謝德瑜

（冀中能源峰峰集團(tuán)公司，河北省邯鄲市，056107）

德國(guó)燃煤電站碳減排技術(shù)前瞻

謝德瑜

（冀中能源峰峰集團(tuán)公司，河北省邯鄲市，056107）

介紹了德國(guó)的一系列燃煤電站清潔技術(shù)，可有效地應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的氣候變化的挑戰(zhàn)，并且推進(jìn)世界的可持續(xù)性發(fā)展。

碳捕集 碳減排 碳分離 燃燒

1 可持續(xù)能源供應(yīng)與科學(xué)的 “碳管理”

根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu) （IEA）提供的數(shù)據(jù)，目前的全球能源消耗量正在持續(xù)攀升，預(yù)計(jì)到2050年，全球能源需求量將翻番。中國(guó)、印度和其他新興經(jīng)濟(jì)體不斷發(fā)展的工業(yè)化進(jìn)程以及世界人口的不斷增長(zhǎng)是推動(dòng)這一趨勢(shì)的主要因素。雖然僅有約15%的世界人口居住在工業(yè)國(guó)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(dá)50%。

此外，全球油氣儲(chǔ)量將日益集中在政治不穩(wěn)定的地區(qū)。因此，能源將日益成為國(guó)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(jìn)口。

目前，沒有人能夠完全肯定地預(yù)測(cè)氣候變化產(chǎn)生的后果，但是氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)卻是明確無(wú)疑的。因此，有效的減排戰(zhàn)略是對(duì)未來(lái)進(jìn)行的一項(xiàng)投資——為后代創(chuàng)造繁榮的市場(chǎng)和蓬勃的經(jīng)濟(jì)體系。未來(lái)幾十年的全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展將在很大程度上取決于人類在前進(jìn)過(guò)程中的能源供應(yīng)和利用方式。因此，世界必須擴(kuò)展當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)多元化發(fā)展，特別是提高可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中所占的比重。沒有任何單一的技術(shù)和資源適用于所有地區(qū)并且滿足所有的需求，解決這個(gè)問題的答案就是具有經(jīng)濟(jì)和生態(tài)意義的平衡的能源結(jié)構(gòu)。

盡管已經(jīng)做出了許多努力以促進(jìn)可再生能源的利用，但是在未來(lái)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(lái)，世界需要一種端對(duì)端、高效和可靠的二氧化碳管理系統(tǒng)。目前，德國(guó)正在積極參與一系列工藝技術(shù)的開發(fā)，用以捕集燃煤電站在燃燒過(guò)程中排放的二氧化碳。

2 燃燒前捕集：實(shí)現(xiàn)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(jìn)行燃燒之前，對(duì)二氧化碳和燃料進(jìn)行分離。燃燒前捕集是聯(lián)合循環(huán)電站 （也稱為 “燃?xì)狻羝娬尽保┑纳嫌喂に?，采用純氧?duì)煤炭進(jìn)行氣化。該工藝也被稱為整體煤氣化聯(lián)合循環(huán) （IGCC）。德國(guó)在二氧化碳凈化、液化儲(chǔ)存領(lǐng)域擁有廣泛的專利技術(shù)，同時(shí)還涵蓋空分和煤氣化技術(shù)。

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(guò)程。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)通過(guò)大幅度減少含氮量從而對(duì)氮的問題加以解決。這項(xiàng)創(chuàng)新采用純氧將煤粉轉(zhuǎn)化成主要由一氧化碳和氫組成的合成氣，后續(xù)的一氧化碳變換反應(yīng)，采用蒸汽將大部分一氧化碳轉(zhuǎn)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(duì)二氧化碳進(jìn)行脫硫和壓縮或液化，從而使二氧化碳更加便于運(yùn)輸。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站對(duì)燃?xì)?-蒸汽輪機(jī)進(jìn)行協(xié)同增效，從而實(shí)現(xiàn)極高的發(fā)電效率，因此稱為“聯(lián)合循環(huán)電站”。在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)工藝產(chǎn)生的氫，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生的廢氣流主要由大氣氮和純水蒸氣組成，被用于產(chǎn)生蒸汽，從而為蒸汽輪機(jī)和第二臺(tái)發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)包括相對(duì)較高的發(fā)電效率、可以靈活選用原料以及能夠生產(chǎn)其他有用的產(chǎn)品。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)工藝鏈產(chǎn)生的臨時(shí)合成氣，可用于發(fā)電或生產(chǎn)各種化學(xué)產(chǎn)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(xué)原材料或其他有用產(chǎn)品的基本原料。在采用二氧化碳捕集的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)工藝鏈過(guò)程中產(chǎn)生的氫可以被直接回收。這意味著整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站不僅能夠發(fā)電，還能為氫燃料電池車輛提供動(dòng)力。同時(shí)，生物質(zhì)和廢料還可以取代整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站中的某些煤炭原料。

