PFBC的研究進展及在碳捕獲方面的應用

任俊卿， 王鵬程， 李偉斌

(1.陽煤化工集團公司，山西 太原 030006；2.陽煤化工研究院，山西 太原 030021)

中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國。由于“富煤、貧油、少氣”的能源格局，煤炭在中國能源結構中占主要地位。煤炭的大量燃燒在促進發展國民經濟的同時也帶來了嚴重的大氣污染問題，我國燃煤火電占全部電力生產的80%，燃煤電廠排放出的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等氣體污染物占全國污染物排放的很大比重[1]。既要發展經濟，又要低碳環保，在這種嚴峻形勢下，發展燃煤清潔發電技術是現階段中國發電企業的一條切實有效的發展之路。

增壓流化床燃燒(PFBC)技術作為一種清潔燃煤發電技術，可實現燃氣/蒸汽聯合循環，具有較高的發電效率，同時在燃燒過程中能減少SO2、NOx等污染物的排放，且相對常壓流化床燃燒設備，具有結構緊湊、投資相對較低等優勢[2]。

英國于上世紀60年代開始研究增壓流化床燃氣-蒸汽聯合循環發電(PFBC-CC)技術，主要目的是提高燃煤電站的循環效率[3]。多年來歷經理論研究、實驗室小規模試驗、工業試驗等階段，目前國外的PFBC技術已進入商業應用階段，其主要的標志是以ABB Carbon公司開發的P200型PFBC-CC模塊為基礎的三座PFBC-CC示范電站。電站于1990年建成并投入試運，顯示出良好的環保性能。國外擁有PFBC-CC的示范站分布情況，如表1所示。

80年代初期，我國開始了對PFBC的研發工作，東南大學在國家科委的支持下，開始較全面的實驗室規模研究。“八五”期間，國家計委將該技術列入國家重點科技攻關項目，“九五”期間，該技術被國家科技部列為全國51項“重中之重”項目之一。東南大學于1991年開始設計15 MW的PFBC-CC技術，在徐州賈汪電站進行中試，現在已經掌握了關鍵技術[5-6]。通過實驗研究，發現系統中還有一些問題需要解決，如結構較笨重，燃氣輪機出力不足，葉片需要特殊處理，投資較大等等。另外，我國引進了4臺ABB Carbon公司的P200裝置，分別在大連臺山電廠和徐州賈汪電廠各裝設2臺，以此作為我國PFBC-CC示范電站。目前我國PFBC技術的開發研究與國際先進水平還有較大的差距[7-8]。一些科研機構也在研究改進PFBC技術，煙氣的凈化是PFBC-CC的關鍵技術之一，孫志輝[9]研究并開發了新型顆粒層除塵器，可提高PFBC-CC的效率。

表1 國外PFBC-CC示范站[4]

1 PFBC-CC的基本原理

在壓力為0.6 MPa～1.6 MPa，溫度為850 ℃～920 ℃的條件下，在增壓流化床鍋爐燃燒室中進行煤的燃燒和脫硫過程[10]。燃燒產生的煙氣經過旋風分離器凈化后，驅動燃氣輪機。燃氣輪機又帶動壓氣機把燃燒所需高壓空氣送入燃燒室。同時，燃燒室中的水冷壁所產生的蒸汽驅動蒸汽輪機。在這種聯合循環中，燃氣輪機除了提供高壓空氣外，還產生約20%的輸出電功率。蒸汽輪機產生約80%的輸出電功率。這個聯合循環的效率較高，與常規燃煤電站相比，每kW·h少耗燃料約10%～15%，而且對環境的影響比較小。

因為PFBC的燃燒溫度為850 ℃以上，故NOx的生成量低。將吸附劑與煤一起加入，硫氧化物的排放量能降低到很低水平，脫硫率可達90%～95%，即使對高硫、高灰的劣質煤也可以有效地應用PFBC技術[11]。

以上介紹的PFBC-CC過程稱為第一代技術。第一代PFBC-CC發電系統的流化床內燃燒溫度在900 ℃左右，過高的溫度使煤的燃燒過程易引起結渣，也可導致流化床內脫硫過程的效率下降，從而限制了燃氣透平的進口溫度，使燃氣循環效率不能進一步提高，以致發電效率難以超過42%。第二代PFBC-CC系統采用部分氣化和前置燃燒，把燃機進氣溫度提高到1 150 ℃～1 200 ℃，采用超臨界蒸汽參數，使熱效率從現有PFBC的42%提高到45%～48%[10-12]。體積更小，排放更清潔，其發電成本比煤粉燃燒加煙氣脫硫(PC+FGD)低20%。第二代PFBC的實質是PFBC和IGCC的結合。

