2021年的第一个周，突如其来的寒潮影响了大半个中国，刷新了很多地方的气温新低，又引发了一轮关于气候变迁及温室效应的争论，关于二氧化碳的排放和减排是各行各业人士讨论的焦点。记得在元旦假期，电视中看到了黄河中游某县黄河边悬崖上植树的一段，很钦佩造林人植树的艰难，听节目里说着防风固沙和绿化荒山的效果，当时想到的是最近提的频率非常高的中国“3060”碳排放目标，植树造林和森林恢复是目前证明的几种碳捕集技术思路中最为直接有效且副作用较小的做法。关于植树造林我国的林业和相关部门一直默默的做了好多年，森林覆盖率从上世纪70年代初的12.7%提高到最近统计的23.04%。新的五年规划建议中提出，我国将继续把科学绿化、高质量发展贯穿到国土绿化的全过程和各环节，力争到2025年全国森林覆盖率达到24 %以上。

之前，大家认为只要减少温室气体的排放，就能避免全球气候变化引发的问题，直到2005年，IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）还只是在提倡减少温室排放和大力发展可再生能源。到现在，气候专家们已普遍认同不只是要减少还要进行碳的负排放，才能延缓和阻止气候的进一步恶化。2016年中国加入且多个国家共同签订的《巴黎气候变化协定》中明确将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内，并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5摄氏度以内。多个国家级气候研究所的研究表明，如今全球平均气温已比工业化之前高出约1摄氏度，且气温每十年会升高约0.2摄氏度。有资料表明目前全球每年的二氧化碳排放量为300-400亿吨，如不加控制任其发展，可能用不了20年大气中的二氧化碳总量就足以使气温上升幅度超过1.5摄氏度，相应可能引发一系列的气候灾难。如今，在减少碳排放的同时开展碳捕集已是这个阶段人们必须要考虑的选择。元旦前后，国家电网、各大能源集团、高耗能行业等陆续开会研究各自的碳达峰、碳中和路径，提出了各种能源转型和可再生能源利用规划或实施方案。

对热电（火电）行业而言，对空气中排放二氧化碳主要来自于燃料燃烧产生的废气，做为热电行业的从业人员，近年来一直参与建设各种燃料的热电联产和集中供热项目替代分散小锅炉，通过提高能源利用效率和大气污染治理，践行着我院“致力于能源利用、环境保护的和谐与发展”的理念，算起来无形中已经为碳减排尽了一份绵薄之力。

一、热电行业的碳减排途径探讨

热电行业减少碳的排放量最直接的途径就是减少化石能源尤其是燃料煤炭的使用。在近几年，国家和地方政府通过各种调控政策严格控制了煤炭消费总量的增长，并通过政策倒逼机制促使了煤炭逐步减量和采用高效清洁能源的替代。在具备条件的区域大力发展清洁能源和可再生能源热电联产是热电行业的碳减排有效的途径。基于热电行业可进行的碳减排的途径目前主要有以下几种：

1、减少热电分产燃煤小锅炉，替代为高效热电联产机组

经测算，背压式热电联产机组能源利用效率可达到85%，热电分产燃煤锅炉能源利用效率仅有55%左右。基于《热电联产管理办法》中确定的“以热定电，结构优化、提高能效”的原则，建议具备条件的热电分产燃煤小锅炉应积极实施背压式热电联产替代，可显著提高能源利用效率。据济南市可查到的资料来看，济南市中心城区（包括长清区）目前供热燃煤分产锅炉总吨位约5600t/h，如全部或大部分采用大型热电联产背压机组和燃气蒸汽联合循环机组供应采暖负荷，同时产生的电能接入电网，减少一部分燃煤凝汽机组发电量，可减少的碳排放是比较可观的，初步估算减碳量可达50-100万吨/年。

2、低参数小容量的燃煤热电联产机组（尤其是小抽凝机组）替代为高参数大容量的背压式热电联产机组

经过前期的替代和治理，目前省内还有不少县区周边和工业园区15公里供热半径内存在着几家或多家小型热电厂或供热锅炉房，尤其是一些区域还存在不少低参数的燃煤蒸汽锅炉和小机组。据2019年调研的数据，山东省30万千瓦以下热电机组总台数768台，总装机容量27179.5MW；其中高温高压参数以下的机组总台数402台，总装机容量4702MWMW，机组台数和容量占比分别为52.3%和17.3%。这些低参数小机组普遍建造年代较早，锅炉效率相对较低，供电和供热煤耗较高。