3 燃燒過(guò)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(huán)煙氣環(huán)境中對(duì)煤炭進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的廢氣主要由二氧化碳和蒸汽組成?？梢韵鄬?duì)方便地分離出高濃度二氧化碳，然后對(duì)氣體進(jìn)行壓縮并且輸送到儲(chǔ)存單元中。在低溫空分以及二氧化碳捕集、清洗和液化領(lǐng)域，德國(guó)已有數(shù)十年的豐富經(jīng)驗(yàn)，這些技術(shù)對(duì)于燃煤電站的富氧燃料試點(diǎn)項(xiàng)目具有非常重要的意義。

在正常空氣中對(duì)煤炭或者天然氣進(jìn)行燃燒時(shí)，將產(chǎn)生大量的煙氣。可以脫除燃?xì)鉅t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(lái)取代正?？諝?，從而形成一個(gè)可控的燃燒環(huán)境，需要一個(gè)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(duì)氮進(jìn)行脫除，然后將氧饋入燃?xì)鉅t，對(duì)煤炭進(jìn)行燃燒。為了對(duì)火焰溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，大部分煙氣被反饋到燃?xì)鉅t中。富氧燃燒工藝的優(yōu)點(diǎn)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(chǎn)生的二氧化碳純度相對(duì)較高，可以通過(guò)冷卻以方便地分離二氧化碳和蒸汽。

德國(guó)林德集團(tuán)正在與瑞典萬(wàn)恩佛歐洲 （Vat-tenfall Europe）技術(shù)研究有限公司 （以下簡(jiǎn)稱“萬(wàn)恩佛”）密切合作，以推進(jìn)富氧燃燒工藝的應(yīng)用。該合作伙伴關(guān)系的目標(biāo)是探索褐煤和礦煤燃燒工藝，并且將這項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化領(lǐng)域推向成熟。2008年9月份，萬(wàn)恩佛在位于德國(guó)勃蘭登堡州的黑泵 （Schwarze Pumpe）褐煤電站現(xiàn)場(chǎng)，將1個(gè)發(fā)電能力為30MW試點(diǎn)設(shè)施投入試運(yùn)行。林德集團(tuán)提供建筑該試點(diǎn)裝置所需的許多部件。萬(wàn)恩佛計(jì)劃于2015年之前，在位于德國(guó)簡(jiǎn)池沃德 （Janschwalde）的褐煤電站建造第二臺(tái)鍋爐。此外，林德集團(tuán)還參與了德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)組織的OXYCOAL-AC協(xié)助項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是研究和推進(jìn)富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用，并將該技術(shù)應(yīng)用于煤粉燃燒。

燃煤電站的產(chǎn)出通常隨著能源需求量發(fā)生波動(dòng)。對(duì)于使用空氣原料的常規(guī)燃煤電站，這并不是問題。但是對(duì)于富氧燃燒電站，氧流必須與電力循環(huán)相一致，否則這些寶貴的氣體將被過(guò)多地浪費(fèi)。為了適應(yīng)負(fù)荷的迅速變化，林德集團(tuán)的工程師們對(duì)富氧燃燒發(fā)電站的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并且改進(jìn)了工藝控制技術(shù)——這些優(yōu)化措施充分發(fā)揮了該公司的核心競(jìng)爭(zhēng)能力。林德集團(tuán)在低溫空分領(lǐng)域擁有數(shù)十年的豐富經(jīng)驗(yàn)，能夠提供成熟的解決方案，甚至能夠?yàn)榇笠?guī)模富氧燃燒電站提供充足的氧流，其中1個(gè)單一管路的產(chǎn)能就高達(dá)10萬(wàn)m3／h。但是氧流也具有不利因素。迄今為止的計(jì)算表明，氧流建設(shè)的投資成本在富氧燃燒電站的投資成本中所占比重高達(dá)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(chǔ)存 （CCS）有關(guān)的約10%的效率損失在很大程度上歸因于氧成本。

為了應(yīng)對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn)，林德集團(tuán)對(duì)低溫空分工藝進(jìn)行了調(diào)整，使之適合富氧燃燒應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)無(wú)需使用高純氧。與常規(guī)空分方法相比，經(jīng)過(guò)調(diào)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(xiàng)創(chuàng)新，采用碳捕集和儲(chǔ)存技術(shù)對(duì)現(xiàn)代化燃煤電站進(jìn)行改造將是難以想象的。

