CO2近零排放的煤間接液化和IGFC集成系統(tǒng)

楊占奇，許 明，張樂樂，杜念友，龔思琦，張繼華，楊 霞，李初福

(1.國家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 煤制油分公司，寧夏 銀川 750411；2.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211)

0 引 言

煤間接液化可以將我國豐富的煤炭資源轉(zhuǎn)化為稀少的油品，降低石油對(duì)外依存度，對(duì)于保障國家能源安全具有重要意義[1-2]。截至2020年，我國煤間接液化項(xiàng)目建成的產(chǎn)能超過800萬t，其中寧煤400萬t煤間接液化項(xiàng)目是全球單體規(guī)模最大的煤制油項(xiàng)目，處于世界領(lǐng)先水平[3-4]。但現(xiàn)有的煤間接液化技術(shù)也是一個(gè)高碳排放過程[5]，生產(chǎn)每噸油品約排放8 t CO2，包括工藝過程直接碳排放和熱電消耗間接碳排放兩大部分。在碳中和背景下，h煤間接液化面臨巨大的碳減排壓力，降低煤間接液化過程碳排放難點(diǎn)在于降低熱電消耗的間接碳排放。

1 我國煤間接液化發(fā)展現(xiàn)狀及問題

煤間接液化過程包括煤氣化、凈化、費(fèi)托合成等主要單元。費(fèi)托合成是以合成氣(主要為H2和 CO) 為原料在適當(dāng)條件下催化合成液態(tài)烴類產(chǎn)物的工藝過程。

國內(nèi)中科合成油技術(shù)有限公司開發(fā)的鐵基漿態(tài)床費(fèi)托合成技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于寧煤和伊泰等多個(gè)工業(yè)化項(xiàng)目；兗礦集團(tuán)開發(fā)的鐵基低溫費(fèi)托合成技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，開發(fā)的高溫費(fèi)托技術(shù)實(shí)現(xiàn)了示范；中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開發(fā)了鈷基漿態(tài)床費(fèi)托合成技術(shù)并應(yīng)用于延長石油15萬t/a和潞安6萬t/a等示范項(xiàng)目。截至目前，我國已經(jīng)建成投產(chǎn)的煤間接液化工業(yè)化示范項(xiàng)目見表1。

煤間接液化過程排放CO2主要來自2個(gè)方面：① 煤氣化合成氣里碳多氫少，需要將一部分CO轉(zhuǎn)化為氫氣調(diào)節(jié)氫碳比滿足費(fèi)托合成要求，CO轉(zhuǎn)化為H2的同時(shí)會(huì)排放CO2，這部分CO2經(jīng)工藝過程吸收捕集后排放，CO2體積分?jǐn)?shù)可達(dá)90%以上，經(jīng)簡單處理后可以用于封存或利用；② 煤間接液化過程需要消耗電力和蒸汽，而生產(chǎn)電力和蒸汽過程消耗燃料煤產(chǎn)生CO2排放，CO2體積分?jǐn)?shù)在10%～20%。這部分CO2排放量占煤間接液化過程CO2排放總量的30%左右[2]，且CO2濃度低，捕集難度大，能耗大。

表1 全國已建成投運(yùn)的煤間接液化工業(yè)化示范項(xiàng)目

2 煤間接液化和IGFC集成系統(tǒng)

在先進(jìn)煤間接液化技術(shù)基礎(chǔ)上，通過開發(fā)和集成高溫燃料電池發(fā)電技術(shù)，構(gòu)建CO2近零排放的煤間接液化和煤氣化燃料電池(IGFC)集成系統(tǒng)(圖1)，通過高溫燃料電池直接利用煤制合成氣和費(fèi)托合成尾氣高效發(fā)電，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍋爐電站為煤間接液化過程供電供熱，可提高供電效率。高溫燃料電池可直接使用合成氣、化工尾氣和天然氣等進(jìn)行高效發(fā)電，發(fā)電效率達(dá)50%～60%[6-7]，遠(yuǎn)高于常規(guī)的同等規(guī)模燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)效率(30%～43%)[8]，高溫燃料電池在高效發(fā)電同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電尾氣CO2富集，CO2體積分?jǐn)?shù)可達(dá)90%以上，大幅降低這部分CO2捕集難度，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)CO2近零排放，助力實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)。

