0 前 言
在過去的30年,國(guó)內(nèi)外的潔凈煤發(fā)電技術(shù)在能源轉(zhuǎn)換效率、減排常規(guī)污染物方面取得了顯著的成就。但是,適合當(dāng)前能源資源與環(huán)境約束條件的潔凈煤發(fā)電技術(shù),在未來的資源與環(huán)境制約下未必就是最優(yōu)的選擇。由于礦物燃料燃燒而排放的大量CO2,已經(jīng)并將持續(xù)對(duì)全球的氣候環(huán)境造成前所未有的影響,使人類社會(huì)面臨著巨大的生存環(huán)境惡化的威脅。國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),到2050年前,如果還采用當(dāng)今傳統(tǒng)燃煤技術(shù),人類將不能在地球上繼續(xù)使用碳基化石燃料。
因此,在未來的潔凈煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展中,即要提高能源的轉(zhuǎn)換效率、減排常規(guī)污染物,也必須整合CO2的減排、捕集與封存,需要考慮減排污染物、汞與CO2的經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)配合,有望形成以控制CO2排放為基本出發(fā)點(diǎn)的未來潔凈煤發(fā)電技術(shù),以此為特征的新一代潔凈煤發(fā)電技術(shù)意味著將來巨大的技術(shù)與商業(yè)市場(chǎng)。新建或已建傳統(tǒng)燃燒煤粉電廠的改進(jìn)與改造也均面臨巨大的挑戰(zhàn)。
1 煤的氣化技術(shù)
煤氣化技術(shù)的迅猛發(fā)展是從20世紀(jì)70年代開始的,經(jīng)歷了兩次重大技術(shù)突破,第一次是由于出現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)制氧裝置而采用氧氣代替空氣進(jìn)行工業(yè)煤氣化;第二次是采用高壓煤氣化工藝。
煤氣化合成氣具有突出的潔凈利用與燃燒優(yōu)勢(shì),但煤氣化過程與利用依然產(chǎn)生CO2,以前未被關(guān)注的CO2問題,已經(jīng)變得十分突出,必須考慮將分離CO2作為煤合成氣燃料生產(chǎn)中一個(gè)不可缺少的組成部分,將合成煤氣進(jìn)一步變換為富氫燃料氣。分離CO2會(huì)提高生產(chǎn)成本,由于煤氣化是在氧氣與高壓條件下進(jìn)行,分離與捕集CO2的費(fèi)用遠(yuǎn)比從燃燒煙氣中捕集CO2的費(fèi)用低得多。
隨著煤氣化技術(shù)的發(fā)展,盡管大規(guī)模工業(yè)制氧技術(shù)成熟,但制氧成本仍然居高不下,另一方面,采用氧氣氣化需要部分煤的氧化來提供氣化過程所需的熱量。未來的煤氣化技術(shù)面臨第三次重大技術(shù)突破,采用無氧煤氣化技術(shù),省去空氣分離制氧裝置。因此,必須解決煤氣化所需熱量的問題,不利用部分煤的氧化來提供熱量,同時(shí)使煤的氣化在低于1 000℃下進(jìn)行,降低煤氣冷卻過程中的熱量損失。第三代煤氣化技術(shù)包括:煤催化氣化直接合成天然氣,利用各種中低溫?zé)嵩吹拿簹饣?/span>,煤的化學(xué)鏈燃燒,高壓加氫氣化等,其共同點(diǎn)是無須制取氧氣參與反應(yīng)提供熱量。
