未來燃煤發(fā)電的完美技術(shù)組合：CCS＋I(xiàn)GCC

近年來，隨著全球能源供應(yīng)的日趨緊張，昔日被認(rèn)為應(yīng)該淘汰的煤炭工業(yè)重新煥發(fā)了生機(jī)。有專家預(yù)言，在未來幾十年里，煤炭在世界能源體系乃至全球經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中將扮演著重要角色。然而，燃煤產(chǎn)生的大量二氧化碳排放使地球溫室效應(yīng)明顯加劇，導(dǎo)致全球氣溫變暖問題日顯突出。既要使用煤炭，又要減少二氧化碳的排放，世界各國的科研人員為如何解決這一“矛”與“盾”問題，開展了史無前例的技術(shù)創(chuàng)新研究。目前，碳捕捉及封存技術(shù)(CCS)和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)(IGCC)被認(rèn)為是最有潛力的技術(shù)，二者結(jié)合，將能實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放，大大提高燃煤效率。

燃煤與溫室效應(yīng)的矛盾

有資料顯示，2004年世界煤炭探明儲量為9090.64億噸，其中美國獨(dú)占世界煤炭儲量的27.1%，俄羅斯和中國分別居第二位(17.3%)和第三位(12.6%)。以目前的開采速度計(jì)算，全球現(xiàn)有的石油儲量可供生產(chǎn)50年，天然氣可供應(yīng)70年，而煤炭則可供應(yīng)164年。

可見，煤炭是最豐富的化石能源，因此，近年來使用煤炭做燃料在美國和西方國家迅速增長，煤炭占每年世界一次性能源的消費(fèi)量超過25%，在各種能源消費(fèi)量中僅次于石油。有專家預(yù)言，由于煤廉價(jià)又儲藏豐富，未來熱電站將主要以煤炭為燃料。在2003年至2030年之間，美國建成的以煤炭為燃料的發(fā)電站，總?cè)萘繉⑦_(dá)280.5吉瓦。

然而，日益加劇的全球氣溫變暖問題使許多人認(rèn)為，煤炭利用與環(huán)境保護(hù)之間是矛盾的，認(rèn)為煤炭是污染之源，是最大的溫室氣體排放源。此外，煤炭利用效率比石油和天然氣低20%到30%，應(yīng)屬于落后能源。同時(shí)，使用煤炭還會帶來一系列“后遺癥”，如冰山融化、有毒物質(zhì)排放和采煤礦工傷亡等問題。

但多年來，人們的探索與實(shí)踐證明，煤炭的污染物是可以清除的，煤炭的利用效率也可以大幅提高，大量削減二氧化碳排放也是能夠?qū)崿F(xiàn)的。近年來快速發(fā)展起來的潔凈煤技術(shù)，應(yīng)當(dāng)有望解決燃煤與溫室效應(yīng)的“矛”與“盾”問題。

CCS技術(shù)

目前，全球最公認(rèn)的降低二氧化碳排放方法是CCS(碳捕捉及封存技術(shù))。該技術(shù)要求首先對燃煤發(fā)電中產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行捕捉和收集，這與能源行業(yè)及其他工業(yè)活動中，在高壓下收集濃縮二氧化碳?xì)饬鞯姆椒ǚ浅ｎ愃啤?/p>

二氧化碳的收集有3種方式：后燃燒系統(tǒng)、預(yù)燃燒系統(tǒng)和加氧燃燒。操作條件決定收集方式。后燃燒收集碳的技術(shù)同現(xiàn)已大規(guī)模用于天然氣分離二氧化碳的技術(shù)相似;預(yù)燃燒收集碳技術(shù)現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)氫氣;加氧燃燒收集二氧化碳的技術(shù)還處于示范階段。收集到的二氧化碳必須運(yùn)送到一個(gè)合適的場所進(jìn)行封存。在技術(shù)層面上，使用管線或者船舶就可以運(yùn)送二氧化碳，而二氧化碳在30℃和5個(gè)大氣壓條件下就可以保持液態(tài)。二氧化碳存儲方式又分成4種：一是通過化學(xué)反應(yīng)將二氧化碳轉(zhuǎn)化成固體無機(jī)碳酸鹽;二是工業(yè)直接應(yīng)用，或作為多種含碳化學(xué)品的生產(chǎn)原料;三是注入海洋1000米深處以下;四是注入地下巖層。第四種方式最具潛力，向地層深處注入二氧化碳的技術(shù)，在很多方面與油氣工業(yè)已開發(fā)成功的技術(shù)相同，有些技術(shù)從上世紀(jì)80年代末就開始使用了。

適宜封存二氧化碳的地層有3種：不可開采的煤層裂縫、衰竭的油氣層和深鹽水層。向衰竭或?qū)⒁ソ叩挠蜌鈱幼⑷攵趸际亲钣形Φ倪x擇，因?yàn)樗蓪CS和提高采收率技術(shù)聯(lián)系在一起。研究表明，我們生存的地球可封存不少于2萬億噸的二氧化碳，地下封存可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，包括二氧化碳的突然爆發(fā)和逐漸滲透。

目前，人們對二氧化碳的捕捉及封存已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，比如，利用二氧化碳提高采油技術(shù)已廣泛應(yīng)用于美國二疊紀(jì)盆地、加拿大的韋伯恩油田和挪威的斯雷普納等油田。CCS技術(shù)用于燃煤電站的主要基礎(chǔ)設(shè)備也能夠在工業(yè)上進(jìn)行生產(chǎn)，但完整的技術(shù)系統(tǒng)還沒有，現(xiàn)在需要的是大型CCS示范項(xiàng)目為未來發(fā)展鋪平道路。

