德国燃煤电站碳减排技术前瞻

谢德瑜

（冀中能源峰峰集团公司，河北省邯郸市，056107）

德国燃煤电站碳减排技术前瞻

谢德瑜

（冀中能源峰峰集团公司，河北省邯郸市，056107）

介绍了德国的一系列燃煤电站清洁技术，可有效地应对严峻的气候变化的挑战，并且推进世界的可持续性发展。

碳捕集 碳减排 碳分离 燃烧

1 可持续能源供应与科学的 “碳管理”

根据国际能源机构 （IEA）提供的数据，目前的全球能源消耗量正在持续攀升，预计到2050年，全球能源需求量将翻番。中国、印度和其他新兴经济体不断发展的工业化进程以及世界人口的不断增长是推动这一趋势的主要因素。虽然仅有约15%的世界人口居住在工业国家，但是这些人口目前在每年全球能源消耗量中所占比重高达50%。

此外，全球油气储量将日益集中在政治不稳定的地区。因此，能源将日益成为国际政治角力中的一把利器。到2030年，欧盟90%的原油需求和70%的天然气需求将依赖进口。

目前，没有人能够完全肯定地预测气候变化产生的后果，但是气候变化的风险却是明确无疑的。因此，有效的减排战略是对未来进行的一项投资——为后代创造繁荣的市场和蓬勃的经济体系。未来几十年的全球经济发展将在很大程度上取决于人类在前进过程中的能源供应和利用方式。因此，世界必须扩展当前的能源结构，推进能源结构多元化发展，特别是提高可再生能源在能源结构中所占的比重。没有任何单一的技术和资源适用于所有地区并且满足所有的需求，解决这个问题的答案就是具有经济和生态意义的平衡的能源结构。

尽管已经做出了许多努力以促进可再生能源的利用，但是在未来几十年中，世界绝大部分能源需求量仍然有赖于化石燃料。因此，在不久的将来，世界需要一种端对端、高效和可靠的二氧化碳管理系统。目前，德国正在积极参与一系列工艺技术的开发，用以捕集燃煤电站在燃烧过程中排放的二氧化碳。

2 燃烧前捕集：实现二氧化碳分离

燃烧前捕集被用于在电站中将燃料 （例如煤炭）进行燃烧之前，对二氧化碳和燃料进行分离。燃烧前捕集是联合循环电站 （也称为 “燃气—蒸汽电站”）的上游工艺，采用纯氧对煤炭进行气化。该工艺也被称为整体煤气化联合循环 （IGCC）。德国在二氧化碳净化、液化储存领域拥有广泛的专利技术，同时还涵盖空分和煤气化技术。

捕集燃煤电站排放的二氧化碳的最大障碍是燃烧气体中存在大量的氮，但是氮并不参与燃烧过程。整体煤气化联合循环通过大幅度减少含氮量从而对氮的问题加以解决。这项创新采用纯氧将煤粉转化成主要由一氧化碳和氢组成的合成气，后续的一氧化碳变换反应，采用蒸汽将大部分一氧化碳转化成二氧化碳和氢。然后，可以采用洗涤剂方便地分离二氧化碳，并对二氧化碳进行脱硫和压缩或液化，从而使二氧化碳更加便于运输。

整体煤气化联合循环电站对燃气 -蒸汽轮机进行协同增效，从而实现极高的发电效率，因此称为“联合循环电站”。在燃气轮机中燃烧整体煤气化联合循环工艺产生的氢，对发电机进行驱动，产生的废气流主要由大气氮和纯水蒸气组成，被用于产生蒸汽，从而为蒸汽轮机和第二台发电机提供动力。

整体煤气化联合循环的优点包括相对较高的发电效率、可以灵活选用原料以及能够生产其他有用的产品。整体煤气化联合循环工艺链产生的临时合成气，可用于发电或生产各种化学产品甚至燃料，例如甲醇。主要由一氧化碳和氢组成的原料气是燃料、化学原材料或其他有用产品的基本原料。在采用二氧化碳捕集的整体煤气化联合循环工艺链过程中产生的氢可以被直接回收。这意味着整体煤气化联合循环电站不仅能够发电，还能为氢燃料电池车辆提供动力。同时，生物质和废料还可以取代整体煤气化联合循环电站中的某些煤炭原料。

