PFBC的研究进展及在碳捕获方面的应用

任俊卿， 王鹏程， 李伟斌

(1.阳煤化工集团公司，山西 太原 030006；2.阳煤化工研究院，山西 太原 030021)

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。由于“富煤、贫油、少气”的能源格局，煤炭在中国能源结构中占主要地位。煤炭的大量燃烧在促进发展国民经济的同时也带来了严重的大气污染问题，我国燃煤火电占全部电力生产的80%，燃煤电厂排放出的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等气体污染物占全国污染物排放的很大比重[1]。既要发展经济，又要低碳环保，在这种严峻形势下，发展燃煤清洁发电技术是现阶段中国发电企业的一条切实有效的发展之路。

增压流化床燃烧(PFBC)技术作为一种清洁燃煤发电技术，可实现燃气/蒸汽联合循环，具有较高的发电效率，同时在燃烧过程中能减少SO2、NOx等污染物的排放，且相对常压流化床燃烧设备，具有结构紧凑、投资相对较低等优势[2]。

英国于上世纪60年代开始研究增压流化床燃气-蒸汽联合循环发电(PFBC-CC)技术，主要目的是提高燃煤电站的循环效率[3]。多年来历经理论研究、实验室小规模试验、工业试验等阶段，目前国外的PFBC技术已进入商业应用阶段，其主要的标志是以ABB Carbon公司开发的P200型PFBC-CC模块为基础的三座PFBC-CC示范电站。电站于1990年建成并投入试运，显示出良好的环保性能。国外拥有PFBC-CC的示范站分布情况，如表1所示。

80年代初期，我国开始了对PFBC的研发工作，东南大学在国家科委的支持下，开始较全面的实验室规模研究。“八五”期间，国家计委将该技术列入国家重点科技攻关项目，“九五”期间，该技术被国家科技部列为全国51项“重中之重”项目之一。东南大学于1991年开始设计15 MW的PFBC-CC技术，在徐州贾汪电站进行中试，现在已经掌握了关键技术[5-6]。通过实验研究，发现系统中还有一些问题需要解决，如结构较笨重，燃气轮机出力不足，叶片需要特殊处理，投资较大等等。另外，我国引进了4台ABB Carbon公司的P200装置，分别在大连台山电厂和徐州贾汪电厂各装设2台，以此作为我国PFBC-CC示范电站。目前我国PFBC技术的开发研究与国际先进水平还有较大的差距[7-8]。一些科研机构也在研究改进PFBC技术，烟气的净化是PFBC-CC的关键技术之一，孙志辉[9]研究并开发了新型颗粒层除尘器，可提高PFBC-CC的效率。

表1 国外PFBC-CC示范站[4]

1 PFBC-CC的基本原理

在压力为0.6 MPa～1.6 MPa，温度为850 ℃～920 ℃的条件下，在增压流化床锅炉燃烧室中进行煤的燃烧和脱硫过程[10]。燃烧产生的烟气经过旋风分离器净化后，驱动燃气轮机。燃气轮机又带动压气机把燃烧所需高压空气送入燃烧室。同时，燃烧室中的水冷壁所产生的蒸汽驱动蒸汽轮机。在这种联合循环中，燃气轮机除了提供高压空气外，还产生约20%的输出电功率。蒸汽轮机产生约80%的输出电功率。这个联合循环的效率较高，与常规燃煤电站相比，每kW·h少耗燃料约10%～15%，而且对环境的影响比较小。

因为PFBC的燃烧温度为850 ℃以上，故NOx的生成量低。将吸附剂与煤一起加入，硫氧化物的排放量能降低到很低水平，脱硫率可达90%～95%，即使对高硫、高灰的劣质煤也可以有效地应用PFBC技术[11]。

以上介绍的PFBC-CC过程称为第一代技术。第一代PFBC-CC发电系统的流化床内燃烧温度在900 ℃左右，过高的温度使煤的燃烧过程易引起结渣，也可导致流化床内脱硫过程的效率下降，从而限制了燃气透平的进口温度，使燃气循环效率不能进一步提高，以致发电效率难以超过42%。第二代PFBC-CC系统采用部分气化和前置燃烧，把燃机进气温度提高到1 150 ℃～1 200 ℃，采用超临界蒸汽参数，使热效率从现有PFBC的42%提高到45%～48%[10-12]。体积更小，排放更清洁，其发电成本比煤粉燃烧加烟气脱硫(PC+FGD)低20%。第二代PFBC的实质是PFBC和IGCC的结合。

