潔凈燃煤減排技術(shù)的發(fā)展前景
摘要:文章評述了目前世界燃煤發(fā)電的CO2減排技術(shù)前景以及潔凈燃煤技術(shù)的發(fā)展情況，并對我國燃煤技術(shù)減排的情況進行了展望。
關(guān)鍵詞:潔凈燃煤;減排技術(shù);碳捕集和封存;CO2減排
1 世界CO2減排技術(shù)發(fā)展展望
燃煤電廠每年向空氣中排放大量的CO2，是造成溫室效應(yīng)的主要原因之一，而煤炭發(fā)電量現(xiàn)占世界電力供應(yīng)量的40%，隨著全球發(fā)電能力的增長，此比例將保持穩(wěn)定。燃煤發(fā)電能力有望到2030年翻一番，除非有新的技術(shù)應(yīng)用，否則CO2的排放量增大將會對全球環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。
英國某咨詢機構(gòu)在2007年7月下旬發(fā)布的“潔凈煤的未來：新技術(shù)和法規(guī)對燃煤發(fā)電經(jīng)濟性的影響”報告中展示了潔凈燃煤減排的未來發(fā)展前景。報告評述了新技術(shù)在短期、中期和長期內(nèi)對燃煤發(fā)電的影響。主要觀點如下：
（1）到2030年，煤炭發(fā)電量仍將占全球電力供應(yīng)量的40%，這將使全球燃煤能力增長50%～100%；
（2）到2020年，中國煤炭發(fā)電能力將達到66GW，印度將達到160GW。美國到2030年將新增發(fā)電能力100～150GW，而歐盟需求則可能下降；
（3）為了降低CO2排放，短期內(nèi)（到2020年）可通過增加使用基于臨界和超臨界粉煤技術(shù)的高效燃煤發(fā)電廠來滿足需求；
（4）2020年后，CO2捕集與封存技術(shù)將進入市場，將建設(shè)實際上的零排放燃煤電廠。發(fā)展進程將取決于溫室氣體控制方面的全球性協(xié)議；
（5）燃煤發(fā)電可望與最好的可再生能源技術(shù)相競爭，甚至在扣除碳捕集技術(shù)成本后。
據(jù)美國能源情報署（EIA）發(fā)布的數(shù)據(jù)，美國燃煤電廠的平均CO2排放量為0.95kg/kW·h。
燃煤電廠每年有數(shù)十億噸CO2排向大氣。據(jù)相關(guān)科學(xué)家聯(lián)盟發(fā)布的數(shù)據(jù)，典型的燃煤電廠每年會產(chǎn)生370萬噸CO2。2008年芝加哥氣候變化交易的合同價為22.88美元/噸CO2，則此項交易費為8465.6萬美元/年。
美國電力公司于2007年10月中旬宣布，將投資46億美元用于其電廠的污染控制。
潔凈煤發(fā)電的關(guān)鍵是減排溫室氣體。澳大利亞環(huán)境部于2007年7月底表示，如果到2050年左右全球溫室氣體排放減少50%，則世界電力必須由零排放或接近零排放的電廠生產(chǎn)。由于澳大利亞較多地依賴于傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電，因此發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)、實施碳封存是該國實現(xiàn)溫室氣體減排目標的關(guān)鍵。澳大利亞將在世界上領(lǐng)先發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)。分析人士指出，到2050年，世界上幾乎所有的電站都將實現(xiàn)零排放或接近零排放。
2 潔凈燃煤技術(shù)的發(fā)展
潔凈煤技術(shù)（CCT）由于可減少燃煤發(fā)電的CO2排放，已成為工業(yè)關(guān)注的熱點。煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2是造成全球變暖的主要因素之一。燃煤工業(yè)正在承受減排CO2的壓力。許多國家和公司對潔凈煤技術(shù)的開發(fā)和市場化給予了極大的關(guān)注。而大多數(shù)CCT尚未獲得商業(yè)規(guī)模的驗證。絕大多數(shù)CCT過程都涉及到碳捕集和封存（CCS）技術(shù)。人們正在關(guān)注將CO2貯存在地層中，如油氣田、未開采的煤層和鹽水深層中，也可望在深海地層中貯存CO2。
