二氧化碳捕集技术综述_大学学士学位论文(编辑修改稿)

二氧化碳捕集技术综述_大学学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

(2)操作灵活性低和变负荷性能差。 虽然近几年 IGCC 电站的设备可靠性、电站可用率都有了明 显的提高，但其技术特点决定 IGCC 电站不适用于电 网调 峰。 首 先，气化装置只能在负荷范围 50% ~100%运行 (采用 Texaco 气化炉为 60% ~ 100% )，造成了 IGCC 电站的变负 荷范围窄；其次， IGCC 电站 的变负荷速率不可以太高，一般认为调解负荷率为 3% /m in 左右 (常规燃煤电厂 8% /m in) ；再次， IGCC 启动时间长，热启动需要 1. 5 h ~ 2 d, 冷启动大概需 要 2 ~ 3 d； 最后，受燃气轮机部分负荷 效率低的影响， IGCC 部分负荷时效率降低大。 (3)可用率低。 由于停机时间长，目前世界示范 IGCC 电厂的可用率在 70% ~ 85%。 通过近几年各国学者的研究和示范电厂的运行上述问题对 IGCC 电厂的影响在逐渐降低。 IGCC 电厂具有发电效率高、燃料适应性广优越的环保特性可实现 CO2近零排放和多联产等优点使其具有越来越强的竞争力。 二氧化碳捕集技术综述 南京师范大学学士学位论文 9 气化炉 IGCC 气化炉及煤气的净化系统的要求是： 气化炉的产气率、煤气的热值和压力及温度等参数能满足设计的要求 气化炉有良好的负荷调节性能，能满足发电厂对负 荷调节的要求 煤气的成分、净化程度等要能满足燃气轮机对负荷调节的要求 具有良好的煤种适应性 系统简单，设备可靠，易于操作，维修方便，具有电厂长期、安全可靠运行所要求的可用率 设备和系统的投资、运行成本低 可能采用的煤的气化炉有喷流床（ entrained flow bed）、固定床（ fixed bed）和流化床（ fluidized bed）三种方案。 1）喷流床气化炉 喷流床是目前 IGCC 各示范工程中采用最多的一种气化炉。 它是一种高温、高压煤粉气化炉，气化炉的压力为 2060bar， 要求采用 90%以上的颗粒小于100μ m 的煤粉，采用氧、富氧、空气或水蒸气作为气化剂，当以氧为气化剂时，气化炉炉膛中心的火焰温度可达 2020℃。 由于是高温气化，在产生的粗煤气中不可能含有很多碳氢化合物、煤焦油和酚类物质，煤气的主要成分是 CO、 HCO2 和水蒸气，离开气化炉的热煤气温度在 12001400℃，往往高于灰的软化温度。 为了防止热煤气中已软化了的粘性飞灰在气化炉下游设备（余热锅炉）粘结堵塞，将除尘后的冷煤气增压后再返送回煤气炉的出口和热煤气混合，将热煤气的温度降低到比灰的软化温度低 50℃，然后，热煤 气再经过气化炉的余热锅炉（辐射和对流蒸汽发生顺）产生饱和蒸汽，同时使热煤气的温度降低到200℃左右，约 50%的煤中灰分在气化炉高温炉膛中心变成液态渣，由炉底排出并通过集渣器送入渣池。 煤粉灰中的以飞灰的形式随热煤气，帮煤气须经除尘、洗涤脱硫处理，成为清洁的煤气，再送往燃烧室。 喷流床气化炉由于是煤粉高温高压气化，因此煤种适应性广，碳转化率高，能达到 99%以上。 2）流化床气化炉 流化床气化炉可以充分利用床内气固两相间的高强度的传热和传质，使整个床层内温度分布均匀，混合条件好，有利 于气化反应的进行。 同时，可以利用流化床低温燃烧，在燃烧和气化过程中加入脱硫剂（石灰石或白云石），将产生的大部分 SO2和 H2S 脱除。 由于流化床气化炉内的反应温度一般控制在 850－ 1000℃，因此，它产生的焦油、烃、酚、苯和萘等大分子有机物基本上都能被裂解为简单的双原子或三原子气体，煤气的主要成本是 CO 和 H2， CH4的含二氧化碳捕集技术综述 南京师范大学学士学位论文 10 量一般少于 2%。 3）固定床气化炉 固定床气 化炉是最早开发出的气化炉，它和燃煤的层燃炉类似，炉子下部为炉排，用以支承上面的煤层。 通常，煤从气化炉的顶部加入，而气化剂（氧或空气和水蒸气）则从炉子 的下部供入，因而气固间是逆向流动的。 这种气化炉和燃煤的层燃炉一样，对煤的粒径有一定的要求。 固定床气化炉有两种煤气出口集团的设计。 粗煤气唯一出口位置设计在干燥区上面煤层的顶部，称为单段气化炉，此时出口处煤气的温度为 370－ 590℃，在这煤气温度下，气的油和煤焦油等会发生裂解和聚合反应，从而生成彼一时质焦油和沥青。 同时高温煤气穿过煤层时产生的剧烈干馏会使煤发生爆裂，产生大量煤尘，并随粗煤气一起带出气化炉。 因而这种单段气化炉的粗煤气质量是比较差的。 