德國燃煤電站碳減排技術前瞻

謝德瑜

（冀中能源峰峰集團公司，河北省邯鄲市，056107）

德國燃煤電站碳減排技術前瞻

謝德瑜

（冀中能源峰峰集團公司，河北省邯鄲市，056107）

介紹了德國的一系列燃煤電站清潔技術，可有效地應對嚴峻的氣候變化的挑戰，并且推進世界的可持續性發展。

碳捕集 碳減排 碳分離 燃燒

1 可持續能源供應與科學的 “碳管理”

根據國際能源機構 （IEA）提供的數據，目前的全球能源消耗量正在持續攀升，預計到2050年，全球能源需求量將翻番。中國、印度和其他新興經濟體不斷發展的工業化進程以及世界人口的不斷增長是推動這一趨勢的主要因素。雖然僅有約15%的世界人口居住在工業國家，但是這些人口目前在每年全球能源消耗量中所占比重高達50%。

此外，全球油氣儲量將日益集中在政治不穩定的地區。因此，能源將日益成為國際政治角力中的一把利器。到2030年，歐盟90%的原油需求和70%的天然氣需求將依賴進口。

目前，沒有人能夠完全肯定地預測氣候變化產生的后果，但是氣候變化的風險卻是明確無疑的。因此，有效的減排戰略是對未來進行的一項投資——為后代創造繁榮的市場和蓬勃的經濟體系。未來幾十年的全球經濟發展將在很大程度上取決于人類在前進過程中的能源供應和利用方式。因此，世界必須擴展當前的能源結構，推進能源結構多元化發展，特別是提高可再生能源在能源結構中所占的比重。沒有任何單一的技術和資源適用于所有地區并且滿足所有的需求，解決這個問題的答案就是具有經濟和生態意義的平衡的能源結構。

盡管已經做出了許多努力以促進可再生能源的利用，但是在未來幾十年中，世界絕大部分能源需求量仍然有賴于化石燃料。因此，在不久的將來，世界需要一種端對端、高效和可靠的二氧化碳管理系統。目前，德國正在積極參與一系列工藝技術的開發，用以捕集燃煤電站在燃燒過程中排放的二氧化碳。

2 燃燒前捕集：實現二氧化碳分離

燃燒前捕集被用于在電站中將燃料 （例如煤炭）進行燃燒之前，對二氧化碳和燃料進行分離。燃燒前捕集是聯合循環電站 （也稱為 “燃氣—蒸汽電站”）的上游工藝，采用純氧對煤炭進行氣化。該工藝也被稱為整體煤氣化聯合循環 （IGCC）。德國在二氧化碳凈化、液化儲存領域擁有廣泛的專利技術，同時還涵蓋空分和煤氣化技術。

捕集燃煤電站排放的二氧化碳的最大障礙是燃燒氣體中存在大量的氮，但是氮并不參與燃燒過程。整體煤氣化聯合循環通過大幅度減少含氮量從而對氮的問題加以解決。這項創新采用純氧將煤粉轉化成主要由一氧化碳和氫組成的合成氣，后續的一氧化碳變換反應，采用蒸汽將大部分一氧化碳轉化成二氧化碳和氫。然后，可以采用洗滌劑方便地分離二氧化碳，并對二氧化碳進行脫硫和壓縮或液化，從而使二氧化碳更加便于運輸。

整體煤氣化聯合循環電站對燃氣 -蒸汽輪機進行協同增效，從而實現極高的發電效率，因此稱為“聯合循環電站”。在燃氣輪機中燃燒整體煤氣化聯合循環工藝產生的氫，對發電機進行驅動，產生的廢氣流主要由大氣氮和純水蒸氣組成，被用于產生蒸汽，從而為蒸汽輪機和第二臺發電機提供動力。

整體煤氣化聯合循環的優點包括相對較高的發電效率、可以靈活選用原料以及能夠生產其他有用的產品。整體煤氣化聯合循環工藝鏈產生的臨時合成氣，可用于發電或生產各種化學產品甚至燃料，例如甲醇。主要由一氧化碳和氫組成的原料氣是燃料、化學原材料或其他有用產品的基本原料。在采用二氧化碳捕集的整體煤氣化聯合循環工藝鏈過程中產生的氫可以被直接回收。這意味著整體煤氣化聯合循環電站不僅能夠發電，還能為氫燃料電池車輛提供動力。同時，生物質和廢料還可以取代整體煤氣化聯合循環電站中的某些煤炭原料。