在同样热负荷的情况下，这些低参数小容量的燃煤热电联产机组（尤其是小抽凝机组）替代为高参数大容量的背压式热电联产机组，可明显减少煤炭的用量，从而减少碳排放。大致可分为两种情况：1、根据“以热定电，立足存量”的原则，建议改造区域内部分现有高参数小抽凝机组为背压机，增加供汽能力，替代周边热电分产小锅炉和低参数机组；2、区域内没有具备改造条件的高参数抽凝机或改造后仍不满足热负荷需求的，可考虑整合新建高参数大容量的背压式热电联产机组，替代周边热电分产小锅炉和低参数机组。这种状况需要当地政府主导、涉及企业参与和咨询单位共同探讨，因地制宜的选择最优替代方案，以“先立后破”的原则保证区域产业发展和供暖的可持续性，更要体现出整改和整合的前瞻性和科学性。

3、采用高效大机组替代覆盖范围内的落后燃煤小机组

本文大机组是指300MW及以上热电联产机组，据2019年调研资料，山东省30万千瓦及以上机组年均供电标煤耗约298g/kWh，30万千瓦以下机组约340g/kWh，有些低参数小抽凝机年均供电标煤耗甚至达到400g/kWh以上。2020年，山东省通过热电督察，对采用高效大机组替代覆盖范围内的落后燃煤小机组做出了卓有成效的努力，随机督查热电厂共计81家，总机组规模为635.9MW，关停小机组规模为194.65MW，督促升级改造规模为260.1MW。

在同样热负荷的情况下，采用高效大机组替代覆盖范围内的落后燃煤小机组，可明显减少煤炭的用量，从而减少碳排放，同时提高了大机组的供热量，进一步提高这些大机组的全厂热效率。但对以下两类情况需要进行科学的论证：1、对于做为主力发电机组的600MW到1000MW级别的机组，需慎重论证其替代合理性；2、仅有距离较远的少量替代负荷或参数较高的负荷，经技术经济论证并没有明显的节能减碳效果的或涉及生产安全的情况下，不宜实施替代，可督促小机组进行节能改造或背压改造。

当然，热电联产机组不能单以规模大小定义效率的高低。山东节能协会热电专业委员会主任、山东省热电设计院院长刘博常说：“热电联产机组不以大小论英雄，应以能效论高低”。据2019年调研资料，山东省30万千瓦及以上机组全厂热效率约48%，30万千瓦以下机组约69%。30万千瓦及以下基本都是热电联产机组，减少了冷源损失，全厂热效率是比单纯发电（或供热较少）的机组还是要高的，所以本文指的是替代相对落后的燃煤小机组。

4、适度布局燃气蒸汽联合循环热电联产机组

根据《热电联产管理办法》，有条件的地区，在气源落实、气价可承受的基础上，可建设燃气蒸汽联合循环热电联产机组，鼓励规划天然气分布式能源项目。天然气的热值约是普通煤的一倍，燃烧得到同样热量时碳排放量不到燃煤的一半，适当建设燃机热电联产是碳减排一种途径。对我省而言，结合中俄东线进展及海上气田建设，天然气紧张和价格居高不下的情况会得到较大的缓解。各区域可结合当地燃气规划，适当规划布置燃气蒸汽联合循环热电联产机组进行区域热电联供，同时适当规划天然气分布式能源项目做为热电供应末端的补充，从而适当替代区域内燃煤小锅炉，减少气固污染，减少碳排放。

5、有条件的区域发展生物质（包括沼气）等可再生能源热电联产

生物质热（发）电厂使用农林废弃物等生物质做为燃料（包括发酵产生沼气做为燃料），这些植物在生长过程中从大气中吸收二氧化碳，在燃烧时会把这些封存在生物质中二氧化碳释放出来，所以对这种燃料而言“碳排放”是为零的。在进行区域热电联产规划时，应进行详细调研，由政府主导、企业配合参与的方式，在有条件的区域积极布局发展生物质（包括沼气）热电联产，实现碳的零排放。