隨著大規(guī)模煤制氫技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了高壓加氫氣化。煤經(jīng)高壓無氧加氫氣化制取甲烷,與常規(guī)氧氣氣化過程為強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)不同,加氫氣化過程為強(qiáng)烈的放熱反應(yīng),因此,不需要燃燒部分煤來獲取氣化熱量。然后采用水蒸氣重整甲烷生成氫氣與二氧化碳合成氣體。接著在炭化裝置中,二氧化碳與氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣,從而實(shí)現(xiàn)了氫氣與二氧化碳的分離;部分氫氣返回煤氣化爐用做氣化劑,其余氫氣經(jīng)過凈化后送入燃料電池、或者送入聯(lián)合循環(huán)裝置發(fā)電,其副產(chǎn)品為水。碳酸鈣進(jìn)入煅燒爐分解為氧化鈣與二氧化碳,氧化鈣送入炭化裝置循環(huán)使用,采取相關(guān)工藝對(duì)純度較高的二氧化碳直接進(jìn)行封存。在中間過程的混合氣體中基本不生成與燃燒有關(guān)的硫氧化物、氮氧化物等污染物,從工藝上避免了先污染后治理的常規(guī)技術(shù)路線。
2 超超臨界蒸汽參數(shù)煤粉鍋爐
目前,煤粉燃燒仍是最主要的燃煤發(fā)電技術(shù),經(jīng)過不斷的技術(shù)改進(jìn),效率不斷提高,排放減少。蒸汽參數(shù)達(dá)到32 MPa、600/610℃的超超臨界發(fā)電機(jī)組技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,發(fā)電效率可達(dá)到42%~44%。但是,采用煤粉燃燒技術(shù)的鍋爐在減少污染物排放方面,只能對(duì)煙氣進(jìn)行處理,尤其是分離與捕集CO2,其技術(shù)經(jīng)濟(jì)劣勢(shì)是顯而易見的。據(jù)估算,發(fā)電廠效率每提高10個(gè)百分點(diǎn),就可以減少約24%的所有氣體與固體污染物排放,因此,超超臨界機(jī)組面臨著進(jìn)一步提高蒸汽參數(shù)以大幅度降低排放的挑戰(zhàn)。
煤粉燃燒鍋爐的蒸汽溫度在過去的30年中提高了約70℃,溫度達(dá)到600~610℃左右,壓力也相應(yīng)提高到24~35 MPa,預(yù)期在未來的20~30年蒸汽溫度還將大幅度升高。隨蒸汽溫度進(jìn)一步提高,除了受熱面管鋼材高溫強(qiáng)度的要求以外,煙氣側(cè)管外金屬腐蝕問題將更加突出。煤粉燃燒火焰中,煤中可燃硫均生成SO2,大部分呈揮發(fā)性態(tài)的K, Na等化合物與SO2生成硫酸鹽;而煤中不可燃硫主要是以硫酸鹽形式殘留灰中,二者均會(huì)沉積在金屬管表面形成腐蝕性灰沉積物,在超過其熔點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)就對(duì)金屬產(chǎn)生不同程度的腐蝕,成為在高溫工況下管外壁金屬腐蝕破壞的最主要原因。
對(duì)管外壁熔鹽或堿金屬硫酸鹽(硫酸鈉、硫酸鉀及硫酸鐵)對(duì)合金金屬材料的腐蝕行為的研究發(fā)現(xiàn),熔鹽對(duì)管壁金屬的腐蝕強(qiáng)度與管壁金屬溫度密切相關(guān),在金屬壁溫400~550℃范圍,以熔融的焦硫酸鹽腐蝕為主,焦硫酸鈉與焦硫酸鉀的熔點(diǎn)分別為401℃與300℃,腐蝕強(qiáng)烈,而硫酸鈉與硫酸鉀的熔點(diǎn)分別為880℃與1 069℃,僅呈固相沉積狀態(tài),腐蝕速率遠(yuǎn)不及焦硫酸鹽;在金屬壁溫600~710℃范圍,以熔融的復(fù)合硫酸鹽腐蝕為主,腐蝕最為強(qiáng)烈,是最大腐蝕速率區(qū)。當(dāng)超過750℃后,焦硫酸鹽揮發(fā),腐蝕速率將降低。因此,蒸汽參數(shù)直接提高到700℃以上的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是可以避開受熱面管金屬的最大腐蝕速率區(qū),將來蒸汽溫度有望直接躍至700℃以上。對(duì)蒸汽溫度760℃,壓力35 MPa的750MW燃煤超超臨界發(fā)電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性研究表明,電廠凈效率將達(dá)到45% (基于高位發(fā)熱量),如果采用兩次再熱方式,效率可達(dá)到47%,所有氣體與固體污染物排放將減少約1/4。
