燃燒前脫碳技術(shù)與工程進展

張啟陽，黃鳳敏，2，陸詩建，劉海麗，尚明華

(1.中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026;2.中國石油大學(華東)化學工程學院，山東 青島 266580)

近年來，CO2等溫室氣體的排放量急劇增多，依據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)的第五次報告，近130 年來，全球的平均氣溫上升了0.85 ℃左右，因此人類必須要采取積極措施行動起來，采取經(jīng)濟、政治、技術(shù)、資金等措施進行減排，應對人類生存的嚴峻挑戰(zhàn)。

目前，世界上許多工業(yè)化國家采取的CO2減排模式主要有:①提高能源利用效率和轉(zhuǎn)化率;②大力發(fā)展可再生能源和綠色能源替代化石燃料;③CO2捕集封存與利用技術(shù)(CCUS)［1］。由于中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)狀況將會長期存在，以煤電為主的能源主格局短期內(nèi)難以發(fā)生重大改變，而在2014 年1月，國家總理在召開的國務院常務會議上提出合理控制煤炭消費總量、推廣使用潔凈煤的重要措施，這正好利于國內(nèi)IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán))、煤制氣等潔凈煤技術(shù)的項目建設(shè)。

1 技術(shù)簡介

1.1 技術(shù)路線

燃燒前CO2捕集技術(shù)是指煤在水蒸氣、空氣或氧氣環(huán)境下使其高壓氣化，產(chǎn)生合成氣(主要成分為CO 和H2)，再經(jīng)過水煤氣變化后轉(zhuǎn)化為CO2和H2，再經(jīng)分離進行CO2氣體的捕集，而H2用于燃燒發(fā)電［2］，目前該技術(shù)主要運用于IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電)系統(tǒng)中。

IGCC 系統(tǒng)是一種新型的清潔燃煤發(fā)電技術(shù)，是在已經(jīng)非常成熟的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電基礎(chǔ)上，增加一套煤的氣化和凈化設(shè)備，促使煤轉(zhuǎn)化為相當潔凈的人造合成煤氣，進而在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中實現(xiàn)煤的潔凈發(fā)電［3］。

氣化反應的氧化劑可分為有氧吹和空氣鼓風，若使用的氣化爐采用O2作為氧化劑，需要增加空分制氧設(shè)備，能耗相對比較大。

1.2 工藝流程

IGCC 基本流程［4］敘述如下:將煤或其它的含碳物質(zhì)首先經(jīng)過預處理，經(jīng)氣化爐氣化產(chǎn)生粗煤氣，經(jīng)過除塵、脫硫集脫碳等凈化工藝生成合成氣，然后合成氣再供給燃氣輪機燃燒做功，燃氣輪機排氣余熱經(jīng)廢熱鍋爐回收將水加熱成過熱蒸汽，帶動蒸汽機做功、發(fā)電，從而實現(xiàn)煤氣化燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 的目的。典型的IGCC 工藝流程見圖1。

圖1 典型IGCC 工藝流程圖Fig.1 Typical IGCC process flow diagram

2 典型IGCC 工程進展

IGCC 繼承和發(fā)展了熱力發(fā)電系統(tǒng)的先進技術(shù)，將空氣分離技術(shù)、煤的氣化技術(shù)、煤氣凈化技術(shù)、燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)技術(shù)以及系統(tǒng)的整體化技術(shù)有機集成［5-8］，實現(xiàn)CO2的近零排放和CO2的捕集、封存和再利用。IGCC 的關(guān)鍵技術(shù)是煤的氣化和煤氣的凈化，目前氣化的裝置有3 種類型［9］:①噴流床氣化爐，典型的包括美國的Texaco 爐、荷蘭的Shell 爐、德國的Krupp-Kropper 爐等;②流化床氣化爐，例如美國的Krw 爐、U-gas 爐;③固定床氣化爐，代表性的當屬英國Lurgi 公司的BG/L 爐。

2.1 國內(nèi)IGCC 工程發(fā)展

我國于1994 年4 月成立IGCC 領(lǐng)導組，但一方面由于IGCC 系統(tǒng)比較復雜、造價過高和氣化爐等關(guān)鍵技術(shù)不能克服，再者國家沒有制定相應的環(huán)境保護法案等種種原因［10］，未能得到順利推廣，因而比歐美發(fā)達國家落后了近十年的時間。

國內(nèi)神華、華能、大唐、中電投等多家大型發(fā)電企業(yè)都已實質(zhì)性推進IGCC 項目［11］。目前我國擬建或在建的IGCC 項目有9 項，還有5 項處于可研發(fā)狀態(tài)。另有西安熱工研究院、華東理工大學、山東兗州礦務局、中科院工程熱物理研究所等單位在IGCC關(guān)鍵技術(shù)突破方面等都取得了不錯的成績［12］。

