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未來燃煤發電的完美技術組合

發布時間:2010.05.12    新聞來源:江蘇新大高空公司    瀏覽次數:

未來燃煤發電的完美技術組合

近年來,隨著全球能源供應的日趨緊張,昔日被認為應該淘汰的煤炭工業重新煥發了生機。有專家預言,在未來幾十年里,煤炭在世界能源體系乃至全球經濟和社會發展中將扮演著重要角色。然而,燃煤產生的大量二氧化碳排放使地球溫室效應明顯加劇,導致全球氣溫變暖問題日顯突出。既要使用煤炭,又要減少二氧化碳的排放,世界各國的科研人員為如何解決這一“矛”與“盾”問題,開展了史無前例的技術創新研究。

目前,碳捕捉及封存技術(CCS)和整體煤氣化聯合循環技術(IGCC)被認為是最有潛力的技術,二者結合,將能實現二氧化碳的零排放,大大提高燃煤效率。

燃煤與溫室效應的矛盾

有資料顯示,2004年世界煤炭探明儲量為9090.64億噸,其中美國獨占世界煤炭儲量的27.1%,俄羅斯和中國分別居第二位(17.3%)和第三位(12.6%)。以目前的開采速度計算,全球現有的石油儲量可供生產50年,天然氣可供應70年,而煤炭則可供應164年。

可見,煤炭是最豐富的化石能源,因此,近年來使用煤炭做燃料在美國和西方國家迅速增長,煤炭占每年世界一次性能源的消費量超過25%,在各種能源消費量中僅次于石油。有專家預言,由于煤廉價又儲藏豐富,未來熱電站將主要以煤炭為燃料。在2003年至2030年之間,美國建成的以煤炭為燃料的發電站,總容量將達280.5吉瓦。

然而,日益加劇的全球氣溫變暖問題使許多人認為,煤炭利用與環境保護之間是矛盾的,認為煤炭是污染之源,是最大的溫室氣體排放源。此外,煤炭利用效率比石油和天然氣低20%到30%,應屬于落后能源。同時,使用煤炭還會帶來一系列“后遺癥”,如冰山融化、有毒物質排放和采煤礦工傷亡等問題。

但多年來,人們的探索與實踐證明,煤炭的污染物是可以清除的,煤炭的利用效率也可以大幅提高,大量削減二氧化碳排放也是能夠實現的。近年來快速發展起來的潔凈煤技術,應當有望解決燃煤與溫室效應的“矛”與“盾”問題。

CCS技術

目前,全球最公認的降低二氧化碳排放方法是CCS(碳捕捉及封存技術)。該技術要求首先對燃煤發電中產生的二氧化碳進行捕捉和收集,這與能源行業及其他工業活動中,在高壓下收集濃縮二氧化碳氣流的方法非常類似。

二氧化碳的收集有3種方式:后燃燒系統、預燃燒系統和加氧燃燒。操作條件決定收集方式。后燃燒收集碳的技術同現已大規模用于天然氣分離二氧化碳的技術相似;預燃燒收集碳技術現已大規模應用于生產氫氣;加氧燃燒收集二氧化碳的技術還處于示范階段。

收集到的二氧化碳必須運送到一個合適的場所進行封存。在技術層面上,使用管線或者船舶就可以運送二氧化碳,而二氧化碳在30℃和5個大氣壓條件下就可以保持液態。二氧化碳存儲方式又分成4種:一是通過化學反應將二氧化碳轉化成固體無機碳酸鹽;二是工業直接應用,或作為多種含碳化學品的生產原料;三是注入海洋1000米深處以下;四是注入地下巖層。第四種方式最具潛力,向地層深處注入二氧化碳的技術,在很多方面與油氣工業已開發成功的技術相同,有些技術從上世紀80年代末就開始使用了。

適宜封存二氧化碳的地層有3種:不可開采的煤層裂縫、衰竭的油氣層和深鹽水層。向衰竭或將要衰竭的油氣層注入二氧化碳是最有吸引力的選擇,因為它可將CCS和提高采收率技術聯系在一起。

研究表明,我們生存的地球可封存不少于2萬億噸的二氧化碳,地下封存可能出現的危險,包括二氧化碳的突然爆發和逐漸滲透。

目前,人們對二氧化碳的捕捉及封存已經積累了大量經驗,比如,利用二氧化碳提高采油技術已廣泛應用于美國二疊紀盆地、加拿大的韋伯恩油田和挪威的斯雷普納等油田。CCS技術用于燃煤電站的主要基礎設備也能夠在工業上進行生產,但完整的技術系統還沒有,現在需要的是大型CCS示范項目為未來發展鋪平道路。