3 超臨界蒸汽參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐
高參數(shù)大容量循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)(CFB),由于其在減排常規(guī)污染物方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),正在對(duì)傳統(tǒng)的煤粉鍋爐技術(shù)發(fā)起挑戰(zhàn),在過去的10多年,以比煤粉鍋爐發(fā)展快得多的速度,迅速達(dá)到了電站鍋爐的容量。目前, 300 MW亞臨界參數(shù)的CFB機(jī)組的整體技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,鍋爐效率、可用率等指標(biāo)已經(jīng)接近煤粉鍋爐。
但是,與超超臨界煤粉燃燒鍋爐類似, CFB鍋爐在分離與捕集CO2方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)劣勢(shì)是顯而易見的。CFB鍋爐面臨著進(jìn)一步提高發(fā)電效率的挑戰(zhàn),以減少所有氣體與固體污染物的排放,發(fā)展更大容量和超臨界蒸汽參數(shù)的CFB鍋爐技術(shù)將成為下一步發(fā)展的主要目標(biāo)。
與超臨界蒸汽參數(shù)煤粉鍋爐比較, CFB鍋爐的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)使其更適合與超臨界蒸汽參數(shù)循環(huán)相結(jié)合。
(1) CFB的燃料適應(yīng)范圍大。能夠高效潔凈燃燒多種燃料的特點(diǎn)同樣適用于超臨界CFB鍋爐,特別是在超臨界蒸汽參數(shù)運(yùn)行時(shí),由于流態(tài)化燃燒的作用,燃燒多種不同的燃料時(shí)仍可以維持爐內(nèi)較低的爐膛壁面熱流及良好的均勻分布,能夠?qū)崿F(xiàn)劣質(zhì)燃料在超臨界機(jī)組發(fā)電中的應(yīng)用。
(2) CFB鍋爐的蒸汽輸出與蒸汽溫度等運(yùn)行參數(shù)對(duì)燃料特性的變化波動(dòng)不敏感,在輸入燃料發(fā)生一定范圍的變化時(shí)也能確保水冷壁管壁溫度均勻性及運(yùn)行安全性,而這對(duì)超臨界煤粉鍋爐是一個(gè)難以克服的問題。
(3)由于CFB鍋爐爐膛內(nèi)固體顆粒存料量很大,因此,爐膛水冷壁管的布置必須要平行于煙氣/固體床料的流動(dòng)方向,在超臨界煤粉鍋爐中普遍采用的螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu),顯然不能應(yīng)用于CFB鍋爐,而必須采用垂直管屏的爐膛水冷壁結(jié)構(gòu)。超臨界CFB鍋爐上升管系統(tǒng)采用一次垂直上升管屏,在一個(gè)通道內(nèi)工質(zhì)平行流過所有的管子,無須布置中間混合聯(lián)箱進(jìn)行汽水混合物的混合分配。由于采用垂直管屏水冷壁,可以采用本生低質(zhì)量流率的直流鍋爐新設(shè)計(jì)方案(400~
(4)超臨界直流鍋爐蒸發(fā)受熱面在臨界點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)的最大問題是降低管壁溫度的峰值,避免出現(xiàn)偏離核態(tài)沸騰與蒸干,因此,必須使管壁得到足夠的冷卻。CFB鍋爐燃燒具有較低的燃燒溫度和爐內(nèi)均勻的溫度分布,流態(tài)化及床料的循環(huán)消除了爐內(nèi)的溫度峰值,熱流分布不會(huì)如煤粉鍋爐出現(xiàn)明顯的峰值。煤粉鍋爐在爐膛中部燃燒器區(qū)域的熱流率大大高于爐膛上部及下部,因此,峰值熱流區(qū)恰好對(duì)應(yīng)于極易發(fā)生管子過熱的最不安全區(qū)。CFB鍋爐的熱流率只有其一半,而且其最高熱流區(qū)在下爐膛布風(fēng)板以上的一段區(qū)域,恰好是壁面覆蓋耐火材料的區(qū)域,而且對(duì)應(yīng)于超臨界壓力下管內(nèi)工質(zhì)溫度較低的區(qū)間,因此,幾乎不會(huì)發(fā)生水冷壁管傳熱惡化導(dǎo)致管壁過熱的現(xiàn)象。