PFBC相比于传统锅炉具有以下优势：高脱硫率，低NOx排放，煤种适应性强，紧凑的设计适于对旧电厂的改造和实现模块化，减少占地面积，节约建设成本。

2 PFBC应用于碳捕获和储存

碳捕获和储存技术(CCS)是一种将二氧化碳从烟气中分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的技术，是控制化石燃料发电厂副产品的最实用的方法。多年来，研究人员已经开发出了一系列方法来将二氧化碳从发电的副产品烟道气混合物中分离出来。目前的技术采用了燃烧后捕获的方法来减少现有发电厂的碳排放。在这个过程中，烟气通过一个过程使二氧化碳被分离和储存。通过预燃捕获，或集成的气化联合循环(IGCC)，氧气被从大气中剥离出来，产生一种几乎纯氧的气体，它被送入一种气化器，使煤焙烧并释放合成气，一种混合气体(氢气、一氧化碳和二氧化碳)。合成气随后被分解成二氧化碳和氢。然后氢气在一个燃气轮机里燃烧发电，而二氧化碳则被压缩储存。使用这些方法捕获和储存二氧化碳需要大量的能量和成本。对比没有CCS的燃煤电厂，采用CCS将使电力成本增加75%以上——成本的增加通常被称为“碳税”。

近些年，美国正在研制利用氧化加压流化床燃烧室(Oxy-PFBC)来降低碳捕集成本的新技术[13]。加压氧化燃烧预示着通过使用加压的氧气和二氧化碳的混合物而不是空气来燃烧燃料，从而使预燃和二次燃烧的过程中碳捕获的碳税减少。氮气在燃烧前从空气中除去。这提高了效率，烟道气(主要是二氧化碳和水蒸气)可以更简单、更低成本与二氧化碳分离。增压也降低了设备的大小，节约额外的成本。由于使用了成本较低的锅炉和二氧化碳捕获设备，工厂成本降低了25%。

应用Oxy-PFBC进行碳捕获过程大致如下：煤注入流化床(燃烧室)中与氧气和二氧化碳的混合物燃烧。石灰石也被加入来捕捉硫。当煤在压力容器中燃烧时，水通过燃烧室内部排列的管道移动，而流化床则提高热传递到管道，使水变成蒸汽。蒸汽进入涡轮，以产生电力加压的二氧化碳和水出口作为烟道气体。水被去除，二氧化碳净化系统除去了其他的微量气体。纯化的二氧化碳被进一步压缩，然后用管道输送出来，以进行封存，如图1所示。Oxy-PFBC示范项目正处于试验阶段。

图1 应用Oxy-PFBC进行碳捕获

3 结语

增压流化床燃烧联合循环(PFBC-CC)发电技术是一种环保、高效的洁净煤发电技术，目前国内处于试验阶段，具有一定的研究基础和技术积累。下一步应加大科研投入，加快研究进程，鼓励技术创新，同时引进国外先进技术，使PFBC-CC技术达到商业化应用的阶段，形成我国自主知识产权和生产能力。

世界各国都需要持续地燃煤来生产足够的电力，电力系统离不开煤炭。所以发电成为二氧化碳排放的主要来源之一，在2013年，电力和发热占全球二氧化碳排放量的近一半(42%)。需要一个能明显减少二氧化碳和其他温室气体排放的解决方案。多年来，气候研究人员一直专注于通过改造燃煤发电厂大规模减少碳排放。氧化加压流化床燃烧(Oxy-PFBC)技术应用于碳捕集项目给那些希望继续依靠化石燃煤发电的国家提供了巨大的希望。该技术的真正潜力在于全球应用，特别是在一些严重依赖煤炭的发展中国家。由于COP21(第21届联合国气候变化大会)的限制以及今后全球限制二氧化碳排放的政策变得更加严格，这将是许多国家技术转向的重要选项，因为它提供了一种更为经济的方式将碳的捕获和电力生产极好的耦合起来。