兩大技術珠聯璧合

使用煤炭最多的行業是發電,因此,解決燃煤發電中二氧化碳的問題成了最主要的任務,而目前最具潛力的技術是IGCC(煤氣化聯合循環發電技術)。

該技術是一種先進的動力系統,它可將煤氣化技術和高效聯合循環相結合。它由兩大部分組成,即煤的氣化與凈化部分和燃氣―蒸汽聯合循環發電部分。第一部分的主要設備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設備;第二部分的主要設備有燃氣輪機發電系統、余熱鍋爐、蒸汽輪機發電系統。

IGCC的工藝過程如下:煤經氣化成為中低熱值煤氣,經過凈化,除去煤氣中的硫化物、氮化物和粉塵等污染物,變為清潔的氣體燃料,然后送入燃氣輪機的燃燒室燃燒,被加熱的氣體用于驅動燃氣作功,燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水,產生過熱蒸汽驅動蒸汽輪機作功。

一般的熱電站,通常會在普通大氣壓下利用鍋爐燃燒煤炭,煤炭燃燒產生的熱將水變成蒸汽,再通過渦輪機轉化成電能。現代電廠中,燃燒煤產生的廢氣,會通過其他設備去除硫與氮的成分,最后經煙囪排出。在去除一般污染物后,可以再從其中抽出二氧化碳。由于廢氣中大部分是氮,二氧化碳占的含量比較低,因此,這樣處理二氧化碳的方式既耗能又昂貴。

而在IGCC系統中則不燃燒煤,而是讓煤在與空氣隔絕的高壓氧化爐中與有限的氧和蒸汽一同作用,氧化過程中形成的合成氣體,主要成分是一氧化碳與氫,并不含氮。同時,利用IGCC技術,從合成氣體中也去除了大部分的一般污染物,再加以燃燒,產生的氣體用于獲得水蒸氣,推動渦輪機運轉。這一過程稱為復合式循環。

因此,可以在IGCC技術中利用CCS方法,對生產過程中的碳進行捕捉和封存,使IGCC有可能成為未來極低排放發電系統的最佳方法,并成為氫能經濟的一部分。

在設有捕捉二氧化碳程序的IGCC電廠中,合成氣體脫離氣化爐,經過冷卻并去除粒子后,與蒸汽發生作用,產生的主成分為二氧化碳和氫的混合氣體。這里二氧化碳被捕捉,經過壓縮和干燥,最后運輸到封存地。剩余的含氫氣體,再被燃燒用于發電。

研究發現,與傳統的燃煤發電中捕捉和封存二氧化碳的技術相比,使用高品質煤的IGCC電站,捕捉二氧化碳所消耗的能量少、成本也低。另外,汽化系統是在高壓和高濃度狀態下抽去二氧化碳,比傳統的方法要容易得多;收集二氧化碳過程中的高壓,也對道輸送二氧化碳有很大幫助。

整體上說,如果在燃煤發電中采用CCS技術,生產每一度電所需消耗的煤可比在傳統電廠中要多消耗30%,比在IGCC電站中要少消耗20%。美國正在設計建設應用CCS技術的IGCC的電站,這將是世界第一座零排放燃煤發電廠。

目前IGCC發電技術正處于第二代技術的成熟階段,燃氣輪機初溫達到1288攝氏度,單機容量可望超過400兆瓦。世界在建和擬建的IGCC電站24座,總容量8400兆瓦。荷蘭的BAGGENUM電站已于1994年投入運行,美國WABASHRIVER電站及TAMPA電站、西班牙的PUERTOLLANO電站已于1997年前相繼投入試生產。

呼喚政策支持

然而,今天,大多數燃煤發電企業在計劃建設的新電站中,并沒有使用CCS技術,因為應用CCS技術的成本比較高。應用CCS技術的成本取決于電站的類型、封存二氧化碳的場所與電站的距離、巖層的性質等因素。有研究機構對使用CCS技術的IGCC電站兩種情況進行了評估,結果發現,如果將二氧化碳封存在距離電站100千米的地下鹽水層中,生產1度電的成本比直接排放二氧化碳到大氣要增加1.9%;如果將捕捉的二氧化碳用于100千米外的采油井,只要石油的價格不低于每桶35美元,電站的成本不會增加。

另外,大多數企業認為,目前的政策也不能使應用CCS技術的企業降低成本,達到最大贏利。比如,只有對二氧化碳的排放處罰不少于每噸25美元到35美元,那些將二氧化碳出售給采油企業的電站才能不虧損,但許多國家在制訂的政策中,對二氧化碳排放處罰力度比較低。

但大多數燃煤企業已經認識到,環境保護的要求和現實性遲早會迫使企業應用CCS技術,雖然在計劃建設的新電站中沒有應用CCS技術,但對未來使用CCS技術做好了準備,也就是說,一旦需要,就可以投入使用。

這就意味著,CCS技術本身不是一個限制性因素,而關鍵的因素則是經濟激勵,此外還需要政策的大力支持。

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