PFBC相比于傳統鍋爐具有以下優勢：高脫硫率，低NOx排放，煤種適應性強，緊湊的設計適于對舊電廠的改造和實現模塊化，減少占地面積，節約建設成本。

2 PFBC應用于碳捕獲和儲存

碳捕獲和儲存技術(CCS)是一種將二氧化碳從煙氣中分離出來，輸送到一個封存地點，并且長期與大氣隔絕的技術，是控制化石燃料發電廠副產品的最實用的方法。多年來，研究人員已經開發出了一系列方法來將二氧化碳從發電的副產品煙道氣混合物中分離出來。目前的技術采用了燃燒后捕獲的方法來減少現有發電廠的碳排放。在這個過程中，煙氣通過一個過程使二氧化碳被分離和儲存。通過預燃捕獲，或集成的氣化聯合循環(IGCC)，氧氣被從大氣中剝離出來，產生一種幾乎純氧的氣體，它被送入一種氣化器，使煤焙燒并釋放合成氣，一種混合氣體(氫氣、一氧化碳和二氧化碳)。合成氣隨后被分解成二氧化碳和氫。然后氫氣在一個燃氣輪機里燃燒發電，而二氧化碳則被壓縮儲存。使用這些方法捕獲和儲存二氧化碳需要大量的能量和成本。對比沒有CCS的燃煤電廠，采用CCS將使電力成本增加75%以上——成本的增加通常被稱為“碳稅”。

近些年，美國正在研制利用氧化加壓流化床燃燒室(Oxy-PFBC)來降低碳捕集成本的新技術[13]。加壓氧化燃燒預示著通過使用加壓的氧氣和二氧化碳的混合物而不是空氣來燃燒燃料，從而使預燃和二次燃燒的過程中碳捕獲的碳稅減少。氮氣在燃燒前從空氣中除去。這提高了效率，煙道氣(主要是二氧化碳和水蒸氣)可以更簡單、更低成本與二氧化碳分離。增壓也降低了設備的大小，節約額外的成本。由于使用了成本較低的鍋爐和二氧化碳捕獲設備，工廠成本降低了25%。

應用Oxy-PFBC進行碳捕獲過程大致如下：煤注入流化床(燃燒室)中與氧氣和二氧化碳的混合物燃燒。石灰石也被加入來捕捉硫。當煤在壓力容器中燃燒時，水通過燃燒室內部排列的管道移動，而流化床則提高熱傳遞到管道，使水變成蒸汽。蒸汽進入渦輪，以產生電力加壓的二氧化碳和水出口作為煙道氣體。水被去除，二氧化碳凈化系統除去了其他的微量氣體。純化的二氧化碳被進一步壓縮，然后用管道輸送出來，以進行封存，如圖1所示。Oxy-PFBC示范項目正處于試驗階段。

圖1 應用Oxy-PFBC進行碳捕獲

3 結語

增壓流化床燃燒聯合循環(PFBC-CC)發電技術是一種環保、高效的潔凈煤發電技術，目前國內處于試驗階段，具有一定的研究基礎和技術積累。下一步應加大科研投入，加快研究進程，鼓勵技術創新，同時引進國外先進技術，使PFBC-CC技術達到商業化應用的階段，形成我國自主知識產權和生產能力。

世界各國都需要持續地燃煤來生產足夠的電力，電力系統離不開煤炭。所以發電成為二氧化碳排放的主要來源之一，在2013年，電力和發熱占全球二氧化碳排放量的近一半(42%)。需要一個能明顯減少二氧化碳和其他溫室氣體排放的解決方案。多年來，氣候研究人員一直專注于通過改造燃煤發電廠大規模減少碳排放。氧化加壓流化床燃燒(Oxy-PFBC)技術應用于碳捕集項目給那些希望繼續依靠化石燃煤發電的國家提供了巨大的希望。該技術的真正潛力在于全球應用，特別是在一些嚴重依賴煤炭的發展中國家。由于COP21(第21屆聯合國氣候變化大會)的限制以及今后全球限制二氧化碳排放的政策變得更加嚴格，這將是許多國家技術轉向的重要選項，因為它提供了一種更為經濟的方式將碳的捕獲和電力生產極好的耦合起來。