(5)超臨界CFB鍋爐可以達(dá)到比煤粉鍋爐更低的排煙溫度。一方面由于CFB鍋爐爐膛的低熱流特點(diǎn),可使省煤器多吸收尾部煙氣熱量,提高省煤器出口水溫,減小水冷壁入口水欠焓,但仍然能在水冷壁管中保持合適的汽水比例,因此,通過增加省煤器受熱面來降低排煙溫度,用于抵消CFB鍋爐空氣預(yù)熱器吸熱量少的問題;另一方面,由于爐內(nèi)石灰石脫硫,石灰石分解的CaO可以吸收部分SO3,降低了煙氣酸露點(diǎn);因此,在超臨界CFB的概念設(shè)計(jì)中采用了
(6) 600 MW以上容量的超臨界CFB鍋爐的整體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生顯著的變化,爐膛下部還將采用褲衩腿結(jié)構(gòu),甚至雙褲衩腿結(jié)構(gòu),分離器的數(shù)量增加到6臺(tái),分離器下均布置外置床換熱器,爐膛高度也將大大增加,更延長(zhǎng)了顆粒停留時(shí)間,有利于燃燒與脫硫,采用一次或二次再熱循環(huán)。超臨界CFB的鍋爐效率將達(dá)到93%以上,發(fā)電機(jī)組的供電效率將接近44%。
4 新型整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)
新一代先進(jìn)IGCC即將在我國(guó)成為繼超超臨界機(jī)組與循環(huán)流化床鍋爐后又一迅速發(fā)展起來的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。特別是控制燃煤發(fā)電機(jī)組排放CO2的任務(wù)日趨迫近,捕集與封存CO2(CCS)即將成為一個(gè)重大環(huán)境問題。先進(jìn)IGCC技術(shù)在能源轉(zhuǎn)化效率、常規(guī)污染物脫除與分離CO2獨(dú)具整體技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保優(yōu)勢(shì),是一種很有前途的發(fā)展中的高新技術(shù),在“以煤為基礎(chǔ)”的我國(guó)能源政策環(huán)境下,在我國(guó)將有廣闊的發(fā)展前景。
世界范圍內(nèi),大型IGCC機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行10年以上,已證明是最先進(jìn)的高效率且潔凈的燃煤發(fā)電技術(shù), NOx、SOx與顆粒物的排放均低于煤粉爐,煤中硫分的99·5%以元素硫回收,可以達(dá)到大于95%的汞脫除率。可以以比較小的費(fèi)用獲得比煤粉鍋爐低一個(gè)數(shù)量級(jí)的排放值,相當(dāng)于燃用天然氣的燃燒設(shè)備的排放水平,而且進(jìn)一步降低排放的潛力很大,相對(duì)于煤粉鍋爐機(jī)組要凈化處理巨大容積的低壓煙氣的現(xiàn)狀,合成煤氣的壓力高、未被燃燒空氣稀釋,因此,污染物排放控制難度較小。
IGCC除了環(huán)保及效率高的優(yōu)勢(shì)外,另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是能大量利用常規(guī)火力發(fā)電技術(shù)不能接受的劣質(zhì)燃料(固體或液體), IGCC燃料在廣義上包括所有可以氣化成合成氣的固體及液體燃料。除了煤以外,譬如,煉油過程中的殘?jiān)?/span>(石油焦、渣油、瀝青和焦油)及其他煉油副產(chǎn)品均能氣化、發(fā)電,并可制取多種化工產(chǎn)品,煤氣化也是目前大規(guī)模制氫的最可行的方法。