有条件的区域还可适当考虑光热发电或光热补热与热电厂相结合，减少化石能源消耗，从而减少碳排放。

6、有条件的区域和行业大力推进余热发电或余热供热

工业余热种类繁多，如工业生产过程中的冷却水余热、凝结水余热；钢铁、有色、建材等行业中的烟气余热；钢铁、有色金属等行业的排渣余热；以及高温设备（铸件）表面辐射余热等。建议有条件的区域和行业大力推进余热发电或余热供热，替代部分化石能源供应，从而减少碳排放。建议政府加大对余热利用政策扶持力度，鼓励节能公司为用能企业提供技术、装备、投融资等综合服务，每年支持一批示范项目和先进技术、工艺。

7、有条件的区域和行业逐步推进分布式氢能热电联产

氢能作为一种清洁、高效、可持续的二次能源，可通过一次能源、二次能源及工业领域等多种途径获取。2019 年氢能源首次写入《政府工作报告》，将氢能纳入中国能源体系之中，按照白皮书路线规划，预计到 2050 年氢能在中国能源体系中的占比约为 10%，氢气有潜力成为整合不同基础设施的能源载体。

虽然氢能利用首先是考虑做为工业原料和氢燃料电池应用，但在热电联产领域也可以做为多元化能源的补充。氢燃料电池发电和氢气燃机目前均已有工业化产品及试点应用，氢燃料电池发电可同时产生热水，氢气燃机后的余热锅炉可产生蒸汽，可用于热电联产工程，实现真正意义的无碳化生产。建议有条件的区域和行业开展分布式氢能热电联产试点工程，逐步推进氢能在热电联产领域的应用。

8、有条件的区域实施核能供热

我省核电站均分布在胶东半岛，烟台和威海部分区域直接具备采用核能供暖的条件。2019年采暖季海阳核电开展了核能供热试点项目，供热面积70万平方米，被国家能源局列为“国家能源核能供热商用示范工程”。据公开数据，按每百万平方米供热面积估算，核能供暖每年可节约标煤约3.3万吨，减少碳排放8.6万吨。随着2019年签订的《胶东半岛核能清洁供热合作框架协议》进一步落实，核能供热将逐步扩展到青岛、烟台、威海大部分地区，同时联合其他清洁能源供热方式，将逐步替代胶东半岛多数燃煤锅炉供热，减碳效果显著。

其他区域也可以适当布局低温核堆进行城市供暖，减少化石能源使用，减少碳排放。

二、热电行业的碳捕集途径探讨

碳捕集最直接的方法是从空气中捕集二氧化碳。植树造林和森林恢复就是利用生物体本身从空气中捕集二氧化碳，最为直接有效且副作用较小。碳捕集可以通过技术装置从空气直接捕集二氧化碳，目前在冰岛雷克雅未克郊外就运行着一台利用地热发电厂的余热作为动力的装置，通过化学过滤器将空气中的二氧化碳提取出来泵入700多米深的地层中，与玄武岩发生反应变成固体矿物。还可以利用某些破碎的岩石与空气中的二氧化碳接触后吸收并转化为石灰岩进行固化捕集二氧化碳，这些石灰岩可以用来增加土壤肥力。基于热电行业可参与的碳捕集途径目前主要有以下几种：

1、化石能热电厂碳捕集、利用与封存(CCUS)技术

碳捕集、利用与封存（Carbon Capture, Utilization and Storage，简称CCUS），即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。长期以来，CCUS一直被认为是减少化石能发电和工业过程中二氧化碳排放的关键技术。CCUS技术是CCS（Carbon Capture and Storage，碳捕获与封存）技术新的发展趋势, 与CCS相比，可以将二氧化碳资源化，能产生经济效益，更具有现实操作性。

二氧化碳的资源化利用技术有合成高纯一氧化碳、烟丝膨化、化肥生产、超临界二氧化碳萃取、饮料添加剂、食品保鲜和储存、焊接保护气、灭火器、粉煤输送、合成可降解塑料、改善盐碱水质、培养海藻、油田驱油等。其中合成可降解塑料和油田驱油技术产业化应用最为直接，据公开资料已有具体项目在实施进行。

CCUS技术示意图（引用自网络）

目前国家发改委明确提到开展CCUS试点项目的行业涉及火电、煤化工、水泥和钢铁行业等。其中火电行业华润海丰电厂碳捕集测试平台已于2019年投产运行，同步建成了两套碳捕集单元，分别为胺溶液吸收捕集单元和膜分离捕集单元，同时为其他创新性碳捕集技术预留了测试接口和测试场地，希望通过测试和对比能够寻找到更加经济的材料、技术路线，降低碳捕集成本。