煤間接液化和IGFC集成系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：① 自備鍋爐電站機(jī)組規(guī)模小，功率通常在100～300 MW，蒸汽參數(shù)低，發(fā)電凈效率低(30%～40%)，如果再配置CO2捕集，發(fā)電凈效率還要降低10～12個(gè)百分點(diǎn)，意味著發(fā)電凈效率只有20%～30%。而100 MW級(jí)IGFC系統(tǒng)，在CO2捕集率90%工況下，系統(tǒng)發(fā)電凈效率可達(dá)47%以上，遠(yuǎn)高于自備鍋爐電站機(jī)組，可顯著降低煤間接液化燃料煤耗，提高系統(tǒng)能效。② IGFC系統(tǒng)與煤間接液化共用煤氣化凈化裝置，可降低IGFC系統(tǒng)投資，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。③ 費(fèi)托合成過程尾氣富含CO、H2、CH4等，是一種非常適合于高溫燃料電池的氣體，通過高溫燃料電池發(fā)電利用可顯著提高尾氣經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)減少排往火炬的尾氣，降低污染物排放。以某百萬噸級(jí)煤間接液化與200 MW級(jí)IGFC集成系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的主要參數(shù)見表2。

集成系統(tǒng)中煤間接液化技術(shù)已基本成熟，主要瓶頸為IGFC技術(shù)，目前尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化示范。

圖1 煤間接液化和IGFC集成系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of coupled system of indirect coal liquefaction with IGFC

表2 煤間接液化和IGFC集成系統(tǒng)關(guān)鍵單元配置

3 IGFC關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展

3.1 IGFC關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

制約IGFC技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸為高溫燃料電池和尾氣純氧燃燒技術(shù)。高溫燃料電池包括固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)2種，其中SOFC具有發(fā)電效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、高溫余熱可回收等優(yōu)點(diǎn)，在大型發(fā)電、分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是最前沿的燃料電池技術(shù)[9-10]。

美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在SOFC技術(shù)方面一直處于世界領(lǐng)先地位，經(jīng)幾十年的技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)，已基本實(shí)現(xiàn)了SOFC技術(shù)的商業(yè)化運(yùn)行，發(fā)展出多家具有特色的SOFC企業(yè)，如布魯姆能源(Bloom Energy, BE)、燃料電池能源(Fuel Cell Energy，F(xiàn)CE)、三菱重工(MHI)、錫里斯(Ceres)等。美國的SOFC企業(yè)商業(yè)化最為成功，其中BE公司的標(biāo)準(zhǔn)配置的SOFC發(fā)電系統(tǒng)功率可達(dá)250 kW，以天然氣為原料發(fā)電效率可高達(dá)65%，處于世界領(lǐng)先水平[11]。

相較于國外，我國在SOFC研發(fā)方面還有較大差距。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等國內(nèi)高校分別在電解質(zhì)支撐、陽極支撐、金屬支撐等電池材料方面開展了基礎(chǔ)研究工作。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、華中科技大學(xué)和中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所等開展了5 kW SOFC系統(tǒng)和25 kW電池堆項(xiàng)目的研發(fā)。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)對(duì)SOFC中關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)及荷電傳導(dǎo)機(jī)制、界面演變、電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及一體化電池設(shè)計(jì)中多尺度多場耦合性能演化等開展了基礎(chǔ)理論研究，開發(fā)了千瓦級(jí)電池堆。商業(yè)化的電池堆研發(fā)企業(yè)也仍處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，目前從事SOFC電堆研發(fā)的公司主要有潮州三環(huán)、蘇州華清、寧波索福人、武漢華科福賽、濰柴動(dòng)力、氫邦科技等[11]，近年來取得了快速發(fā)展。2019年，濰柴動(dòng)力首套30 kW天然氣SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)投入運(yùn)行；2021年索福人研制的25 kW級(jí)天然氣SOFC系統(tǒng)順利開車；2022年，三環(huán)集團(tuán)和廣東能源集團(tuán)研發(fā)的以天然氣為原料的國內(nèi)首個(gè)百千瓦級(jí)SOFC發(fā)電項(xiàng)目投入運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)電功率達(dá)210 kW, 發(fā)電效率達(dá)61.8%；2023年濰柴動(dòng)力發(fā)布的全球首款大功率金屬支撐商業(yè)化SOFC產(chǎn)品，以天然氣為原料，系統(tǒng)發(fā)電功率達(dá)120 kW，發(fā)電效率超60%。