(1)2009 年7 月，中國首座IGCC 示范工程——華能天津250 MW IGCC 電站示范工程在天津正式開工。電站于2012 年12 月12 日投產(chǎn)，相比同等規(guī)模的常規(guī)燃煤電站，供電效率高、污染物近零排放，其污染物排放水平接近天然氣電站［13］。采用的是華能自主研發(fā)的2 000 t/d 兩段式加壓干煤粉氣化爐［14］，具有煤種適用性強、轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)保性能好等優(yōu)點，早在2009 年8 月，美國賓夕法尼亞州未來燃料公司特別引進了華能自主開發(fā)的兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)，這是我國煤氣化技術(shù)首次進入發(fā)達國家市場，華能有望成為該先進技術(shù)的世界領(lǐng)導者。

(2)2004 年，華能集團率先提出“綠色煤電”計劃，并于2005 年聯(lián)合國內(nèi)的大唐、華電、國電、中電投、神華、國開投、中煤等多家能源公司，成立了由華能集團控股的綠色煤電有限公司，共同實施“綠色煤電”計劃。計劃分三個階段［15］實施，用10 年左右的時間最終建成“綠色煤電”示范電站，現(xiàn)處于第三階段(2014 ～2016 年)，實施綠色煤電示范項目，計劃于2016 年左右建成400 MW 級“綠色煤電”示范工程，集成大規(guī)模煤制氫和氫能發(fā)電、CO2捕集和封存等關(guān)鍵技術(shù)，實施“綠色煤電”示范項目，為實現(xiàn)規(guī)模化、商業(yè)化做鋪墊。

(3)大唐東莞IGCC 改造項目已經(jīng)完成，計劃采用神華煤，4 ×400 MW 燃機［16］，另外包括其裝機規(guī)模2 ×400 MW 的天津大港項目、遼寧沈陽IGCC 多聯(lián)產(chǎn)工程，同時廣東深圳的IGCC 項目也已開展。

(4)中電投河北廊坊的IGCC 項目，計劃總投資70 億元，采用山西煤，2 ×400 MW(9FA 雙軸)［17］。

(5)國電集團山東煙臺IGCC 示范項目，由于資金和效益問題，目前已經(jīng)取消［18］。

2.2 國外IGCC 工程發(fā)展

自美國于1984 年建成第一座IGCC 示范電站Cool Water 取得成功后，IGCC 工程在世界上發(fā)展非常迅速，北美的美國、加拿大，亞洲包括韓國、澳大利亞、日本，歐洲的英國、德國等世界發(fā)達國家均啟動運行IGCC+CCS 工程項目。比較典型的有以下工程項目:

(1)目前路易斯安那州的萊克查爾斯CCS 項目處于發(fā)展規(guī)劃階段，其氣化設(shè)備能夠?qū)⑹徒固哭D(zhuǎn)換成合成氣，合成氣接著用于生產(chǎn)甲醇、氫氣和硫酸等化工產(chǎn)品，項目設(shè)計每年可捕集460 萬t CO2，捕集的CO2將通過管道運輸至德州休斯頓附近的西方黑斯廷斯油田用于EOR 作業(yè)［19］。

(2)Edwardsport 電廠IGCC 項目，于2004 年10月開始進行可行性研究，2007 年11 月項目正式進入工程建設(shè)階段，以Indiana 5#煤為設(shè)計煤種，全廠設(shè)計凈出力約為618 MW，凈供電效率為38.5%(HHV)，最小穩(wěn)定負荷可以達到50%。Edwardsport IGCC 電廠是第一個采用GE 標準化IGCC 概念設(shè)計的商業(yè)電廠，在空分、整體化控制、蒸汽輪機、合成氣輻射式冷卻器、燃氣輪機方面進行了重點改進創(chuàng)新［20］，擁有世界上規(guī)模最大的煤氣化清潔發(fā)電裝置，在可用率、環(huán)保指標方面居于世界領(lǐng)先水平。

(3)美國提出的“未來發(fā)電(FutureGen)”計劃，將在美國建立不低于300 MW 等級的集二氧化碳捕集和封存、發(fā)電、制氫于一體的IGCC 發(fā)電示范項目［21］，預計每年捕獲封存CO2200 萬t 以上。

(4)澳大利亞Zero Gen 示范項目［22］，項目計劃分兩階段執(zhí)行:第一階段建設(shè)120 MW 發(fā)電能力的示范電廠，捕集75%的二氧化碳并部分填埋;第二階段在2017 年建成450 MW 級大型IGCC +CCS 示范電廠，實現(xiàn)90%的CO2的捕集。

(5)加拿大Alberta EPCOR 項目，計劃于2020年建成，發(fā)電容量約為270 MW，采用SFG-500 氣化爐，用于發(fā)電和碳捕集。

(6)荷蘭將于2017 年建成的Nuon Maggnum 項目將采用shell 氣化爐，發(fā)電容量高達1 200 MW，可以有效減緩CO2排放，實現(xiàn)近零排放的目標。