CCUS技术目前尚未展现出足够的商业化可行性。根据公开发布的数据测算，煤电应用CCUS将使能耗增加24%到40%，投资增加20%到30%，效率损失8%到15%。随着技术的发展和新材料的应用以及相关政策的制定，CCUS技术势必有较大的发展和实施应用，国内前瞻性较强的企业已在认真研究、谨慎布局、试点实施。我省东营市中国石化集团胜利发电厂在近期规划中计划实施200万吨碳捕集项目，这应该是山东省火电中首个大规模碳捕集的项目，具有较强的示范意义。建议我省各地市有条件进行二氧化碳利用的区域和电厂也积极开展CCUS技术的研究布局及实施应用。

2、生物质热（发）电厂碳捕集、利用与封存(BCCUS)技术

生物质热（发）电厂使用农林废弃物等生物质做为燃料（包括发酵产生沼气做为燃料），这些植物在生长过程中从大气中吸收二氧化碳，在燃烧时会把这些封存在生物质中二氧化碳释放出来，所以对这种燃料而言“碳排放”是为零的。

最初在国际上提出的是生物能源与碳捕集和储存(BECCS)的概念，就是把碳收集及储存(CCS)这个技术安装在生物加工行业或生物燃料的发电厂。结合利用，不妨称作为生物能源与碳捕集、利用与封存(BCCUS)技术。

如果在生物质电厂实施碳捕集、利用与封存(CCUS)技术，可实现真正意义的负排放，从而可给生物质电厂赋予一个新时代的新的使命。当然以目前的技术，从生物质电厂烟囱中收集二氧化碳将付出较大的投入和运行成本，影响到利润则投资方不会乐意实施。但这可以做为一个负排放的途径，从而进行探讨相关政策的推进，比如相关补贴、碳排放税、碳交易等。

有些学者提出，如果大规模发展BECCS技术，认为进行种植-砍伐-燃烧-再种植一轮又一轮的实施，可能对生物多样性是一场噩梦。技术在发展总会有争议，发展中的问题在发展中解决，但可预见的是生物质能的利用还可能有新一轮的高潮。

3、生物质热解（生物质气化）碳捕集技术

生物质热解（生物质气化）技术是通过一种特殊的锅炉在无氧或缺氧的环境中热解生物质，将其转化成生物炭和其他副产品（焦油、木醋液和可燃混合气）。生物炭和木醋液等可用作农田肥料，做为固定碳回归于土壤中，并能提高农作物产量，进一步吸收空气中的二氧化碳。焦油可做为化工原料，减少化石原料的使用。可燃混合气可进行燃烧供热或同时用于发电，替代部分化石燃料。综上所述，生物质热解（生物质气化）技术是可直接实现碳负排放的碳捕集技术。

生物质热解与生物质直燃相比，生物质直燃能从生物质中得到更多的热和电，并且国家之前的补贴政策明确且相对及时，故生物质直燃得到的实施规模更大，而生物质热解还没有得到大规模使用。就减少碳排放和实现碳负排放而言，下一步应加大对生物质热解的推广应用，并呼吁制定相应的支持政策和实施措施。

结语

目前，能源行业正经历着以低碳化、无碳化、低污染为方向的第三次能源变革，未来发展电气化趋势明显，以可再生能源增长幅度最大的电力能源结构将持续变化，进一步形成以石油、天然气、煤炭、可再生能源为主的多元化能源结构。近期在电力行业风电、光伏、生物质、氢电和核电等无碳化发电形式将会迎来一波热潮，热电行业也将面临着结构性的调整，山东省做为第一热电大省，结构性调整压力和动力并存，全省热电行业碳排放量达每年3.7亿吨，近期五到十年如加大力度综合调整治理后估算可争取减排1.2亿吨。建议各地市在制定十四五热电联产规划过程中考虑到碳减排和碳捕集，为我省的碧水蓝天、国家的目标承诺、全球的气候变迁做出贡献。文中所述部分内容引自于各领域专家文献及公开发表文章，在此表示感谢，限于水平和能力有限，本文中如有不当之处请热电同行批评指正。