未來(lái)，陶瓷自熱回收 （CAR）是另一項(xiàng)能夠降低氧成本的極具應(yīng)用前景的技術(shù)。在600～800℃的溫度條件下，空氣經(jīng)由一個(gè)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(shí)氮和痕量氣體流經(jīng)吸收床。當(dāng)?shù)V物床中飽含氧之后，使用二氧化碳和蒸汽對(duì)礦物床進(jìn)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(gè)缺點(diǎn)——需要大量的能源產(chǎn)生礦物床中所需的高溫以保持熱流程，同時(shí)必須采用與原料空氣混合的燃燒氣提供熱能。林德集團(tuán)在2006年建造了1個(gè)產(chǎn)能為0.7 t／d的氧陶瓷自熱回收試驗(yàn)單元，目前正在與美國(guó)亞利桑那州大學(xué)以及鈣鈦礦制造廠商進(jìn)行合作，積極推進(jìn)研發(fā)工作，并對(duì)鈣鈦礦的性質(zhì)進(jìn)行深入研究。

4 燃燒后捕集：對(duì)二氧化碳進(jìn)行洗滌

二氧化碳洗滌是對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫之后，采用洗滌劑分離常規(guī)燃煤電站排放的二氧化碳。二氧化碳洗滌工藝是適于對(duì)現(xiàn)有燃煤電站進(jìn)行改造的唯一方法，因此在推進(jìn)碳捕集和儲(chǔ)存技術(shù)的應(yīng)用方面具有特別重要的意義。多年來(lái)，煤化工行業(yè)采用二氧化碳洗滌工藝回收作為生產(chǎn)流程副產(chǎn)品產(chǎn)生的二氧化碳，使之可應(yīng)用于飲料和化肥行業(yè)。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(guī)煙氣凈化系統(tǒng)下游。

燃燒后捕集的核心是吸收器。在吸收器中，此前經(jīng)過(guò)脫硫的煙氣與洗滌劑逆流接觸，通過(guò)胺類（有機(jī)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(guò)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(duì)二氧化碳和液體進(jìn)行分離，然后對(duì)液體進(jìn)行冷卻并且反饋到吸收器中，重新開始洗滌循環(huán)。

2009年夏季以來(lái)，德國(guó)能源供應(yīng)企業(yè)——RWE電力公司在尼德奧塞姆 （Niederaussem）褐煤電站對(duì)該工藝進(jìn)行了試點(diǎn)，并計(jì)劃于2020年之前將二氧化碳捕集投入褐煤電站的商業(yè)應(yīng)用。由于萃取效率超過(guò)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(chǔ)存在地下。

林德集團(tuán)擁有高科技天然氣液化和空分裝置領(lǐng)域的核心能力以及在氫、合成氣和烯烴裝置領(lǐng)域的廣泛工程專長(zhǎng)。林德集團(tuán)工程事業(yè)部正在運(yùn)用該集團(tuán)在化工裝置工程領(lǐng)域的專有技術(shù)及其在氣體洗滌領(lǐng)域逾50年積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，積極推進(jìn)二氧化碳洗滌工藝的應(yīng)用。盡管這并不是一項(xiàng)全新的技術(shù)，但是仍然需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，使之能夠滿足、適合燃煤電站的具體要求。

在試點(diǎn)裝置的建設(shè)過(guò)程中，需要應(yīng)對(duì)諸多挑戰(zhàn)。例如在煤化工行業(yè)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(duì)化學(xué)洗滌工藝加以改進(jìn)。此外，電力行業(yè)要求達(dá)到更高的能效水平，試點(diǎn)合作伙伴希望開發(fā)出新的改進(jìn)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(diǎn)裝置供應(yīng)洗滌劑，林德集團(tuán)位于德國(guó)德累斯頓的子公司——LKCA按照化工企業(yè)的規(guī)范要求建造洗滌設(shè)施。2010年1月份，雙方同意共同對(duì)捕集煙氣中二氧化碳的技術(shù)進(jìn)行市場(chǎng)推廣，目標(biāo)市場(chǎng)主要集中在需要使用二氧化碳提高采油率的中東地區(qū)。在位于尼德奧塞姆褐煤電站的試點(diǎn)裝置進(jìn)行的試驗(yàn)將持續(xù)到2013年。根據(jù)試驗(yàn)方案的技術(shù)和商務(wù)結(jié)果，RWE電力公司屆時(shí)將決定是否建造1個(gè)捕集能力高達(dá)100萬(wàn)t／a二氧化碳的完整的示范裝置。該裝置將為整個(gè)二氧化碳洗滌鏈 （從捕集和運(yùn)輸直至儲(chǔ)存）提供概念驗(yàn)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(xiàn)場(chǎng)。

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(jí)工程師，現(xiàn)任冀中能源峰峰集團(tuán)公司副總經(jīng)理，長(zhǎng)期從事煤礦生產(chǎn)和管理工作。

（責(zé)任編輯 溫子伯）