IGFC系統(tǒng)中高溫燃料電池發(fā)電后的尾氣熱值低，常規(guī)方法難以穩(wěn)定燃燒，張靜思等[12]和李嘉瑞等[13]研究了SOFC尾氣在多孔介質(zhì)和金屬纖維燃燒器中的燃燒特性，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定燃燒。IGFC系統(tǒng)中高溫燃料電池發(fā)電時(shí)燃料氣與空氣不混合，可在發(fā)電過程中實(shí)現(xiàn)CO2富集，為進(jìn)一步富集CO2，發(fā)電尾氣通常采用純氧燃燒。季明彬等[14]研究了100 W級(jí)SOFC尾氣純氧催化燃燒特性；WANG等[15]研究了10 kW級(jí)SOFC尾氣純氧直接燃燒特性，表明發(fā)電尾氣經(jīng)純氧燃燒后CO2體積分?jǐn)?shù)可達(dá)90%以上，為CO2直接捕集及后續(xù)貯存利用提供了條件。

3.2 IGFC集成示范進(jìn)展

美國能源部(DOE)通過“Vision 21”與“SECA”等項(xiàng)目不斷推動(dòng)升級(jí)IGFC系統(tǒng)的研發(fā)工作。2005年，美國能源部委托美國GE公司開發(fā)以煤炭為燃料的集成SOFC/燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)效率達(dá)61.5%，但CO2后續(xù)捕集及封存將消耗一定能量，因此系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)效率修正為58.4%。2016年，美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(NETL)發(fā)布基于SOFC技術(shù)的研究進(jìn)展及規(guī)劃，將于2025年和2030年建成10和50 MW IGFC(含CO2捕集)示范系統(tǒng)[16]。

日本通過開展煤炭能源“EAGLE”項(xiàng)目，開始IGFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。1998年在Wakamatsu建設(shè)了中試線，系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)電效率為53.3%。2019年，日本公布了由NEDO和大阪發(fā)電公司合作完成的世界上第1座煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠(IGFC-IGCC)及CO2捕集示范集成項(xiàng)目的建設(shè)情況，項(xiàng)目已完成1、2期建設(shè)，即IGCC系統(tǒng)與CO2捕集回收系統(tǒng)，第3期將建成IGFC系統(tǒng)，建設(shè)2臺(tái)600 kW級(jí)SOFC發(fā)電單元，正在開展試驗(yàn)研究，目標(biāo)是應(yīng)用于500 MW級(jí)商業(yè)發(fā)電設(shè)施，CO2回收率為90%的條件下實(shí)現(xiàn)47%左右的送電端效率[16]。