3 燃燒過程中：富氧燃燒工藝有助于碳分離

富氧燃燒工藝是在純氧和循環煙氣環境中對煤炭進行燃燒，產生的廢氣主要由二氧化碳和蒸汽組成。可以相對方便地分離出高濃度二氧化碳，然后對氣體進行壓縮并且輸送到儲存單元中。在低溫空分以及二氧化碳捕集、清洗和液化領域，德國已有數十年的豐富經驗，這些技術對于燃煤電站的富氧燃料試點項目具有非常重要的意義。

在正常空氣中對煤炭或者天然氣進行燃燒時，將產生大量的煙氣。可以脫除燃氣爐上游空氣中的氮 （僅剩下氧），從而大幅度減少這些煙氣。此類效率的提高是富氧燃燒工藝的核心。使用純氧來取代正常空氣，從而形成一個可控的燃燒環境，需要一個空分單元制造富氧燃燒工藝所需的氧。采用低溫將空氣分離成各種組分并且對氮進行脫除，然后將氧饋入燃氣爐，對煤炭進行燃燒。為了對火焰溫度進行調節，大部分煙氣被反饋到燃氣爐中。富氧燃燒工藝的優點包括低煙氣量 （由于不含氮）和高燃燒效率 （由于高溫）。此外，富氧燃燒工藝產生的二氧化碳純度相對較高，可以通過冷卻以方便地分離二氧化碳和蒸汽。

德國林德集團正在與瑞典萬恩佛歐洲 （Vat-tenfall Europe）技術研究有限公司 （以下簡稱“萬恩佛”）密切合作，以推進富氧燃燒工藝的應用。該合作伙伴關系的目標是探索褐煤和礦煤燃燒工藝，并且將這項技術的工業化領域推向成熟。2008年9月份，萬恩佛在位于德國勃蘭登堡州的黑泵 （Schwarze Pumpe）褐煤電站現場，將1個發電能力為30MW試點設施投入試運行。林德集團提供建筑該試點裝置所需的許多部件。萬恩佛計劃于2015年之前，在位于德國簡池沃德 （Janschwalde）的褐煤電站建造第二臺鍋爐。此外，林德集團還參與了德國亞琛工業大學組織的OXYCOAL-AC協助項目，該項目的目標是研究和推進富氧燃燒技術的應用，并將該技術應用于煤粉燃燒。

燃煤電站的產出通常隨著能源需求量發生波動。對于使用空氣原料的常規燃煤電站，這并不是問題。但是對于富氧燃燒電站，氧流必須與電力循環相一致，否則這些寶貴的氣體將被過多地浪費。為了適應負荷的迅速變化，林德集團的工程師們對富氧燃燒發電站的整體設計進行了優化，并且改進了工藝控制技術——這些優化措施充分發揮了該公司的核心競爭能力。林德集團在低溫空分領域擁有數十年的豐富經驗，能夠提供成熟的解決方案，甚至能夠為大規模富氧燃燒電站提供充足的氧流，其中1個單一管路的產能就高達10萬m3／h。但是氧流也具有不利因素。迄今為止的計算表明，氧流建設的投資成本在富氧燃燒電站的投資成本中所占比重高達1／3，氧需求量在能源需求總量中所占比重將近1／4。因此，與碳捕集和儲存 （CCS）有關的約10%的效率損失在很大程度上歸因于氧成本。

為了應對這項挑戰，林德集團對低溫空分工藝進行了調整，使之適合富氧燃燒應用領域，同時無需使用高純氧。與常規空分方法相比，經過調整的解決方案能夠減少約25%的能源消耗量，從而降低制氧的能源成本。如果沒有這項創新，采用碳捕集和儲存技術對現代化燃煤電站進行改造將是難以想象的。

未來，陶瓷自熱回收 （CAR）是另一項能夠降低氧成本的極具應用前景的技術。在600～800℃的溫度條件下，空氣經由一個鈣鈦礦顆粒床被饋入。鈣鈦礦是一種類似于LSCF（氧化鑭、氧化鍶、氧化鈷和氧化鐵混合物）的混合氧化物礦物種。在高溫條件下，鈣鈦礦吸收大量的氧，同時氮和痕量氣體流經吸收床。當礦物床中飽含氧之后，使用二氧化碳和蒸汽對礦物床進行吹掃，將被吸收的氧釋放到可以被饋入電站鍋爐的吹掃氣中。但是陶瓷自熱回收有一個缺點——需要大量的能源產生礦物床中所需的高溫以保持熱流程，同時必須采用與原料空氣混合的燃燒氣提供熱能。林德集團在2006年建造了1個產能為0.7 t／d的氧陶瓷自熱回收試驗單元，目前正在與美國亞利桑那州大學以及鈣鈦礦制造廠商進行合作，積極推進研發工作，并對鈣鈦礦的性質進行深入研究。