碳捕集技術(shù)包括煙氣洗滌或“oxyfuel”方法（即氧燃燒方法）。煙氣洗滌涉及用化學(xué)洗滌器處理來自煤炭燃燒的煙氣，以去除SO2，并將所得到的溶劑再加熱，以釋放出高純度的CO2，用于封存；在‘oxyfuel’方法中，煤炭是在氧氣而不是在空氣條件下燃燒，以減少系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體數(shù)量，所排放的氣體中含80%以上CO2，易于分離和捕集。
潔凈煤燃燒的其他途徑是將生物質(zhì)和作物或林業(yè)廢棄物與煤混燒，或者采用一體化氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）。IGCC過程將煤通過化學(xué)預(yù)處理，并轉(zhuǎn)化為合成氣，然后燃燒發(fā)電。IGCC裝置效率較高，而現(xiàn)在的高效燃煤裝置效率只有37%～43%。
即便如此，采用上述兩種方案的CCT仍不能滿足要求。從環(huán)境角度出發(fā)，當今的煤炭燃燒仍然沒有做到充分的“潔凈”，要想實現(xiàn)這一目標需采用高成本的CCT才行。
歐盟于2003年所作的一項研究，估算了燃煤電廠采用CCS技術(shù)的成本，捕集CO2的成本范圍為30～71美元/噸CO2，電力成本提高43%～91%。其成本范圍較寬是因考慮了與地區(qū)有關(guān)的因素，如封存地點的距離、深度和地質(zhì)特征。2005年英國所作的一項研究，估算了建設(shè)一座500MW的IGCC工廠的投資為6.86億美元，這不包括CCS技術(shù)，如采用CCS技術(shù)則需投資9.30億美元。應(yīng)用CCS技術(shù)改造現(xiàn)有工廠的費用甚至?xí)哂谛陆ǖ馁M用。支持CCT應(yīng)用的人們期望通過碳交易計劃為開發(fā)這些方案提供足夠的吸引力。然而，現(xiàn)在大多數(shù)的碳交易價格遠低于60歐元/噸，因此有必要使投資更為經(jīng)濟合理。
英國發(fā)電商Scottish電力公司于2007年5月進行了可行性研究，將改造其兩個最大的發(fā)電站，建設(shè)歐洲最大的潔凈煤項目。Alstom電力公司和Doosan Babcock公司將為應(yīng)用于Longannet和Cockenzie電廠的超臨界透平和鍋爐提供設(shè)計，超臨界透平和鍋爐在超高溫和高壓下燃燒煤炭。兩座電廠的碳排放將減少20%，總發(fā)電能力達3390MW，超過蘇格蘭電力需求的1/4。該潔凈煤項目的建設(shè)將于2009年開始，2012年投運。該發(fā)電站也在Longannet電廠設(shè)計采用碳捕集技術(shù)，將電廠排放的CO2注入地下煤層深處，用以驅(qū)趕煤層氣，再將煤層氣用作燃料。
目前，尚沒有捕集所有CO2的燃煤電站在進行商業(yè)化生產(chǎn)，潔凈煤發(fā)電站實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計還將需要15～20年的時間。
美國普萊克斯公司與福斯特惠勒公司于2007年9月中旬宣布，將聯(lián)手開發(fā)潔凈煤驗證項目。該項目將使?jié)崈裘杭夹g(shù)與一體化氧–煤燃燒系統(tǒng)組合到燃煤發(fā)電廠中，以幫助捕集和封存CO2。組合采用兩家公司的技術(shù)和系統(tǒng)經(jīng)驗，將使這類燃煤發(fā)電廠比類似規(guī)模的常規(guī)燃煤電廠減少CO2排放90%以上。這類發(fā)電廠可采用與煤一起燃用的燃料如生物質(zhì)和石油焦，可以同樣取得減排CO2的效果。按照這項合同，福斯特惠勒公司將開發(fā)和供應(yīng)利用氧–煤燃燒技術(shù)的蒸汽鍋爐，并將其設(shè)置在新建的或現(xiàn)有的燃煤電廠中。氧–煤燃燒技術(shù)可從蒸汽鍋爐得到高濃度的CO2氣流，有利于碳的捕集和封存。據(jù)福斯特惠勒公司預(yù)計，其氧–煤燃燒技術(shù)的第一次應(yīng)用將涉及該公司的循環(huán)流化床（CFB）蒸汽鍋爐，該CFB鍋爐現(xiàn)已以其高效、靈活和排放相對較低的特點而應(yīng)用于全球市場。