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1、火电厂脱碳技术,第一节 概述 第二节 燃煤电厂脱碳,第一节 概 述,联合国大会于1992年6月4日通过联合国气候变化框架公约(以下简称公约) ，公约是世界上第一个为全面控制二氧化碳等温室气体排放，以应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约，也是国际社会在对付全球气候变化问题上进行国际合作的一个基本框架。公约规定发达国家为缔约方，应采取措施限制温室气体排放，同时要向发展中国家提供新的额外资金以支付发展中国家履行公约所需增加的费用，并采取一切可行的措施促进和方便有关技术转让的进行。,第一节 概 述,1997年12月，公约第3次缔约方大会在日本京都召开，包括我国在内的149个国家和地区
2、的代表通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书，该议定书己于2005年2月生效。京都议定书规定，到2010年，所有发达国家的CO2等6种温室气体的排放量，要比1990年减少5.2，其中美国削减7，欧盟8，日本6，加拿大削减6，东欧各国削减5至8，发展中国家未作限定。,第一节 概 述,我国积极推进减缓气候变化的政策和行动，在调整经济结构，转变发展方式，大力节约能源、提高能源利用效率、优化能源结构，植树造林等方面采取了一系列政策措施，取得了显著成效。如2006年1月1日起实施中华人民共和国可再生能源法，2007年6月发布中国应对气候变化国家方案、中国应对气候变化科技专项行动，
3、2007年8月起在全国开展节能减排全民行动，2009年11月26日，我国正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标，决定到2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降4045。,第一节 概 述,中国应对气候变化国家方案中指出了我国电力行业减缓温室气体排放的重点领域。 水电。在保护生态的基础上有序开发水电，重点加快西部水电建设，因地制宜开发小水电资源。通过上述措施，预计2010年可减少CO2排放约5亿t。 核电。积极推进核电建设，逐步提高核电在中国一次能源总量中的比重，加快经济发达、电力负荷集中的沿海地区的核电建设。通过上述措施，预计2010年可减少CO2排放约0.5亿t。,第一节 概 述,
4、火电。加快火力发电的技术进步，优化火电结构，加快淘汰落后的小火电机组，适当发展以天然气、煤层气为燃料的小型分散电源，大力发展超(超)临界机组、大型联合循环机组等高效、洁净发电技术，发展热电联产、热电冷联产和热电煤气多联供技术； 输变电。加强电网建设，采用先进的输、变、配电技术和设备，降低输、变、配电损耗。 通过上述措施，预计2010 年可减少CO2排放约1.1亿t。方案还强调了推进生物质能源发展和积极扶持风能、太阳能、地热能等的开发和利用。,CDM是发展中的国家参与环保的一种新型国际合作机制。该机制是发达国家通过提供资金和技术援助，来换得在发展中国家境内实施温室气体减排项目的经核证的CO2减排
5、量（CERS），该CERS可抵消发达国家在本国的CO2减排量。由于发达国家在本国减排CO2成本比在发展中国家高出520倍，因此发达国家愿意以资金援助与技术转让的方式在没有减排责任（义务）的发展中国家实施减排项目。,碳减排潜力很大，而这种潜力可通过清洁发展机制(CDM)转化为经济效益。,截至2008年11月1日，在公约网站上公示的我国CDM项目总数为1521个，占全球CDM项目总数的36%，预计到2012年底减排温室气体15.1亿t。我国CDM项目数量和预计的温室气体减排量均位居全球第一。我国的CDM项目中关于可再生能源发电项目共1059个，天然气发电项目有30个，预计到2012年底这些项目共将