(7)日本在2008 年已建成250 WM 的IGCC 示范電站，采用干法進料，凈效率達到42%。日本計劃繼續(xù)堅持走自主創(chuàng)新道路，將容量擴大到65 WM，效率提高到48%，并與二氧化碳捕集和封存技術(shù)(CCS)緊密聯(lián)合，將CO2注入到海底，加大進行海洋地質(zhì)封存的研究。

(8)德國REW 電力公司計劃建設(shè)一座屬于IGCC+CCS，發(fā)電容量450 MW 的燃煤碳捕集電廠。該電廠以萊茵褐煤為燃料，碳捕集率90%，封存二氧化碳2.6 Mt，預計2015 年建成投產(chǎn)。

(9)2013 年12 月英國政府已與白玫瑰CCS 項目簽訂前端工程設(shè)計合同，將富氧燃燒捕集技術(shù)與新建的超高效的燃煤發(fā)電站技術(shù)結(jié)合，每年捕集大約200 萬t CO2，白玫瑰項目是通過歐盟NER300 計劃第二輪被支持申請資金的CCS 項目。

3 IGCC+CCS 技術(shù)發(fā)展存在的問題及應對措施

3.1 存在的問題

3.1.1 法律政策方面 “綠色煤電”計劃的整體推進需要類似法律法規(guī)的保障，目前我國對IGCC 和CCS 技術(shù)缺乏明確的產(chǎn)業(yè)政策支持，使得“綠色煤電”計劃的實施進程整體落后于預期目標，而世界的一些國家在這方面已經(jīng)做得比較到位，環(huán)境法案和能源法案基本都已出臺，例如，美國在其2005 年頒布的能源法案中，規(guī)定以財政補貼、提供貸款和稅收減免等方式來推動IGCC 的商業(yè)化運行。

3.1.2 資金問題 IGCC 和CCS 在我國都屬于新興技術(shù)，復雜程度很高，而“綠色煤電”技術(shù)將兩者進行整合，實施的難度更高，再加上IGCC 和CCS 技術(shù)目前還處于示范階段，尚未開始商業(yè)化推廣，初期需要較高的資金投入，因此，對于“綠色煤電”這種國家能源戰(zhàn)略儲備性技術(shù)，單純由企業(yè)主導存在諸多困難。

從目前國外已有的IGCC 項目看，基本都是由各國政府主導并部分投資。例如，美國政府對其第一個IGCC 項目提供了1.2 億美元資助，日本的IGCC 項目中政府投資占30%。然而，我國的天津IGCC 項目僅從科技部863 計劃中獲得了數(shù)千萬元的科研經(jīng)費資助，大部分投資由華能牽頭的國內(nèi)企業(yè)承擔。

3.1.3 跨行業(yè)、跨區(qū)域合作問題 若單純依靠發(fā)電和石油企業(yè)之間進行二氧化碳封存的合作存在一定難度，需要通過電力企業(yè)與石油、地質(zhì)等企業(yè)之間跨行業(yè)、跨區(qū)域的廣泛協(xié)調(diào)合作才能實現(xiàn)。以CCS 實施來說，已經(jīng)超出了發(fā)電企業(yè)的傳統(tǒng)業(yè)務范疇，需要有關(guān)部門的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

3.1.4 電價過高問題 由于IGCC 電站在示范階段的供電成本高于常規(guī)燃煤電站，如果不綜合考慮其環(huán)境效益和社會效益，同樣執(zhí)行標桿電價必然會導致企業(yè)的虧損，影響企業(yè)研發(fā)示范新技術(shù)的積極性。

3.2 解決措施

加快制定環(huán)保能源方面的法律法規(guī);政府出臺各種優(yōu)惠扶持政策;提供充足的科研經(jīng)費，加快科研隊伍的建設(shè)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的綠色煤電技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化、大型化和商業(yè)化;政府要協(xié)調(diào)好燃煤電站和石油化工行業(yè)之間的合作關(guān)系;積極開展國際技術(shù)合作，鼓勵引進先進技術(shù)，將產(chǎn)學研有機結(jié)合進而促進清潔煤發(fā)電技術(shù)。

4 結(jié)束語

IGCC 是一種清潔的煤發(fā)電技術(shù)，符合21 世紀人類節(jié)能減排的發(fā)展方向。IGCC 技術(shù)在中國應用推廣的前景非常廣闊，我國“綠色煤電”技術(shù)作為基于燃燒前捕集的CCS 技術(shù)，適合于新建的燃煤電站，與國際同類項目同時起步，具有高起點、自主創(chuàng)新性等優(yōu)勢。我國在實現(xiàn)低碳經(jīng)濟發(fā)展的進程中，要繼續(xù)推進IGCC 示范電站建設(shè)，大力開發(fā)并掌握潔凈煤發(fā)電的核心技術(shù)，提高發(fā)電效率。同時將IGCC 與CCS 技術(shù)緊密聯(lián)合，大力發(fā)展CO2捕集分離技術(shù)，達到污染物和CO2的近零排放，實現(xiàn)預期的節(jié)能減排的目標。

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