福斯特惠勒公司預(yù)計，氧–煤燃燒技術(shù)將能很好地應(yīng)用于粉煤蒸汽鍋爐。福斯特惠勒北美公司已完成中型和小型氧–煤燃燒試驗。普萊克斯公司在開發(fā)先進的基于氧氣的燃燒和氣體加工技術(shù)方面已有很長歷史，為許多工業(yè)用戶帶來了很大的生產(chǎn)和環(huán)境效益。對于這一項目，普萊克斯公司將提供上游供氧設(shè)施，使用其設(shè)計、工程和建設(shè)經(jīng)驗，建設(shè)大型制冷空分裝置，以生產(chǎn)潔凈煤項目所必須的大量氧氣。普萊克斯公司也以其作為世界領(lǐng)先的CO2供應(yīng)商之一的經(jīng)驗，將提供下游CO2捕集和氣體加工技術(shù)和設(shè)備。兩家公司將在紐約Jamestown公用事業(yè)局的支持下聯(lián)合完成這一商業(yè)化驗證項目，這將是美國此類的第一個項目，將為未來的能源開發(fā)提供國際化經(jīng)驗。
普萊克斯公司與西班牙Fundacion Ciudad能源（CIUDEN）公司合作，采用先進技術(shù)設(shè)置中型裝置開發(fā)潔凈煤項目，使位于西班牙北部El Bierzo的燃煤2 潔凈燃煤技術(shù)的發(fā)展
潔凈煤技術(shù)（CCT）由于可減少燃煤發(fā)電的CO2排放，已成為工業(yè)關(guān)注的熱點。煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2是造成全球變暖的主要因素之一。燃煤工業(yè)正在承受減排CO2的壓力。許多國家和公司對潔凈煤技術(shù)的開發(fā)和市場化給予了極大的關(guān)注。而大多數(shù)CCT尚未獲得商業(yè)規(guī)模的驗證。絕大多數(shù)CCT過程都涉及到碳捕集和封存（CCS）技術(shù)。人們正在關(guān)注將CO2貯存在地層中，如油氣田、未開采的煤層和鹽水深層中，也可望在深海地層中貯存CO2。
碳捕集技術(shù)包括煙氣洗滌或“oxyfuel”方法（即氧燃燒方法）。煙氣洗滌涉及用化學(xué)洗滌器處理來自煤炭燃燒的煙氣，以去除SO2，并將所得到的溶劑再加熱，以釋放出高純度的CO2，用于封存；在‘oxyfuel’方法中，煤炭是在氧氣而不是在空氣條件下燃燒，以減少系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體數(shù)量，所排放的氣體中含80%以上CO2，易于分離和捕集。
潔凈煤燃燒的其他途徑是將生物質(zhì)和作物或林業(yè)廢棄物與煤混燒，或者采用一體化氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）。IGCC過程將煤通過化學(xué)預(yù)處理，并轉(zhuǎn)化為合成氣，然后燃燒發(fā)電。IGCC裝置效率較高，而現(xiàn)在的高效燃煤裝置效率只有37%～43%。
即便如此，采用上述兩種方案的CCT仍不能滿足要求。從環(huán)境角度出發(fā)，當今的煤炭燃燒仍然沒有做到充分的“潔凈”，要想實現(xiàn)這一目標需采用高成本的CCT才行。
歐盟于2003年所作的一項研究，估算了燃煤電廠采用CCS技術(shù)的成本，捕集CO2的成本范圍為30～71美元/噸CO2，電力成本提高43%～91%。其成本范圍較寬是因考慮了與地區(qū)有關(guān)的因素，如封存地點的距離、深度和地質(zhì)特征。2005年英國所作的一項研究，估算了建設(shè)一座500MW的IGCC工廠的投資為6.86億美元，這不包括CCS技術(shù)，如采用CCS技術(shù)則需投資9.30億美元。應(yīng)用CCS技術(shù)改造現(xiàn)有工廠的費用甚至?xí)哂谛陆ǖ馁M用。支持CCT應(yīng)用的人們期望通過碳交易計劃為開發(fā)這些方案提供足夠的吸引力。然而，現(xiàn)在大多數(shù)的碳交易價格遠低于60歐元/噸，因此有必要使投資更為經(jīng)濟合理。
