IGCC系统控制CO_2排放的研究进展

第28卷,总第163期2010年9月,第5期节能技术ENERGY CONSERVAT I O N TEC HNOLOGYV ol 28,Sum No 163Sep 2010,No 5IGCC 系统控制CO 2排放的研究进展廖小花,陈海平,李京茂(华北电力大学能源与动力工程学院,河北 保定 071003)摘 要:整体煤气化联合循环(I G CC )作为一种被验证的具有发展前景的洁净煤发电技术,如何实现I GCC 中CO 2的零排放,已经成为国内外学者研究的热点。

概述了目前国内外控制I GCC 系统中CO 2排放的研究进展,归纳总结了I G CC 系统中CO 2分离和回收的四类途径:燃烧后分离与回收、燃烧前对燃料气进行处理与分离、以I GCC 为基础的煤基动力化工多联产系统以及燃烧与CO 2分离一体化途径。

并引入控制CO 2排放科技创新一体化理论,指出未来控制CO 2排放的方向。

关键词:I GCC ;二氧化碳;排放控制;研究进展;一体化理论中图分类号:TK01+9:X77 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2010)05-0458-05Progress of Research on Approaches of CO 2Em issionControl Among I GCC Syste mLI A O X iao-hua ,C H E N H a i-ping ,L I Ji n g-m ao (Nort h China E lectric Pow er U niversity ,H ebei Baod i n g 071003;Key Labo ratory of Cond ition M onitori n g and Control for Po w er Plan tE quip m ent o fM i n istr y of Educati o n ,B eiji n g 1002206)Abst ract :I G CC ,as the m ost pr o m ising clean coa l po w er generati o n techno l o gy ,its rea lizing o fCO 2zeroe m ission has beco m e a hot research topic .The prog ress of research on approaches to contro l CO 2e m is si o ns currently w as ana l y zed ,and concluded that there are four appr oaches to realize CO 2near zero e m is si o n of I G CC syste m s :i n cluding recovery and separation a fter co mbusti o n ,d isposal and recovery o f syn thesis gas be f o re co m busti o n ,and coa l-based poly-generation syste m for po w er and che m ica l products ,Integration w ith co mbusti o n and separati o n of carbon d i o x i d e .And a i n novati v e t h eory o f i n tegrate l y con tro lling C O 2e m issi o n is i n troduced ,at the sa m e ti m e the future directi o n of CO 2e m issions control is po i n ted ou.t K ey w ords :I G CC ;carbon diox ide ;e m issi o n contro;l progress o f research ;the theory o f i n teg ration收稿日期 2010-05-24 修订稿日期 2010-06-02作者简介:廖小花(1985~),女,华北电力大学能源与动力工程学院硕士研究生。

0 引言目前,温室效应已成为一个全球性共同关注的问题。

2009年哥本哈根气候峰会后,中国宣布了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CO 2排放比2005年下降40%~45%。

目前中国80%的CO 2排放来自燃煤,而超过50%的煤炭消费用于火力发电。

为实现这一目标,火力发电行业任重道远。

I G CC 系统作为最具有发展潜力的先进动力装置,通常说其环保性能好是指其SO x ,!458!NO x 和固体颗粒排放量比增压流化床(PFBC )和常规脱硫煤粉低,但是其CO 2排放量与超临界和超超临界的煤粉电厂相比改善并不大,如EPR I 的数据[1]为:I GCC -719gCO 2/k W h ,超临界煤粉电厂-774gCO 2/k W h 超超临界煤粉电厂-733gCO 2/k W h 。

因此只有彻底解决CO 2问题,I GCC 才能成为真正洁净的电站。

而对I G CC 电站中CO 2的排放控制目前多数还是局限于通过系统效率的提高来成比例地减少,并没有大的突破。

针对控制I G CC 系统中CO 2排放问题,美国、日本、意大利以及我国学者先后提出了各种方案。

中科院林汝谋等归纳了I GCC 系统中CO 2分离和回收的五类途径[2];清华大学倪维斗等将I GCC 系统的发展及其CO 2减排划分为4个发展阶段[3]。

浙江大学岑可法等将实现煤的零排放归纳为两种途径[4-5],在原有的联合循环系统中加上CO 2分离系统以及在煤转化过程中构建一种直接得到高纯度的CO 2新系统。

本文概述了这些研究的进展,归纳总结了控制I GCC 系统分离和回收C O 2各类途径,并引入控制CO 2排放科技创新一体化理论,指出未来控制C O 2排放的方向。

