張啟陽(yáng)，黃鳳敏，2，陸詩(shī)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(yíng) 257026;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580)

近年來(lái)，CO2等溫室氣體的排放量急劇增多，依據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)(IPCC)的第五次報(bào)告，近130 年來(lái)，全球的平均氣溫上升了0.85 ℃左右，因此人類(lèi)必須要采取積極措施行動(dòng)起來(lái)，采取經(jīng)濟(jì)、政治、技術(shù)、資金等措施進(jìn)行減排，應(yīng)對(duì)人類(lèi)生存的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

目前，世界上許多工業(yè)化國(guó)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(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)狀況將會(huì)長(zhǎng)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(guó)家總理在召開(kāi)的國(guó)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(guó)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(jiǎn)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(guò)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(duì)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(guò)預(yù)處理，經(jīng)氣化爐氣化產(chǎn)生粗煤氣，經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiàn)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(lèi)型［9］:①?lài)娏鞔矚饣癄t，典型的包括美國(guó)的Texaco 爐、荷蘭的Shell 爐、德國(guó)的Krupp-Kropper 爐等;②流化床氣化爐，例如美國(guó)的Krw 爐、U-gas 爐;③固定床氣化爐，代表性的當(dāng)屬英國(guó)Lurgi 公司的BG/L 爐。

2.1 國(guó)內(nèi)IGCC 工程發(fā)展

我國(guó)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(guò)高和氣化爐等關(guān)鍵技術(shù)不能克服，再者國(guó)家沒(méi)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(guó)家落后了近十年的時(shí)間。

國(guó)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(guó)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(jī)［12］。

(1)2009 年7 月，中國(guó)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(kāi)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(guó)賓夕法尼亞州未來(lái)燃料公司特別引進(jìn)了華能自主開(kāi)發(fā)的兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)，這是我國(guó)煤氣化技術(shù)首次進(jìn)入發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)，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(guó)內(nèi)的大唐、華電、國(guó)電、中電投、神華、國(guó)開(kāi)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(jí)“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)?；?、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(yáng)IGCC 多聯(lián)產(chǎn)工程，同時(shí)廣東深圳的IGCC 項(xiàng)目也已開(kāi)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(guó)電集團(tuán)山東煙臺(tái)IGCC 示范項(xiàng)目，由于資金和效益問(wèn)題，目前已經(jīng)取消［18］。

2.2 國(guó)外IGCC 工程發(fā)展

自美國(guó)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(guó)、加拿大，亞洲包括韓國(guó)、澳大利亞、日本，歐洲的英國(guó)、德國(guó)等世界發(fā)達(dá)國(guó)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(wàn)t CO2，捕集的CO2將通過(guò)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(kāi)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(guó)提出的“未來(lái)發(fā)電(FutureGen)”計(jì)劃，將在美國(guó)建立不低于300 MW 等級(jí)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(wàn)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(jí)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(guó)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(guó)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(wàn)t CO2，白玫瑰項(xiàng)目是通過(guò)歐盟NER300 計(jì)劃第二輪被支持申請(qǐng)資金的CCS 項(xiàng)目。

3 IGCC+CCS 技術(shù)發(fā)展存在的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

3.1 存在的問(wèn)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(lèi)似法律法規(guī)的保障，目前我國(guó)對(duì)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(guó)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(guó)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(lái)推動(dòng)IGCC 的商業(yè)化運(yùn)行。

3.1.2 資金問(wèn)題 IGCC 和CCS 在我國(guó)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(kāi)始商業(yè)化推廣，初期需要較高的資金投入，因此，對(duì)于“綠色煤電”這種國(guó)家能源戰(zhàn)略?xún)?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(guó)外已有的IGCC 項(xiàng)目看，基本都是由各國(guó)政府主導(dǎo)并部分投資。例如，美國(guó)政府對(duì)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(guó)的天津IGCC 項(xiàng)目?jī)H從科技部863 計(jì)劃中獲得了數(shù)千萬(wàn)元的科研經(jīng)費(fèi)資助，大部分投資由華能牽頭的國(guó)內(nèi)企業(yè)承擔(dān)。

3.1.3 跨行業(yè)、跨區(qū)域合作問(wèn)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(mén)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

3.1.4 電價(jià)過(guò)高問(wèn)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(guó)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(kāi)展國(guó)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(yǔ)

IGCC 是一種清潔的煤發(fā)電技術(shù)，符合21 世紀(jì)人類(lèi)節(jié)能減排的發(fā)展方向。IGCC 技術(shù)在中國(guó)應(yīng)用推廣的前景非常廣闊，我國(guó)“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(guó)際同類(lèi)項(xiàng)目同時(shí)起步，具有高起點(diǎn)、自主創(chuàng)新性等優(yōu)勢(shì)。我國(guó)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(kāi)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)。

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