6、减排CO26.45亿t。由于传统煤电方面的方法学，如超超临界燃煤发电项目、新建热电联产项目、现有电厂改造或效率提高项目等获得批准不久，CDM项目开发周期又较长，目前国内燃煤发电CDM项目正处于开发阶段。燃煤发电是一个具有较大温室气体减排潜力的领域，也是开展CDM项目的重点领域。,碳捕集与封存(CCS)技术,碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，简称CCS）在全球各地受到了广泛重视。国际能源署研究表明，到2050年将温室气体浓度限制在450 ppm的所有减排技术中，仅CCS就需贡献20%。当前，包括I E A(国际能源机构 )在内的全球主要能源研究机构和主要碳减排积
7、极倡导组织和国家已经一致将C C S技术作为未来的主要碳减排技术。,发电和油气生产是CCS应用的两个主要领域 发电领域应用CCS的技术途径主要有两条：一是燃烧前捕集CO2；二是燃烧后捕集CO2。在天然气生产过程中分离CO2不仅十分必要，还可以回注到地下来提高石油与天然气的产量。 全球大多数CCS项目目前还在规划研究阶段 全球对CCS项目的示范与规划正在不断升温,全球对CCS项目的示范与规划正在不断升温,美国、日本、加拿大、英国、德国、法国、意大利等主要发达国家都在研究建设C C S示范项目 澳大利亚、印尼、墨西哥、沙特阿拉伯，都在考虑建设CCS示范项目 B P、壳牌等许多大型国际石油公司都成立
8、了专门的业务机构。 我国华能、中石油、神华、中国绿色煤电、新奥等公司都在开展CCS项目研究工作。华能年捕集3000 t CO2的高碑店项目已于2008年投产。而国内最大的两个项目神华集团马家塔煤碳直接液化项目年捕集与封存100万t CO2计划和中国绿色煤电有限公司准备在天津建设的2 5 0 M WIGCC加CCS项目。煤气化联合循环,2 目前面临的主要问题,仍缺少CO2捕集、净化、运输、封存一体化的商业性示范项目 难以接受CCS所引起的高昂成本 按照现有项目估算，CCS项目的商业化运行成本是每吨CO2约70美元左右。 CCS将降低发电效率并增加能耗 生产同一度电需要多消耗能源约20%25%左右
9、。,还未找到可行的独立运营商务模式 封存涉及一系列复杂的具体问题 CO2驱油还不是CO2永久封存技术 缺少一个明确的政策与法律框架 全球公众当前对CCS技术难以接受 将CCS纳入CDM机制存在难度,第二节 燃煤电厂脱碳,在电厂主要有3种不同的捕集技术路线，即： 燃烧前脱碳 整体煤气化联合循环(Integrated GasificationCombined Cycle，IGCC)发电技术 富氧燃烧技术(燃烧中捕集) 燃烧后脱碳,一、燃烧前脱碳,燃烧前脱碳是指在碳基燃料燃烧前，先将其化学能从碳元素中转移出来，然后再将碳和携带能量的其他物质分离，这样就可以实现碳在燃料利用前进行捕集,一、燃烧前脱碳,
10、(一) 燃烧前脱碳的工艺流程,煤经过气化成为中低热值煤气；经过冷却净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物；清洁的煤气经过变换反应(CO+H2OCO2+H2)，使煤气转变为CO2和H2，燃料的化学能转移到H2上；将CO2和H2进行分离，分离后的氢气送入燃气轮机的燃烧室中燃烧，加热燃气工质以驱动燃气透平做功；排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功。,2009年7月，我国开始建设首座自主开发设计的IGCC示范工程项目华能天津IGCC示范电站。 IGCC示范电站研究开发以IGCC系统为基础，大幅度提高煤炭的发电效率。 最终形成以煤气化制氢、氢气轮机联合循环发电和燃料电池发电为主
11、，并进行CO2分离和处理的煤基能源系统，使煤炭发电达到CO2近零排放。 其流程如图所示。,典型IGCC工艺流程,(二) 燃烧前脱碳的IGCC工艺系统,燃烧前脱碳的IGCC工艺系统由两大部分组成 煤的气化、净化与CO2分离系统部分 主要有气化炉、空分装置、煤气冷却净化、CO2分离设备等； 燃气蒸汽联合循环发电系统部分 主要有燃气轮机发电系统、余热锅炉、汽轮机发电系统等。,1.气化炉 煤气化一般包括干燥、热解(挥发份析出)、燃烧气化三个阶段 煤发生热分解反应，生成大量挥发性物质，如CO2、CO、H2、CH4、NH3、H2S、焦油等，同时煤粘结成半焦；半焦一部分在燃烧区的氧化气氛下燃烧，产生的高温用
