會忠表示，循環流化床鍋爐負荷降低后，爐內溫度相應降低。這會帶來兩個問題：一是產生不了生產所需的高溫蒸汽，二是污染物排放超標。因為行業內通常采用噴氨水的方法去除煙氣中的氮氧化物，但該反應的溫度窗口在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。

“我們想了很多辦法，但是鍋爐負荷最低到50%就降不動了。”韓會忠告訴《中國科學報》，這導致銀河電廠棄光嚴重。

如何在保證蒸汽溫度和環保達標的前提下，盡可能地降低鍋爐負荷、減少碳排放？韓會忠四處尋找這樣的技術。

一次超出預期的改造

2023年3月8日，經朋友介紹，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。

朱建國所在團隊正在開發燃煤發電的靈活調峰技術，其中一條技術路線就專注于解決循環流化床鍋爐超低負荷穩定高效運行遇到的難題。

“這是一個鍋爐降負荷的普遍問題。”朱建國告訴《中國科學報》，循環流化床作為目前兩大主流燃煤發電技術之一，不挑燃料，其他技術燒不了的劣質煤都能被“吃干榨凈”，使尾氣排放達標。但這一優勢往往在高負荷運行條件下才能充分發揮，刻意降負荷運行，無疑是揚“短”避“長”，暴露短板。

既要環保，又要經濟，有沒有一種可行技術？工程熱物理所正高級工程師宋國良告訴《中國科學報》：“我們這項技術的目標就是克服劣勢、發揮優勢。”

他們采取的改造措施是為循環流化床鍋爐加裝預熱裝置，對燃料進行預熱改性處理——將其從常溫預熱到900攝氏度，將大粒徑煤塊細化，再把固體燃料預處理為氣固燃料，從而提高反應速率，最后通過結構調整重新分配熱量，增加蒸汽吸熱量。

2023年11月，經過第三方測試，銀河電廠的最低負荷已經降低到33%，并能維持足夠的蒸汽發電溫度。

超出預期的是，改造后的鍋爐還實現了零噴氨超低排放。2023年8月30日的現場測試發現，氨水可降低到0，環保數據依然達標。“當時現場中控室里響起了掌聲，那一刻我們很感動。”朱建國回憶說。

“我們怎么都沒想到能有這么好的效果，完全超出預期。”韓會忠表示，目前電廠的光伏利用率從52%左右提高到78%左右，機組負荷的靈活調整使企業的制造成本得到控制，既算清了“低碳賬”，也算好了“經濟賬”。

“環保不達標是現在很多鍋爐負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。更重要的是經過改造，火電機組更加靈活，企業可以根據自身特點安排最佳運行模式。”宋國良表示。

一個緊急部署的課題

近年來，我國可再生能源產業獲得長足發展。國家能源局統計數據顯示，截至2022年底，我國可再生能源裝機已達到12.1億千瓦，首次實現超越煤電裝機的歷史性壯舉。

然而，2021年9月“東北限電”卻沖上微博熱搜。這背后體現出的是風光等可再生能源出力隨機性、波動性、不確定性強，呈現“大裝機、小電量”的特點。

一方面是全國煤電供應緊張，另一方面是新能源關鍵時刻不頂用、扛不住，這造成電力保障形勢嚴峻。

針對這一問題，中國科學院緊急部署“煤炭清潔燃燒與低碳利用”戰略性先導科技專項，其中一個重要任務就是要解決煤電調峰保供。在該專項支持下，工程熱物理所循環流化床實驗室開展了深度靈活調峰技術研究。

“過去我們研究循環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荷燃燒的問題。”宋國良表示，預熱燃燒過去主要用于煤粉鍋爐，華勤集團銀河電廠改造工程是循環流化床耦合預熱燃燒技術的首次試水。

對于這樣的新嘗試，企業經過前期探討，僅1個多月就決定采用，5個月時間就試運行成功。朱建國感慨：“必須感謝華勤集團敢于‘第一個吃螃蟹’、支持創新的擔當。”韓會忠則說：“科學家很有信心，我們也有了信心。”

順利合作的背后既有企業的迫切需求，也有實驗室對預熱燃燒技術將近20年研究的歷史積淀，沒有厚積哪有薄發？長期不懈的基礎研究，是這支科技“國家隊”在國家需要時能拿出新技術的關鍵。

“電荒”之后，一度沉寂的煤電迎來核準“熱潮”，近兩年我國新增核準煤電項目裝機近2億千瓦。宋國良分析指出，煤電回暖與我國新能源裝機大增相匹配，反映了國家對能源安全的深遠考慮，通過增加靈活性調節電源來保證能源供應和電網安全。

在這樣的歷史性轉變中，煤電企業要同時做到環保、高效、靈活并不容易，老鍋爐要么關停要么淘汰，亟須科學界提供一種能夠逆轉窘境的新技術。

循環流化床耦合預熱燃燒技術在這樣的背景下應運而生。宋國良表示：“預熱改造既保留了循環流化床技術的優勢，又彌補了之前的短板，希望能在更大規模的電站鍋爐上應用，為保障國家能源安全作出貢獻。”

作者： 來源：中國科學報 責任編輯：jianping