如果不考慮CCS,則IGCC的發(fā)電成本等比超超臨界煤粉鍋爐發(fā)電機(jī)組(USCPC)高,但如果考慮CCS,則IGCC優(yōu)于USCPC。對(duì)未來的實(shí)現(xiàn)CCS的現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組改造,改造無CCS的IGCC比改造USCPC費(fèi)用低。
對(duì)整合分離與捕集CO2的先進(jìn)IGCC系統(tǒng),則將合成煤氣變換成富氫燃?xì)?/span>,則燃?xì)廨啓C(jī)及燃料系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改造,以適應(yīng)燃用氫氣的要求,目前還沒有氫燃機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。
IGCC除了高投資成本外,還有待于探討用于CO2捕集的高壓工藝設(shè)計(jì),降低制氧成本,開發(fā)富氫燃料燃?xì)廨啓C(jī),進(jìn)一步提高電站可用率,提高燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口溫度,采用超臨界蒸汽參數(shù)的余熱鍋爐等。
5 增壓富氧燃燒整體化發(fā)電技術(shù)
燃煤電站是CO2的集中排放源,燃煤發(fā)電系統(tǒng)與CO2捕集與封存相整合的技術(shù)將成為未來潔凈煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),美國(guó)ThermoEnergy公司提出了采用增壓流化床鍋爐的富氧燃煤整體化發(fā)電系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)方案,與其他煤的常規(guī)空氣燃燒及富氧燃燒發(fā)電技術(shù)比較,具有明顯的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。目前,尚處于探索與研發(fā)階段,未投入商業(yè)化示范與應(yīng)用。
(1)燃煤火力發(fā)電裝置捕集CO2的現(xiàn)狀
目前,從燃煤電站大規(guī)模捕集與封存CO2(CCS)的現(xiàn)有技術(shù)是將從煙氣中捕集(采用化學(xué)或物理方法)的CO2氣體進(jìn)行壓縮、冷卻成液態(tài)CO2,以便于運(yùn)輸、利用或封存。在常規(guī)空氣燃燒的鍋爐中,煙氣中CO2的濃度僅為10%~14%,從煙氣中分離與捕集CO2的技術(shù)難度巨大,同時(shí)需要消耗大量的電力,經(jīng)濟(jì)性較差,限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。
20世紀(jì)末提出了富氧燃燒技術(shù),也稱為CO2/O2煙氣再循環(huán)煤燃燒技術(shù),近年已經(jīng)進(jìn)行了中試研究與小規(guī)模工業(yè)示范。由于采用富氧與再循環(huán)的CO2組織煤的燃燒過程,煙氣中CO2的濃度提高到90%以上,可以直接將鍋爐排出的煙氣(約為
由于燃煤煙氣含有約10%~15%的水分,在大氣常壓條件下,這部分水分的凝結(jié)溫度約為61~67℃,其汽化潛熱約占排煙熱損失的50%左右。常壓燃煤鍋爐的排煙溫度在
(2)燃煤增壓流化床鍋爐整體化發(fā)電技術(shù)
通過重新審視富氧燃燒系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)的空氣分離制氧與最后壓縮高濃度CO2煙氣的過程均是在高壓下進(jìn)行,但在整個(gè)燃燒與換熱過程中又沿用了常壓下的常規(guī)煤粉燃燒或循環(huán)流化床燃燒方式,因此,兩次大規(guī)模的空氣壓縮制氧與CO2壓縮液化過程均消耗了大量的電力,使在富氧條件下回收CO2的技術(shù)也存在成本高、經(jīng)濟(jì)性差的問題,難以體現(xiàn)富氧燃燒在捕集CO2方面的優(yōu)越性。