12、来切断煤中高分子化学键，使其与气化剂反应，生成含有CO、H2、CH4等可燃气体的合成煤气。 在煤气化过程中，当气化剂是氧气时生成中热值煤气；当气化剂是空气时，因其含有大量N2，生成低热值煤气。,煤气化主要反应,碳与水蒸汽的反应：C+H2OCO+H2；C+2H2OCO2+2H2 碳与二氧化碳的反应：C+ CO22CO 甲烷生成反应：C+2H2CH4；CO+3H2CH4+H2O；CO2+4H2CH4+2H2O； 变换反应：CO+H2OCO2+H2 完全燃烧反应： C+O2CO2 此外气化过程中还会发生一些微量成份的化学反应，生成H2S、COS、NH3等有害物质。,气化炉炉型有喷流床、流化床和固定床
13、。目前，普遍看好的气化炉主要是以氧气为气化剂的喷流床气化炉，主要包括Texaco炉，E-Gas炉、Prenflo炉和Shell炉。前两者为水煤浆供料方式，后两者为干粉供料方式。 气化炉工作性能的技术指标 (1) 碳的转化率，即煤中所含的碳元素在气化炉中转化成为煤气成分中含碳量的百分数。 (2) 冷煤气效率，即气化生成煤气的化学能与气化用煤的化学能的比值。 (3) 热煤气效率，即气化生成煤气的化学能、煤气中回收的热能之和与气化用煤的化学能的比值。 此外，还有气化炉的负荷跟踪能力、产气能力、煤气热值及其可靠性等指标。,2煤气净化设备 必要性 煤气化时，原煤中所含的相当一部分S、N以及矿物质等，以不
14、同尺寸的尘粒、H2S+COS、NH3+HCN、Na和K盐的蒸汽以及HCl+HF等形式转移到粗煤气中。这些有害物质若不除去，不仅会导致燃气轮机的腐蚀、磨蚀和结垢，影响其使用寿命和工作可靠性，还同样会因燃煤而造成大气污染。因而粗煤气进入燃气轮机之前，必须经过净化处理。,2煤气净化设备 目前，在IGCC中使用的粗煤气净化系统有“常温湿法的净化系统”和“高温干法的净化系统”。当前所应用的气体净化系统以湿法除尘常温脱硫的净化技术较为成熟。 净化流程,煤气粉尘浓度降至1mg/L以下；除尘后的煤气经过HCN/COS水解器，将COS转为H2S，将HCN转化为NH3，进而进入Claus脱硫设备中脱出95%99%
15、的含硫化合物；为降低燃气轮机燃烧室内燃烧火焰的温度，控制燃气轮机排气NOx的含量，洁净的煤气在饱和器中与除盐水接触，使湿煤气中的含水量达到其饱和状态，最后经换热器预热后进入燃烧室内燃烧。 Claus(克劳斯)法工艺过程,高温段包括H2S燃烧炉和废热锅炉，燃烧反应： 2H2S+3O22SO2+2H2O 约有1/3的H2S于1200左右下与空气在燃烧炉内反应生成SO2。 Claus反应器中的反应： 2H2S+SO23S+2H2O 在加氢催化还原反应器中，反应式为： SO2+2H2S+2H2O SO2+3H2 H2S+2H2O SO2+2COS+2CO2 选择性催化氧化处理尾气回收硫，反应式： 2H
16、2S+O22S+2H2O。,3空分设备 为了提高气化炉的单炉产气率并获得中热值煤气，须用高浓度的氧或纯氧作气化剂。目前，从空气中分离出O2是大规模获取O2的唯一来源 空分制氧大致分为深冷法、变压吸附法(PSA)和膜法富氧技术。 变压吸附法 让空气通过分子筛吸附塔，利用分子筛对空气中的O2、N2组分选择性吸附而使空气分离获得O2的技术。常用PSA(超大气压吸附常压解吸)和VPSA(常压吸附真空解吸)两种方法。,4CO2分离 基于燃烧前脱碳的IGCC处理的气体具有高的气体压力和CO2浓度(约30%40%)，这使得物理吸收法比化学吸收法更能体现出优势。 分离CO2的典型物理吸收法是聚乙二醇二甲醚法(Selexol法)和低温甲醇法。 目前大多数基于燃烧前脱碳的IGCC研究计划都选择Selexol法进行物理吸收。,5.燃气轮机 由于一般的燃气轮机是根据天然气等标准燃料设计的，当用于燃氢时，除燃烧室需进行一定改动以适应燃料变化外，压气机与透平匹配的运行工