3 燃烧过程中：富氧燃烧工艺有助于碳分离

富氧燃烧工艺是在纯氧和循环烟气环境中对煤炭进行燃烧，产生的废气主要由二氧化碳和蒸汽组成。可以相对方便地分离出高浓度二氧化碳，然后对气体进行压缩并且输送到储存单元中。在低温空分以及二氧化碳捕集、清洗和液化领域，德国已有数十年的丰富经验，这些技术对于燃煤电站的富氧燃料试点项目具有非常重要的意义。

在正常空气中对煤炭或者天然气进行燃烧时，将产生大量的烟气。可以脱除燃气炉上游空气中的氮 （仅剩下氧），从而大幅度减少这些烟气。此类效率的提高是富氧燃烧工艺的核心。使用纯氧来取代正常空气，从而形成一个可控的燃烧环境，需要一个空分单元制造富氧燃烧工艺所需的氧。采用低温将空气分离成各种组分并且对氮进行脱除，然后将氧馈入燃气炉，对煤炭进行燃烧。为了对火焰温度进行调节，大部分烟气被反馈到燃气炉中。富氧燃烧工艺的优点包括低烟气量 （由于不含氮）和高燃烧效率 （由于高温）。此外，富氧燃烧工艺产生的二氧化碳纯度相对较高，可以通过冷却以方便地分离二氧化碳和蒸汽。

德国林德集团正在与瑞典万恩佛欧洲 （Vat-tenfall Europe）技术研究有限公司 （以下简称“万恩佛”）密切合作，以推进富氧燃烧工艺的应用。该合作伙伴关系的目标是探索褐煤和矿煤燃烧工艺，并且将这项技术的工业化领域推向成熟。2008年9月份，万恩佛在位于德国勃兰登堡州的黑泵 （Schwarze Pumpe）褐煤电站现场，将1个发电能力为30MW试点设施投入试运行。林德集团提供建筑该试点装置所需的许多部件。万恩佛计划于2015年之前，在位于德国简池沃德 （Janschwalde）的褐煤电站建造第二台锅炉。此外，林德集团还参与了德国亚琛工业大学组织的OXYCOAL-AC协助项目，该项目的目标是研究和推进富氧燃烧技术的应用，并将该技术应用于煤粉燃烧。

燃煤电站的产出通常随着能源需求量发生波动。对于使用空气原料的常规燃煤电站，这并不是问题。但是对于富氧燃烧电站，氧流必须与电力循环相一致，否则这些宝贵的气体将被过多地浪费。为了适应负荷的迅速变化，林德集团的工程师们对富氧燃烧发电站的整体设计进行了优化，并且改进了工艺控制技术——这些优化措施充分发挥了该公司的核心竞争能力。林德集团在低温空分领域拥有数十年的丰富经验，能够提供成熟的解决方案，甚至能够为大规模富氧燃烧电站提供充足的氧流，其中1个单一管路的产能就高达10万m3／h。但是氧流也具有不利因素。迄今为止的计算表明，氧流建设的投资成本在富氧燃烧电站的投资成本中所占比重高达1／3，氧需求量在能源需求总量中所占比重将近1／4。因此，与碳捕集和储存 （CCS）有关的约10%的效率损失在很大程度上归因于氧成本。

为了应对这项挑战，林德集团对低温空分工艺进行了调整，使之适合富氧燃烧应用领域，同时无需使用高纯氧。与常规空分方法相比，经过调整的解决方案能够减少约25%的能源消耗量，从而降低制氧的能源成本。如果没有这项创新，采用碳捕集和储存技术对现代化燃煤电站进行改造将是难以想象的。

未来，陶瓷自热回收 （CAR）是另一项能够降低氧成本的极具应用前景的技术。在600～800℃的温度条件下，空气经由一个钙钛矿颗粒床被馈入。钙钛矿是一种类似于LSCF（氧化镧、氧化锶、氧化钴和氧化铁混合物）的混合氧化物矿物种。在高温条件下，钙钛矿吸收大量的氧，同时氮和痕量气体流经吸收床。当矿物床中饱含氧之后，使用二氧化碳和蒸汽对矿物床进行吹扫，将被吸收的氧释放到可以被馈入电站锅炉的吹扫气中。但是陶瓷自热回收有一个缺点——需要大量的能源产生矿物床中所需的高温以保持热流程，同时必须采用与原料空气混合的燃烧气提供热能。林德集团在2006年建造了1个产能为0.7 t／d的氧陶瓷自热回收试验单元，目前正在与美国亚利桑那州大学以及钙钛矿制造厂商进行合作，积极推进研发工作，并对钙钛矿的性质进行深入研究。

