燃燒前脫碳技術(shù)與工程進(jìn)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(jì)有限公司，山東 東營 257026;2.中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)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(huì)(IPCC)的第五次報(bào)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(dòng)起來，采取經(jīng)濟(jì)、政治、技術(shù)、資金等措施進(jìn)行減排，應(yīng)對人類生存的嚴(yán)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(huì)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(wù)院常務(wù)會(huì)議上提出合理控制煤炭消費(fèi)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(xiàng)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(jìn)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(yùn)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?xì)?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(dāng)潔凈的人造合成煤氣，進(jìn)而在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)煤的潔凈發(fā)電［3］。

氣化反應(yīng)的氧化劑可分為有氧吹和空氣鼓風(fēng)，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(yù)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?xì)廨啓C(jī)燃燒做功，燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱經(jīng)廢熱鍋爐回收將水加熱成過熱蒸汽，帶動(dòng)蒸汽機(jī)做功、發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)煤氣化燃?xì)庹羝?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(jìn)展

IGCC 繼承和發(fā)展了熱力發(fā)電系統(tǒng)的先進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)以及系統(tǒng)的整體化技術(shù)有機(jī)集成［5-8］，實(shí)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(dāng)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(dǎo)組，但一方面由于IGCC 系統(tǒng)比較復(fù)雜、造價(jià)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(yīng)的環(huán)境保護(hù)法案等種種原因［10］，未能得到順利推廣，因而比歐美發(fā)達(dá)國家落后了近十年的時(shí)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(shí)質(zhì)性推進(jìn)IGCC 項(xiàng)目［11］。目前我國擬建或在建的IGCC 項(xiàng)目有9 項(xiàng)，還有5 項(xiàng)處于可研發(fā)狀態(tài)。另有西安熱工研究院、華東理工大學(xué)、山東兗州礦務(wù)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(cuò)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(qiáng)、轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，早在2009 年8 月，美國賓夕法尼亞州未來燃料公司特別引進(jìn)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(jìn)入發(fā)達(dá)國家市場，華能有望成為該先進(jìn)技術(shù)的世界領(lǐng)導(dǎo)者。

(2)2004 年，華能集團(tuán)率先提出“綠色煤電”計(jì)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(tuán)控股的綠色煤電有限公司，共同實(shí)施“綠色煤電”計(jì)劃。計(jì)劃分三個(gè)階段［15］實(shí)施，用10 年左右的時(shí)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(shí)施綠色煤電示范項(xiàng)目，計(jì)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(shí)施“綠色煤電”示范項(xiàng)目，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、商業(yè)化做鋪墊。

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

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

(5)國電集團(tuán)山東煙臺(tái)IGCC 示范項(xiàng)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(dá)國家均啟動(dòng)運(yùn)行IGCC+CCS 工程項(xiàng)目。比較典型的有以下工程項(xiàng)目:

(1)目前路易斯安那州的萊克查爾斯CCS 項(xiàng)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(xiàng)目設(shè)計(jì)每年可捕集460 萬t CO2，捕集的CO2將通過管道運(yùn)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(xiàng)目，于2004 年10月開始進(jìn)行可行性研究，2007 年11 月項(xiàng)目正式進(jìn)入工程建設(shè)階段，以Indiana 5#煤為設(shè)計(jì)煤種，全廠設(shè)計(jì)凈出力約為618 MW，凈供電效率為38.5%(HHV)，最小穩(wěn)定負(fù)荷可以達(dá)到50%。Edwardsport IGCC 電廠是第一個(gè)采用GE 標(biāo)準(zhǔn)化IGCC 概念設(shè)計(jì)的商業(yè)電廠，在空分、整體化控制、蒸汽輪機(jī)、合成氣輻射式冷卻器、燃?xì)廨啓C(jī)方面進(jìn)行了重點(diǎn)改進(jìn)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(biāo)方面居于世界領(lǐng)先水平。

(3)美國提出的“未來發(fā)電(FutureGen)”計(jì)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(xiàng)目［21］，預(yù)計(jì)每年捕獲封存CO2200 萬t 以上。

(4)澳大利亞Zero Gen 示范項(xiàng)目［22］，項(xiàng)目計(jì)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(shí)現(xiàn)90%的CO2的捕集。

(5)加拿大Alberta EPCOR 項(xiàng)目，計(jì)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(xiàng)目將采用shell 氣化爐，發(fā)電容量高達(dá)1 200 MW，可以有效減緩CO2排放，實(shí)現(xiàn)近零排放的目標(biāo)。

(7)日本在2008 年已建成250 WM 的IGCC 示范電站，采用干法進(jìn)料，凈效率達(dá)到42%。日本計(jì)劃繼續(xù)堅(jiān)持走自主創(chuàng)新道路，將容量擴(kuò)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(jìn)行海洋地質(zhì)封存的研究。

(8)德國REW 電力公司計(jì)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(yù)計(jì)2015 年建成投產(chǎn)。

(9)2013 年12 月英國政府已與白玫瑰CCS 項(xiàng)目簽訂前端工程設(shè)計(jì)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(xiàng)目是通過歐盟NER300 計(jì)劃第二輪被支持申請資金的CCS 項(xiàng)目。

