燃燒前脫碳技術與工程進展

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，依據聯合國政府間氣候變化專業委員會(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，采取經濟、政治、技術、資金等措施進行減排，應對人類生存的嚴峻挑戰。

目前，世界上許多工業化國家采取的CO2減排模式主要有:①提高能源利用效率和轉化率;②大力發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(CCUS)［1］。由于中國以煤為主的能源結構狀況將會長期存在，以煤電為主的能源主格局短期內難以發生重大改變，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IGCC(整體煤氣化聯合循環)、煤制氣等潔凈煤技術的項目建設。

1 技術簡介

1.1 技術路線

燃燒前CO2捕集技術是指煤在水蒸氣、空氣或氧氣環境下使其高壓氣化，產生合成氣(主要成分為CO 和H2)，再經過水煤氣變化后轉化為CO2和H2，再經分離進行CO2氣體的捕集，而H2用于燃燒發電［2］，目前該技術主要運用于IGCC(整體煤氣化聯合循環發電)系統中。

IGCC 系統是一種新型的清潔燃煤發電技術，是在已經非常成熟的燃氣-蒸汽聯合循環發電基礎上，增加一套煤的氣化和凈化設備，促使煤轉化為相當潔凈的人造合成煤氣，進而在聯合循環發電系統中實現煤的潔凈發電［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首先經過預處理，經氣化爐氣化產生粗煤氣，經過除塵、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廢熱鍋爐回收將水加熱成過熱蒸汽，帶動蒸汽機做功、發電，從而實現煤氣化燃氣蒸汽聯合循環發電 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 繼承和發展了熱力發電系統的先進技術，將空氣分離技術、煤的氣化技術、煤氣凈化技術、燃氣輪機聯合循環技術以及系統的整體化技術有機集成［5-8］，實現CO2的近零排放和CO2的捕集、封存和再利用。IGCC 的關鍵技術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IGCC 工程發展

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

國內神華、華能、大唐、中電投等多家大型發電企業都已實質性推進IGCC 項目［11］。目前我國擬建或在建的IGCC 項目有9 項，還有5 項處于可研發狀態。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關鍵技術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，相比同等規模的常規燃煤電站，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、轉化效率高、環保性能好等優點，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的兩段式干煤粉加壓氣化技術，這是我國煤氣化技術首次進入發達國家市場，華能有望成為該先進技術的世界領導者。

(2)2004 年，華能集團率先提出“綠色煤電”計劃，并于2005 年聯合國內的大唐、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，集成大規模煤制氫和氫能發電、CO2捕集和封存等關鍵技術，實施“綠色煤電”示范項目，為實現規模化、商業化做鋪墊。

(3)大唐東莞IGCC 改造項目已經完成，計劃采用神華煤，4 ×400 MW 燃機［16］，另外包括其裝機規模2 ×400 MW 的天津大港項目、遼寧沈陽IGCC 多聯產工程，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，目前已經取消［18］。

2.2 國外IGCC 工程發展

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 項目處于發展規劃階段，其氣化設備能夠將石油焦炭轉換成合成氣，合成氣接著用于生產甲醇、氫氣和硫酸等化工產品，項目設計每年可捕集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［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階段，以Indiana 5#煤為設計煤種，全廠設計凈出力約為618 MW，凈供電效率為38.5%(HHV)，最小穩定負荷可以達到50%。Edwardsport IGCC 電廠是第一個采用GE 標準化IGCC 概念設計的商業電廠，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新［20］，擁有世界上規模最大的煤氣化清潔發電裝置，在可用率、環保指標方面居于世界領先水平。

(3)美國提出的“未來發電(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、發電、制氫于一體的IGCC 發電示范項目［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行:第一階段建設120 MW 發電能力的示范電廠，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90%的CO2的捕集。

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

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

(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%。日本計劃繼續堅持走自主創新道路，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(CCS)緊密聯合，將CO2注入到海底，加大進行海洋地質封存的研究。

(8)德國REW 電力公司計劃建設一座屬于IGCC+CCS，發電容量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。

(9)2013 年12 月英國政府已與白玫瑰CCS 項目簽訂前端工程設計合同，將富氧燃燒捕集技術與新建的超高效的燃煤發電站技術結合，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 技術發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的保障，目前我國對IGCC 和CCS 技術缺乏明確的產業政策支持，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做得比較到位，環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 的商業化運行。

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

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 計劃中獲得了數千萬元的科研經費資助，大部分投資由華能牽頭的國內企業承擔。

3.1.3 跨行業、跨區域合作問題 若單純依靠發電和石油企業之間進行二氧化碳封存的合作存在一定難度，需要通過電力企業與石油、地質等企業之間跨行業、跨區域的廣泛協調合作才能實現。以CCS 實施來說，已經超出了發電企業的傳統業務范疇，需要有關部門的統一協調。

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燃煤電站，如果不綜合考慮其環境效益和社會效益，同樣執行標桿電價必然會導致企業的虧損，影響企業研發示范新技術的積極性。

3.2 解決措施

加快制定環保能源方面的法律法規;政府出臺各種優惠扶持政策;提供充足的科研經費，加快科研隊伍的建設，形成具有自主知識產權的綠色煤電技術，實現設備國產化、大型化和商業化;政府要協調好燃煤電站和石油化工行業之間的合作關系;積極開展國際技術合作，鼓勵引進先進技術，將產學研有機結合進而促進清潔煤發電技術。

4 結束語

IGCC 是一種清潔的煤發電技術，符合21 世紀人類節能減排的發展方向。IGCC 技術在中國應用推廣的前景非常廣闊，我國“綠色煤電”技術作為基于燃燒前捕集的CCS 技術，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、自主創新性等優勢。我國在實現低碳經濟發展的進程中，要繼續推進IGCC 示范電站建設，大力開發并掌握潔凈煤發電的核心技術，提高發電效率。同時將IGCC 與CCS 技術緊密聯合，大力發展CO2捕集分離技術，達到污染物和CO2的近零排放，實現預期的節能減排的目標。

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