英國發(fā)電商Scottish電力公司于2007年5月進行了可行性研究，將改造其兩個最大的發(fā)電站，建設(shè)歐洲最大的潔凈煤項目。Alstom電力公司和Doosan Babcock公司將為應(yīng)用于Longannet和Cockenzie電廠的超臨界透平和鍋爐提供設(shè)計，超臨界透平和鍋爐在超高溫和高壓下燃燒煤炭。兩座電廠的碳排放將減少20%，總發(fā)電能力達3390MW，超過蘇格蘭電力需求的1/4。該潔凈煤項目的建設(shè)將于2009年開始，2012年投運。該發(fā)電站也在Longannet電廠設(shè)計采用碳捕集技術(shù)，將電廠排放的CO2注入地下煤層深處，用以驅(qū)趕煤層氣，再將煤層氣用作燃料。
目前，尚沒有捕集所有CO2的燃煤電站在進行商業(yè)化生產(chǎn)，潔凈煤發(fā)電站實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計還將需要15～20年的時間。
美國普萊克斯公司與福斯特惠勒公司于2007年9月中旬宣布，將聯(lián)手開發(fā)潔凈煤驗證項目。該項目將使?jié)崈裘杭夹g(shù)與一體化氧–煤燃燒系統(tǒng)組合到燃煤發(fā)電廠中，以幫助捕集和封存CO2。組合采用兩家公司的技術(shù)和系統(tǒng)經(jīng)驗，將使這類燃煤發(fā)電廠比類似規(guī)模的常規(guī)燃煤電廠減少CO2排放90%以上。這類發(fā)電廠可采用與煤一起燃用的燃料如生物質(zhì)和石油焦，可以同樣取得減排CO2的效果。按照這項合同，福斯特惠勒公司將開發(fā)和供應(yīng)利用氧–煤燃燒技術(shù)的蒸汽鍋爐，并將其設(shè)置在新建的或現(xiàn)有的燃煤電廠中。氧–煤燃燒技術(shù)可從蒸汽鍋爐得到高濃度的CO2氣流，有利于碳的捕集和封存。據(jù)福斯特惠勒公司預(yù)計，其氧–煤燃燒技術(shù)的第一次應(yīng)用將涉及該公司的循環(huán)流化床（CFB）蒸汽鍋爐，該CFB鍋爐現(xiàn)已以其高效、靈活和排放相對較低的特點而應(yīng)用于全球市場。福斯特惠勒公司預(yù)計，氧–煤燃燒技術(shù)將能很好地應(yīng)用于粉煤蒸汽鍋爐。福斯特惠勒北美公司已完成中型和小型氧–煤燃燒試驗。普萊克斯公司在開發(fā)先進的基于氧氣的燃燒和氣體加工技術(shù)方面已有很長歷史，為許多工業(yè)用戶帶來了很大的生產(chǎn)和環(huán)境效益。對于這一項目，普萊克斯公司將提供上游供氧設(shè)施，使用其設(shè)計、工程和建設(shè)經(jīng)驗，建設(shè)大型制冷空分裝置，以生產(chǎn)潔凈煤項目所必須的大量氧氣。普萊克斯公司也以其作為世界領(lǐng)先的CO2供應(yīng)商之一的經(jīng)驗，將提供下游CO2捕集和氣體加工技術(shù)和設(shè)備。兩家公司將在紐約Jamestown公用事業(yè)局的支持下聯(lián)合完成這一商業(yè)化驗證項目，這將是美國此類的第一個項目，將為未來的能源開發(fā)提供國際化經(jīng)驗。
普萊克斯公司與西班牙Fundacion Ciudad能源（CIUDEN）公司合作，采用先進技術(shù)設(shè)置中型裝置開發(fā)潔凈煤項目，使位于西班牙北部El Bierzo的燃煤發(fā)電廠進行CO2捕集，項目初期階段將于2009年中期完成。在將采用的氧–煤燃燒技術(shù)中，利用了純氧代替空氣引入鍋爐，產(chǎn)生高濃度的CO2氣流，從而可經(jīng)濟地將其捕集。普萊克斯公司提供上游氧供應(yīng)設(shè)施、氧氣混合與注入技術(shù)、下游CO2捕集和氣體加工技術(shù)與設(shè)備，以及用于發(fā)電系統(tǒng)的整個控制系統(tǒng)集成。
3 我國燃煤減排技術(shù)發(fā)展前景
我國是世界上少數(shù)幾個以煤炭為主要能源的國家之一，除燃煤大量排放CO2外，據(jù)統(tǒng)計，我國90%二氧化硫、67%氮氧化物、70%煙塵排放量也來自于煤炭的燃燒。其中，燃煤電站、燃煤工業(yè)鍋爐、燃煤爐窯等煙氣排放污染問題最為突出。依靠我國大氣污染控制方面的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和系統(tǒng)集成，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃煤電站、燃煤工業(yè)鍋爐、燃煤爐窯等煙氣排放污染物控制技術(shù)與設(shè)備，對推動我國大氣環(huán)境質(zhì)量改善十分重要。