3 IGCC+CCS 技術(shù)發(fā)展存在的問題及應(yīng)對措施

3.1 存在的問題

3.1.1 法律政策方面 “綠色煤電”計(jì)劃的整體推進(jìn)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(jì)劃的實(shí)施進(jìn)程整體落后于預(yù)期目標(biāo)，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(tái)，例如，美國在其2005 年頒布的能源法案中，規(guī)定以財(cái)政補(bǔ)貼、提供貸款和稅收減免等方式來推動(dòng)IGCC 的商業(yè)化運(yùn)行。

3.1.2 資金問題 IGCC 和CCS 在我國都屬于新興技術(shù)，復(fù)雜程度很高，而“綠色煤電”技術(shù)將兩者進(jìn)行整合，實(shí)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(chǔ)備性技術(shù)，單純由企業(yè)主導(dǎo)存在諸多困難。

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

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(jìn)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(shí)現(xiàn)。以CCS 實(shí)施來說，已經(jīng)超出了發(fā)電企業(yè)的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)范疇，需要有關(guān)部門的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

3.1.4 電價(jià)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(huì)效益，同樣執(zhí)行標(biāo)桿電價(jià)必然會(huì)導(dǎo)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(tái)各種優(yōu)惠扶持政策;提供充足的科研經(jīng)費(fèi)，加快科研隊(duì)伍的建設(shè)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的綠色煤電技術(shù)，實(shí)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(lì)引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，將產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合進(jìn)而促進(jìn)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(jì)人類節(jié)能減排的發(fā)展方向。IGCC 技術(shù)在中國應(yīng)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(xiàng)目同時(shí)起步，具有高起點(diǎn)、自主創(chuàng)新性等優(yōu)勢。我國在實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程中，要繼續(xù)推進(jìn)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(shí)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(dá)到污染物和CO2的近零排放，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的節(jié)能減排的目標(biāo)。

［1］ 紀(jì)龍，曾鳴.燃煤電廠CO2捕集與利用技術(shù)綜述［J］.煤炭工程，2014，46(3):90-92.

［2］ 張東明，楊晨，周海濱.二氧化碳捕集技術(shù)的最新研究進(jìn)展［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2010，5:7-35.

［3］ 駱仲泱，方夢祥，李明遠(yuǎn)，等.二氧化碳捕集封存和利用技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2012:166.

［4］ 李現(xiàn)勇.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電和二氧化碳減排技術(shù)［C］//2009 年二氧化碳減排控制技術(shù)與資源化利用研討會(huì)論文集.上海:上海人民出版社，2010:59-64.

［5］ 徐凱，李素芬.聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)進(jìn)展與前景［J］.節(jié)能，1998(5):2-5.

［6］ 路克嘉.淺析IGCC 項(xiàng)目在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)發(fā)展趨向［J］.西北煤炭，2007，5(4):12-14.

［7］ 董明聲，王震華，劉勃，等.世界上的IGCC 電站工程概覽［J］.燃?xì)廨啓C(jī)術(shù)，2009，22(1):15-19.

［8］ 張勇，閆媛媛.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC 技術(shù)發(fā)展綜述［J］.節(jié)能與環(huán)保，2013，5:59-61.

［9］ 郭韻，黃志強(qiáng).碳捕捉與封存技術(shù)的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)［J］.化工進(jìn)展，2012，3:145-148.

［10］李新歌.我國IGCC 項(xiàng)目開發(fā)的影響因素及發(fā)展前景分析［D］.北京:華北電力大學(xué)，2011.

［11］蔡銘，郜時(shí)旺，黃斌，等.燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集與利用技術(shù)研究進(jìn)展［C］//2009 年二氧化碳減排控制技術(shù)與資源化利用研討會(huì)論文集.上海:上海人民出版社，2010:94-97.

［12］趙東旭.我國IGCC 發(fā)展技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及政策建議［J］.電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2007，19(6):40-43.

［13］賈科華.國內(nèi)首座IGCC 示范電站投產(chǎn)［N］.中國能源報(bào)，2012-12-14(20).

［14］章文.科技創(chuàng)新系列報(bào)道［J］.上?；ぃ?011，36(1):41.

［15］朱聲寶.華能綠色煤電:創(chuàng)新與超越［J］.中國電力企業(yè)管理，2010，Z1:137-139.

［16］趙東旭.我國IGCC 發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及政策建議［J］.電力工程經(jīng)濟(jì)，2007，19(6):40-43.

［17］路克嘉.淺析IGCC 項(xiàng)目在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)發(fā)展趨向［J］.西北煤炭，2007，5(4):12-14.

［18］李現(xiàn)勇.首座基于GE 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化IGCC 電廠淺析［J］.發(fā)電設(shè)計(jì)，2013(3):49-52.

［19］李現(xiàn)勇，孫永斌，李惠民.國外IGCC 項(xiàng)目發(fā)展現(xiàn)狀概述［J］.發(fā)電設(shè)計(jì)，2009(3):28-33.

［20］徐梓銘.世界各國IGCC 發(fā)展現(xiàn)狀［J］.現(xiàn)代交際，2009，12:80-81.

［21］ 陳俊武，陳香生.中國中長期碳減排戰(zhàn)略目標(biāo)初探(Ⅵ)——碳捕集與封存排放目標(biāo)討論［J］.中外能源，2011，16(10):1-17.

［22］Global CCS Institute.全球碳捕集與封存現(xiàn)狀.2014-02-17.http://cn.global ccs institute.com/ publications /全球碳捕集與封存現(xiàn)狀-201402.