2 I G CC 系统分离回收CO 2的途径2.1 燃烧后分离与回收(1)传统的I GCC 系统燃烧后分离与回收CO 2途径,其技术路线如图1所示。

图1I G CC 系统传统燃烧后分离与回收CO 2原理图目前在燃烧后对CO 2进行分离和回收的技术主要有化学吸收法和物理吸收法。

两种方法都需要消耗蒸汽热或压缩耗功,从而造成系统效率的大幅度降低。

提高尾气中C O 2浓度以减小处理量以及采用更先进的回收方法,成为尾部分离和回收CO 2的关键问题。

为了提高尾气中的CO 2浓度,可以对传统的I G CC 系统加排气分离和回收CO 2技术进行改进。

一方面将空分设备制成的O 2除供气化炉制取煤气外,增加一路供燃气轮机组的燃烧室助燃,取代注氮;另一方面,增加一个循环回路将经分离提取后的CO 2经燃气轮机组的燃烧室加热,进入燃气轮机做功后再去余热锅炉参与系统循环。

这些改进同时也使系统热效率增加。

GE 公司的I G CC 系统使用CO 2替代N 2送往燃气轮机燃烧室加热后循环做功,发现系统热效率比使用N 2时上升了3%。

(2)将燃烧后回收CO 2技术与新的燃烧技术结合,如用O 2/CO 2富氧燃烧方式代替I GCC 中燃烧室的传统燃烧方式。

文献[6]提出了纯氧燃烧的半闭式循环I GCC 方案。

系统图如图2。

它采用纯氧作为氧化剂,燃烧产物主要为CO 2和H 2O,CO 2和H 2O 经透平膨胀和余热锅炉HRSG 放热降温后水冷却凝结后就剩下CO 2,很容易通过压缩液化加以处理。

但该技术路线需要选用空分单元抽取氧气,而空分本身又是一个能耗较高的过程,因此采用这种C O 2减排路线的I G CC 系统效率也会降低7%~12%。

此外,由于采用新的燃烧方式,燃气轮机的选型与改造也是一个关键问题。

图2 半闭式I G CC 系统图2.2 燃烧前分离与回收I G CC 系统在回收CO 2方面存在一个显著的优点是能够实现燃烧前分离CO 2。

(1)传统的燃烧前分离与回收C O 2的方法是通过水煤气变换反应(C O +H 2O ∀CO 2+H 2)把CO 气体转化为CO 2和H 2,转化后CO 2的富集度提高约30%~40%,再通过成本比较低的物理吸收系统把CO 2分离掉,剩下的大部分为理想的富氢燃料气,其原理图如图3所示。

图3I GCC 系统燃烧前分离与回收CO 2原理图这种分离方法与燃烧后分离方法相比,优势在于:由于分离与吸收CO 2是在未被氮气稀释的合成煤气中进行,减少了分离器的尺寸以及分离溶剂的!459!量从而大大降低了能耗和成本,系统净效率相比燃烧后提高1%~2%[7]。

不足之处是:增加燃料气转化反应环节后,会使总的燃料气冷煤气效率降低6%~7%,另外在转化过程和分离、回收CO 2时进行煤气冷却以及溶剂再生过程中冷却等都会导致能量损失,使得系统净输出功减少、效率下降。

(2)第二种方法,直接从合成煤气将氢气分离出来。

从合成煤气中分离H 2的方法较多,但从目前分离成本、能耗和分离的H 2纯度等角度看,陶瓷质子膜分离法具有较强的竞争力和发展前景。

林汝谋等[8]就陶瓷质子膜分离法提出了由氢燃料热力系统和含碳燃料热力系统并联,组成新颖CO 2准零排放双循环整体煤气化联合循环系统(Doub le2Cycle I G CC Syste m )(见图4)。

其典型系统流程为:煤经过气化净化后,通过质子膜分离技术将煤气中的氢气分离出来与来自空气系统的氧气组成氢氧联合循环系统。

该系统工质为CO 2和水,排气中的CO 2浓度超过85%,因而通过冷凝的物理方法即可将CO 2和水分离。

研究表明,DC -I G CC 在CO 2回收处置方面已经取得很好的效果,具有较高的系统效率和极佳的环保性能。

新系统在分离处理大部分CO 2后,系统效率降低比较小(小于4%)。

图4 碳组分和氢组分定向转移的I GCC 系统(带C O 2回收)这种回收CO 2路线的一个主要优点在于分离CO 2时不需要额外的能耗而只需要通过冷凝的方式即可得到纯度很高的CO 2。

当然它是以大的空分耗功为代价的,因此采用低能耗的制氧技术以及先进的燃料气分离技术是该方法的关键。

2.3 I G CC 与化工过程结合的多联产系统的途径多联产的能源系统,就是指用从单一的设备(气化炉)中产生的#合成气∃(主要成分为CO 和H 2)来联合生产多种化工产品,液体燃料(甲醇,F-T 合成燃料,二甲醇,城市煤气,氢气,燃料电池等),用于工艺过程的热和电,把将能源转换利用过程与分离C O 2的过程有机地结合在一起,减少了CO 2分离过程额外的能量消耗,开拓了回收CO 2的新途径,其原理图如图5。