基于富氧燃燒技術(shù)提出的燃煤增壓流化床鍋爐整體化發(fā)電的概念,仍然采用富氧燃燒與煙氣再循環(huán)方式,但是,從ASU制氧、煤燃燒與鍋爐換熱,直到煙氣壓縮捕集CO2的全過程均維持在高壓下完成。如果整體系統(tǒng)壓力升高到6·0~8·0 MPa,則鍋爐排煙中的水分凝結(jié)溫度會(huì)大幅度提高到167~
由于燃燒與換熱過程均在高壓下運(yùn)行,與在常壓下運(yùn)行比較,鍋爐所有部件的尺寸均會(huì)大大減小,目前,完成高壓燃燒與換熱過程的最理想、也是較成熟的技術(shù)是增壓流化床鍋爐(PF-BC),只是需要進(jìn)一步提高PFBC運(yùn)行壓力就可以滿足該新型富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)的要求。壓力越高,燃燒速率越快,可以抵消爐膛尺寸減小使停留時(shí)間減小的負(fù)面影響,未燃碳損失將減少;壓力升高,對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)比常壓下增加一個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)流受熱面的尺寸減小;但爐膛尺寸減小導(dǎo)致輻射層厚度減小,從而使輻射換熱強(qiáng)度有所減小。壓力升高,與常壓比較,煙氣凈化設(shè)備尺寸減小,排煙凝結(jié)器的尺寸減小。
將增壓流化床鍋爐技術(shù)用于增壓富氧燃燒系統(tǒng),比用于蒸汽-燃?xì)獾穆?lián)合循環(huán)系統(tǒng)更能體現(xiàn)其優(yōu)越性,省去了高溫高壓煙氣除塵凈化處理,不存在燃?xì)廨啓C(jī)的磨損等問題;可以燃燒褐煤及生物質(zhì)等高水分燃料;不需要污染物排放控制設(shè)備。另外,增壓富氧燃燒系統(tǒng)只是與熱力系統(tǒng)的回?zé)峒訜崞髡?/span>,與發(fā)電機(jī)組參數(shù)是亞臨界還是超臨界基本無關(guān)。綜合比較表明,這是迄今為止可以有效捕集CO2并維持較高經(jīng)濟(jì)性的較理想的燃煤火力發(fā)電技術(shù)。
在增壓流化床鍋爐中完成煤的富氧燃燒與爐內(nèi)換熱,從PFBC出來的煙氣首先流經(jīng)省煤器,再到排煙冷凝器加熱凝汽器出來的低溫鍋爐給水,釋放了水分的汽化潛熱并脫除了水分的高壓煙氣的一部分作為再循環(huán)煙氣送回鍋爐燃燒室完成富氧燃燒,另一部分高壓煙氣直接送入CO2冷凝器,采用略低于常溫的水進(jìn)行冷卻即得到液態(tài)CO2。
由于系統(tǒng)全過程整體增壓,提高了鍋爐熱效率,增加了汽輪機(jī)的輸出功率及機(jī)組熱效率,減少了CO2冷卻壓縮液化的電能消耗,因此,可以部分抵消系統(tǒng)增壓所增加的功率消耗。
6 結(jié) 論
由于全球能源資源現(xiàn)狀與地球環(huán)境的變化,適合當(dāng)前能源資源與環(huán)境約束條件的潔凈煤發(fā)電技術(shù),在未來的資源與環(huán)境制約下未必就是最優(yōu)的選擇。未來的潔凈煤發(fā)電技術(shù)將以控制CO2排放為基本出發(fā)點(diǎn)與基本特征,一方面,需要對(duì)現(xiàn)有各種潔凈煤發(fā)電技術(shù)的進(jìn)行創(chuàng)新性的改進(jìn),以進(jìn)一步發(fā)揮其潛在的優(yōu)勢(shì)并克服劣勢(shì),另一方面,將期待出現(xiàn)創(chuàng)新性潔凈煤發(fā)電理念與技術(shù)。
作者參考了近年來本領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者總結(jié)、研討或撰寫的正式與非正式資料,恕難一一詳列。