為落實“十一五”規(guī)劃綱要提出的二氧化硫排放總量削減10%的目標，推動現(xiàn)有燃煤電廠煙氣脫硫工程建設(shè)，我國有關(guān)政府部門印發(fā)了《現(xiàn)有燃煤電廠二氧化硫治理“十一五”規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）！兑(guī)劃》提出：“十一五”期間，現(xiàn)有燃煤電廠需安裝煙氣脫硫設(shè)施1.37億千瓦，共221個項目，可形成二氧化硫減排能力約490萬噸。加上淘汰落后、燃用低硫煤、節(jié)能降耗等措施，到2010年，現(xiàn)有燃煤電廠二氧化硫排放總量由2005年的1300萬噸下降到502萬噸，下降61.4%！兑(guī)劃》的實施，對實現(xiàn)“十一五”時期全國二氧化硫排放總量削減10%的約束性目標和改善全國大氣環(huán)境質(zhì)量將起到?jīng)Q定性作用。
2007年9月，澳大利亞與我國簽署了合作協(xié)議，在2008年進行低排放煤炭能源技術(shù)合作。中國華能集團公司將在華能公司北京聯(lián)產(chǎn)發(fā)電裝置設(shè)置后燃燒碳捕集（PCC）中型裝置。PCC是從電站煙氣捕集二氧化碳的工藝過程，是使現(xiàn)有和未來燃煤電站的CO2排放可望減少85%以上的關(guān)鍵技術(shù)。建在北京的PCC中型裝置設(shè)施成為亞太地區(qū)在清潔開發(fā)和抑制氣候變化計劃（APP）合作的一部分內(nèi)容，該合作第一次于2006年11月接受了PCC研發(fā)資助。低排放能源生產(chǎn)是一個關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。APP有關(guān)PCC的研發(fā)計劃也包括了澳大利亞中部海岸的Delta電力公司Munmorah電站的中型裝置設(shè)施，在澳大利亞其他地區(qū)的PCC設(shè)施和驗證也在考慮之中。
我國煤燃燒節(jié)能減排技術(shù)已取得重要突破。目前國內(nèi)開發(fā)的一種名為CHARNA C的新型煤燃燒催化劑可使燃煤節(jié)約8%～15%，減排二氧化硫25%，如獲推廣將對實現(xiàn)“十一五”規(guī)劃提出的節(jié)能減排目標作出重大貢獻。據(jù)介紹，按2006年鍋爐耗煤16.6億噸、節(jié)煤率10%估算，如果在全國全面推廣這項技術(shù)，一年可形成1.2億噸標準煤的節(jié)能能力，占“十一五”需要形成節(jié)能能力的1/4，一年可減排二氧化硫230萬噸，約占2006年二氧化硫排放量的9%。CHARNA C煤燃燒催化劑是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的環(huán)保高效節(jié)能產(chǎn)品，該催化劑通過改善燃煤燃燒的動力學(xué)特征，提高爐內(nèi)燃煤燃燒速率，使燃燒更充分。同時通過優(yōu)化燃煤顆粒的表面性能，促進煤中灰分與硫氧化物的反應(yīng)，達到脫硫效果。該催化劑開拓了化學(xué)增效的鍋爐節(jié)能新途徑，具有節(jié)省燃料及減排二氧化硫的雙重功效，還能有效減少燃煤鍋爐焦垢生成并脫除焦垢，改善燃燒器的工作狀況。該催化劑已經(jīng)通過了煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工分院的性能測試，中國人民解放軍后勤工程檢測中心的物理性能檢測，以及中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會專家組的評審。目前該催化劑已在重慶、山東、安徽、江蘇、浙江等地數(shù)十家熱電企業(yè)得到了工業(yè)應(yīng)用，效果顯著。重慶攀渝鈦業(yè)循環(huán)流化床鍋爐、山東麗村熱電公司循環(huán)流化床鍋爐、四川瀘州熱電公司煤粉爐等，在沒有任何物理改造的情況下，通過使用這種催化劑節(jié)省燃煤8%～15%，減排二氧化硫25%左右。
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