4 燃烧后捕集：对二氧化碳进行洗涤

二氧化碳洗涤是对烟气进行脱硫之后，采用洗涤剂分离常规燃煤电站排放的二氧化碳。二氧化碳洗涤工艺是适于对现有燃煤电站进行改造的唯一方法，因此在推进碳捕集和储存技术的应用方面具有特别重要的意义。多年来，煤化工行业采用二氧化碳洗涤工艺回收作为生产流程副产品产生的二氧化碳，使之可应用于饮料和化肥行业。燃煤电站也采用二氧化碳洗涤工艺脱除烟气中的二氧化碳。为了减少碳排放量，二氧化碳洗涤工艺被用于常规烟气净化系统下游。

燃烧后捕集的核心是吸收器。在吸收器中，此前经过脱硫的烟气与洗涤剂逆流接触，通过胺类（有机化合物）水溶液萃取烟气中的二氧化碳。在排出吸收器之前，用水冲低二氧化碳烟气以脱除所有的痕量洗涤剂，然后通过烟囱和冷却塔将烟气排放到大气中。饱含二氧化碳的洗涤剂被馈入解吸器，对二氧化碳和液体进行分离，然后对液体进行冷却并且反馈到吸收器中，重新开始洗涤循环。

2009年夏季以来，德国能源供应企业——RWE电力公司在尼德奥塞姆 （Niederaussem）褐煤电站对该工艺进行了试点，并计划于2020年之前将二氧化碳捕集投入褐煤电站的商业应用。由于萃取效率超过90%，二氧化碳洗涤工艺能够大幅度减少燃煤电站燃烧气排放量，并且可以将被捕集的二氧化碳储存在地下。

林德集团拥有高科技天然气液化和空分装置领域的核心能力以及在氢、合成气和烯烃装置领域的广泛工程专长。林德集团工程事业部正在运用该集团在化工装置工程领域的专有技术及其在气体洗涤领域逾50年积累的丰富经验，积极推进二氧化碳洗涤工艺的应用。尽管这并不是一项全新的技术，但是仍然需要对该技术进行调整，使之能够满足、适合燃煤电站的具体要求。

在试点装置的建设过程中，需要应对诸多挑战。例如在煤化工行业中，气流中通常几乎不含氧。但是在燃煤电站中，气流中的氧含量为3%～5%。这意味着需要对化学洗涤工艺加以改进。此外，电力行业要求达到更高的能效水平，试点合作伙伴希望开发出新的改进型洗涤剂，以减少分离二氧化碳所需的能源消耗量。

巴斯夫股份公司为试点装置供应洗涤剂，林德集团位于德国德累斯顿的子公司——LKCA按照化工企业的规范要求建造洗涤设施。2010年1月份，双方同意共同对捕集烟气中二氧化碳的技术进行市场推广，目标市场主要集中在需要使用二氧化碳提高采油率的中东地区。在位于尼德奥塞姆褐煤电站的试点装置进行的试验将持续到2013年。根据试验方案的技术和商务结果，RWE电力公司届时将决定是否建造1个捕集能力高达100万t／a二氧化碳的完整的示范装置。该装置将为整个二氧化碳洗涤链 （从捕集和运输直至储存）提供概念验证。RWE电力公司表示，目前在荷兰埃姆斯港建造的燃煤电站将成为新的示范装置的理想现场。

Preview of carbon emissions reduction technology in Germany coal-fired power plant

Xie Deyu
（Fengfeng Group Co.，Ltd.，Jizhong Energy Group，Handan，Hebei 056107，China）

This article describes a series of clean technology in German，deal with serious challenges of climate change effectively and promote sustainable development of the world.

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谢德瑜 （1965-），男，高级工程师，现任冀中能源峰峰集团公司副总经理，长期从事煤矿生产和管理工作。

（责任编辑 温子伯）