2017年，國家科技部立項(xiàng)了“CO2近零排放的煤氣化發(fā)電技術(shù)”，由國家能源集團(tuán)牽頭，推動(dòng)國內(nèi)IGFC技術(shù)研發(fā)與集成示范，取得了積極進(jìn)展[17-18]。李萍萍等[19]以美國能源部報(bào)告中的百兆瓦級(jí)IGFC系統(tǒng)流程為基礎(chǔ)，考察系統(tǒng)操作壓力和進(jìn)料甲烷含量對(duì)系統(tǒng)凈發(fā)電效率的影響，結(jié)果表明增加電堆操作壓力和進(jìn)料甲烷含量有利于提高系統(tǒng)效率。許世森等[20]基于SOFC技術(shù)，構(gòu)建了百兆瓦級(jí)IGFC系統(tǒng)，在碳捕集率大于90%情況下，系統(tǒng)供電效率達(dá)到46.2%。2018年，晉煤集團(tuán)開展了15 kW級(jí)IGFC系統(tǒng)集成驗(yàn)證；2020年，國家能源集團(tuán)完成了20 kW級(jí)IGFC驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上2022年建成了國內(nèi)首個(gè)兆瓦級(jí)IGFC技術(shù)試驗(yàn)基地，研制了國內(nèi)首套100 kW級(jí)CO2近零排放的IGFC試驗(yàn)示范系統(tǒng)(圖2)，由煤氣化凈化工業(yè)裝置供應(yīng)合成氣，包括5套20 kW級(jí)SOFC發(fā)電模塊，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了100 h以上(圖3)，燃料電池系統(tǒng)最大發(fā)電功率101.7 kW，燃料電池系統(tǒng)發(fā)電效率53.2%，CO2捕集率98.6%，驗(yàn)證了集成系統(tǒng)可行性。

圖2 100 kW級(jí)IGFC試驗(yàn)示范系統(tǒng)現(xiàn)場裝置Fig.2 Experimental equipment of 100 kW IGFC system

圖3 100 kW級(jí)IGFC試驗(yàn)示范系統(tǒng)運(yùn)行曲線Fig.3 Operation curve of 100 kW IGFC system

3.3 IGFC技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

目前國內(nèi)外IGFC集成示范的規(guī)模還較小，離工業(yè)化應(yīng)用尚有差距，在未來研究中亟需解決的問題主要有：① SOFC電池技術(shù)目前仍未實(shí)現(xiàn)完全產(chǎn)業(yè)化，其關(guān)鍵材料的低成本量產(chǎn)制備和高一致可靠電池堆的批量化生產(chǎn)，一直是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的最大阻礙；② 大功率加壓燃料電池的長周期運(yùn)行仍是制約IGFC系統(tǒng)的最重要因素，高溫燃料電池是IGFC系統(tǒng)的核心單元，其耐久性是影響發(fā)電成本的關(guān)鍵，同時(shí)需盡可能提高單堆功率才能實(shí)現(xiàn)大功率IGFC發(fā)電系統(tǒng)，盡可能提高操作壓力才能提高IGFC系統(tǒng)效率；此外，由于燃料電池單元需將多電堆進(jìn)行集成，解決燃料氣體在不同電堆間的均布、高溫?zé)崤蛎浧ヅ洹㈦娐犯咝Т⒙?lián)等問題；③ 高溫燃料電池排出的尾氣中含有相當(dāng)比例未充分反應(yīng)的組分，需在純氧燃燒室中充分燃燒，但尾氣熱值較低，采用催化燃燒可有效降低燃燒難度，需研制成本低、壽命長、活性高的催化燃燒的催化劑，并進(jìn)行相應(yīng)催化燃燒器開發(fā)。

4 結(jié) 語

在先進(jìn)煤間接液化技術(shù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建CO2近零排放的煤間接液化和煤氣化燃料電池(IGFC)集成系統(tǒng)，通過高溫燃料電池直接利用煤制合成氣和費(fèi)托合成尾氣高效發(fā)電，替代傳統(tǒng)自備電站為煤間接液化過程供電供熱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)尾氣CO2富集，降低了CO2捕集難度。介紹了國內(nèi)外IGFC技術(shù)研究進(jìn)展，開展了系統(tǒng)集成關(guān)鍵IGFC技術(shù)研發(fā)與示范，依托寧煤400萬t/a煤間接液化裝置，建成了國內(nèi)首個(gè)兆瓦級(jí)IGFC技術(shù)試驗(yàn)基地，研制了國內(nèi)首套100 kW級(jí)IGFC試驗(yàn)示范系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)發(fā)電功率101.7 kW，發(fā)電效率53.2%，CO2捕集率98.6%，驗(yàn)證了集成系統(tǒng)可行性。在碳中和背景下，隨著高溫燃料電池技術(shù)逐漸成熟，CO2近零排放的煤間接液化和IGFC集成系統(tǒng)將具有廣闊的發(fā)展前景。