4 燃燒后捕集：對二氧化碳進行洗滌

二氧化碳洗滌是對煙氣進行脫硫之后，采用洗滌劑分離常規燃煤電站排放的二氧化碳。二氧化碳洗滌工藝是適于對現有燃煤電站進行改造的唯一方法，因此在推進碳捕集和儲存技術的應用方面具有特別重要的意義。多年來，煤化工行業采用二氧化碳洗滌工藝回收作為生產流程副產品產生的二氧化碳，使之可應用于飲料和化肥行業。燃煤電站也采用二氧化碳洗滌工藝脫除煙氣中的二氧化碳。為了減少碳排放量，二氧化碳洗滌工藝被用于常規煙氣凈化系統下游。

燃燒后捕集的核心是吸收器。在吸收器中，此前經過脫硫的煙氣與洗滌劑逆流接觸，通過胺類（有機化合物）水溶液萃取煙氣中的二氧化碳。在排出吸收器之前，用水沖低二氧化碳煙氣以脫除所有的痕量洗滌劑，然后通過煙囪和冷卻塔將煙氣排放到大氣中。飽含二氧化碳的洗滌劑被饋入解吸器，對二氧化碳和液體進行分離，然后對液體進行冷卻并且反饋到吸收器中，重新開始洗滌循環。

2009年夏季以來，德國能源供應企業——RWE電力公司在尼德奧塞姆 （Niederaussem）褐煤電站對該工藝進行了試點，并計劃于2020年之前將二氧化碳捕集投入褐煤電站的商業應用。由于萃取效率超過90%，二氧化碳洗滌工藝能夠大幅度減少燃煤電站燃燒氣排放量，并且可以將被捕集的二氧化碳儲存在地下。

林德集團擁有高科技天然氣液化和空分裝置領域的核心能力以及在氫、合成氣和烯烴裝置領域的廣泛工程專長。林德集團工程事業部正在運用該集團在化工裝置工程領域的專有技術及其在氣體洗滌領域逾50年積累的豐富經驗，積極推進二氧化碳洗滌工藝的應用。盡管這并不是一項全新的技術，但是仍然需要對該技術進行調整，使之能夠滿足、適合燃煤電站的具體要求。

在試點裝置的建設過程中，需要應對諸多挑戰。例如在煤化工行業中，氣流中通常幾乎不含氧。但是在燃煤電站中，氣流中的氧含量為3%～5%。這意味著需要對化學洗滌工藝加以改進。此外，電力行業要求達到更高的能效水平，試點合作伙伴希望開發出新的改進型洗滌劑，以減少分離二氧化碳所需的能源消耗量。

巴斯夫股份公司為試點裝置供應洗滌劑，林德集團位于德國德累斯頓的子公司——LKCA按照化工企業的規范要求建造洗滌設施。2010年1月份，雙方同意共同對捕集煙氣中二氧化碳的技術進行市場推廣，目標市場主要集中在需要使用二氧化碳提高采油率的中東地區。在位于尼德奧塞姆褐煤電站的試點裝置進行的試驗將持續到2013年。根據試驗方案的技術和商務結果，RWE電力公司屆時將決定是否建造1個捕集能力高達100萬t／a二氧化碳的完整的示范裝置。該裝置將為整個二氧化碳洗滌鏈 （從捕集和運輸直至儲存）提供概念驗證。RWE電力公司表示，目前在荷蘭埃姆斯港建造的燃煤電站將成為新的示范裝置的理想現場。

Preview of carbon emissions reduction technology in Germany coal-fired power plant

Xie Deyu
（Fengfeng Group Co.，Ltd.，Jizhong Energy Group，Handan，Hebei 056107，China）

This article describes a series of clean technology in German，deal with serious challenges of climate change effectively and promote sustainable development of the world.

carbon capture，carbon reduction，carbon sequestration，combustion

FO62.9

A

謝德瑜 （1965-），男，高級工程師，現任冀中能源峰峰集團公司副總經理，長期從事煤礦生產和管理工作。

（責任編輯 溫子伯）