兩大技術(shù)珠聯(lián)璧合

使用煤炭最多的行業(yè)是發(fā)電，因此，解決燃煤發(fā)電中二氧化碳的問題成了最主要的任務(wù)，而目前最具潛力的技術(shù)是IGCC(煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù))。該技術(shù)是一種先進(jìn)的動力系統(tǒng)，它可將煤氣化技術(shù)和高效聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合。它由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃?xì)釪蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。第一部分的主要設(shè)備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設(shè)備;第二部分的主要設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。

IGCC的工藝過程如下：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物和粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料，然后送入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒，被加熱的氣體用于驅(qū)動燃?xì)庾鞴?，燃?xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機(jī)作功。

一般的熱電站，通常會在普通大氣壓下利用鍋爐燃燒煤炭，煤炭燃燒產(chǎn)生的熱將水變成蒸汽，再通過渦輪機(jī)轉(zhuǎn)化成電能。F代電廠中，燃燒煤產(chǎn)生的廢氣，會通過其他設(shè)備去除硫與氮的成分，最后經(jīng)煙囪排出。在去除一般污染物后，可以再從其中抽出二氧化碳。由于廢氣中大部分是氮，二氧化碳占的含量比較低，因此，這樣處理二氧化碳的方式既耗能又昂貴。

而在IGCC系統(tǒng)中則不燃燒煤，而是讓煤在與空氣隔絕的高壓氧化爐中與有限的氧和蒸汽一同作用，氧化過程中形成的合成氣體，主要成分是一氧化碳與氫，并不含氮。同時(shí)，利用IGCC技術(shù)，從合成氣體中也去除了大部分的一般污染物，再加以燃燒，產(chǎn)生的氣體用于獲得水蒸氣，推動渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這一過程稱為復(fù)合式循環(huán)。

因此，可以在IGCC技術(shù)中利用CCS方法，對生產(chǎn)過程中的碳進(jìn)行捕捉和封存，使IGCC有可能成為未來極低排放發(fā)電系統(tǒng)的最佳方法，并成為氫能經(jīng)濟(jì)的一部分。在設(shè)有捕捉二氧化碳程序的IGCC電廠中，合成氣體脫離氣化爐，經(jīng)過冷卻并去除粒子后，與蒸汽發(fā)生作用，產(chǎn)生的主成分為二氧化碳和氫的混合氣體。這里二氧化碳被捕捉，經(jīng)過壓縮和干燥，最后運(yùn)輸?shù)椒獯娴?。剩余的含氫氣體，再被燃燒用于發(fā)電。

研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電中捕捉和封存二氧化碳的技術(shù)相比，使用高品質(zhì)煤的IGCC電站，捕捉二氧化碳所消耗的能量少、成本也低。另外，汽化系統(tǒng)是在高壓和高濃度狀態(tài)下抽去二氧化碳，比傳統(tǒng)的方法要容易得多;收集二氧化碳過程中的高壓，也對道輸送二氧化碳有很大幫助。

整體上說，如果在燃煤發(fā)電中采用CCS技術(shù)，生產(chǎn)每一度電所需消耗的煤可比在傳統(tǒng)電廠中要多消耗30%，比在IGCC電站中要少消耗20%。美國正在設(shè)計(jì)建設(shè)應(yīng)用CCS技術(shù)的IGCC的電站，這將是世界第一座零排放燃煤發(fā)電廠。目前IGCC發(fā)電技術(shù)正處于第二代技術(shù)的成熟階段，燃?xì)廨啓C(jī)初溫達(dá)到1288攝氏度，單機(jī)容量可望超過400兆瓦。世界在建和擬建的IGCC電站24座，總?cè)萘?400兆瓦。荷蘭的BAGGENUM電站已于1994年投入運(yùn)行，美國WABASHRIVER電站及TAMPA電站、西班牙的PUERTOLLANO電站已于1997年前相繼投入試生產(chǎn)。

呼喚政策支持

然而，今天，大多數(shù)燃煤發(fā)電企業(yè)在計(jì)劃建設(shè)的新電站中，并沒有使用CCS技術(shù)，因?yàn)閼?yīng)用CCS技術(shù)的成本比較高。應(yīng)用CCS技術(shù)的成本取決于電站的類型、封存二氧化碳的場所與電站的距離、巖層的性質(zhì)等因素。有研究機(jī)構(gòu)對使用CCS技術(shù)的IGCC電站兩種情況進(jìn)行了評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果將二氧化碳封存在距離電站100千米的地下鹽水層中，生產(chǎn)1度電的成本比直接排放二氧化碳到大氣要增加1.9%;如果將捕捉的二氧化碳用于100千米外的采油井，只要石油的價(jià)格不低于每桶35美元，電站的成本不會增加。

另外，大多數(shù)企業(yè)認(rèn)為，目前的政策也不能使應(yīng)用CCS技術(shù)的企業(yè)降低成本，達(dá)到最大贏利。比如，只有對二氧化碳的排放處罰不少于每噸25美元到35美元，那些將二氧化碳出售給采油企業(yè)的電站才能不虧損，但許多國家在制訂的政策中，對二氧化碳排放處罰力度比較低。

但大多數(shù)燃煤企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識到，環(huán)境保護(hù)的要求和現(xiàn)實(shí)性遲早會迫使企業(yè)應(yīng)用CCS技術(shù)，雖然在計(jì)劃建設(shè)的新電站中沒有應(yīng)用CCS技術(shù)，但對未來使用CCS技術(shù)做好了準(zhǔn)備，也就是說，一旦需要，就可以投入使用。這就意味著，CCS技術(shù)本身不是一個(gè)限制性因素，而關(guān)鍵的因素則是經(jīng)濟(jì)激勵，此外還需要政策的大力支持。