另一种设计是，有两个煤气出口，除了在干燥区上部的出口外，另一个 则在气化区的顶部，煤气产量的一半从这个出口离开气化炉。 由于流经挥发分析出区和干燥区的煤气量只有单段炉的，有利于防止由于煤的爆裂而产生的大量煤尘，而且不会产生彼一时质焦油和沥青。 因此，两段炉产生的粗煤气的质量是比较好的。 IGCC 系统中的 CO2分离技术 IGCC燃烧前分离 CO2的方法是通过水煤气变换反应 ( CO+ H2O→CO 2+ H2) 把 CO 气体转化为 CO2 和 H2, 转化后 CO2 的富集度提高 30%40% , 再通过物理吸收系统把 CO2 分离掉 ,剩下的大部分为理想的富氢燃料气 , 其 原理如下图所示： 图 24 IGCC燃烧前二氧化碳分离原理图 这种分离法与燃烧后分离法相比 , 由于分离与吸收 CO2 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及分离溶剂的用量 , 大大降低了能耗和成本 , 系统净效率提高了 1%2%。 缺点是增加燃料气转化反应环节后 , 总的燃料气冷煤气效率降低了 6%7%。 另外在转化过程和分离、回收 CO2时进行煤气冷却以及溶剂再生过程中的煤气冷却等都会导致能量损失 , 使系统净输出功减小、效率下降。 目前降低燃烧前分离 CO2 能耗主 要从 2 方面考虑。 通过二氧化碳捕集技术综述 南京师范大学学士学位论文 11 转化过程设计优化 , 使能量消耗与成本均达到最优。 降低分离和吸收过程中的能耗。 完成以上分离的吸收剂限制在低温下工作 , 若采用能在高温下进行吸收反应的新溶剂将有助于降低能耗。 美国路易安那州立大学正在研究利用氧化钙吸收法分离 CO2 技术 , 可在相对高的温度下运行 , 省去其他方法因需冷却煤气所造成的能量损失。 IGCC 技术发展前景 IGCC 技术当前状况 IGCC 的技术日臻成熟，已进入 300～ 400MW 大容量机组的商业示范阶段，也就是第二代商用化示范电站。 加强整体化，并采用最新 技术，提高发电效率，成为世界能源界关注的白热点。 现在新型工业燃气轮机的进气初温已达 1430℃ ，用以组成的 IGCC 系统净效率应将超过 50%。 以先进的 H 级燃气轮机为核心的前置 SOFC(固体氧化物燃料电池 )、后置 HAT(湿空气透平 )循环的 IGCC 的发电效率将达到 60%～ 70%以上。 由于 IGCC 的技术发展和环保标准的提高，以及石油天然气等能源价格的走势等多种原因， IGCC 逐步从商业示范走向商业应用阶段。 据有关部门的统计，全球已经运行的 IGCC 电站有 59 座，最高发电率达到 45%，为未来的 IGCC电站建设积累了丰富的 经验。 全世界已经宣布或正在规划中的 IGCC 电站有 50多个。 如图 25所示，全球只有少数几个 IGCC 电站被延期或取消，在 2020 年到 2020 年以后更多的 IGCC 电厂将实现商业运行。 从国外最近的研究进展和发展趋势来看， IGCC 技术正在逐步走向大规模的商业运行。 作为可持续发展的先进洁净煤技术， IGCC 将是未来能源系统的核心技术和重要基础之一。 图 25 IGCC 的运行进展图 二氧化碳捕集技术综述 南京师范大学学士学位论文 12 随着煤气化技术和燃机技术的不断发展和进步， IGCC 朝着大容量、高效率、低排放发展，而全球煤气化容量虽然各年有所波动，但始终保持 增长态势。 自 20 世纪 80 年代起，美国、欧盟和日本等国政府分别制定和实施了 IGCC 研究、发展和示范的国家计划，投资持续增加。 根据德国联邦银行 2020 年 1月的研究报告，到 2030 年时全球对于煤气化这种低排放技术热电厂的投资额将会增加到 100 亿美元，其中中国就将超过 20 亿美元 IGCC 技术未来发展方向 （ 1） 适用于发电用的大容量、高性能气化炉须继续提高增压煤气化炉的性能和运行可用率和可靠性。 目前 IGCC 电站的运行可用率在很大程度上取决于气化炉的可用率。 3000t/d 以上的气化炉对 IGCC 达到规模经济大型化是 必要的，喷流床在这方面有优势，但进一步提高热力性能的潜力有限。 不同技术融汇和渗透将使煤气化技术有大突破，如气化技术和流化床燃烧技术的汇合，炉内固态脱硫和炉外气体净化技术的互补，使煤在气化过程中就经济有效地去掉大部分硫，从而简化或省去后置的煤气净化设备。 （ 2） 目前在 IGCC 电站中都使用深冷法制氧设备。 采用深冷方式空分一方面耗能比较大（约占厂用电的 10%15%），另一方面这种设备的价格高，而且起停需要若干小时，不利于调峰。 为了提高 IGCC 的供电效率，人们正在研究膜技术或者 PSA 变压吸附方式制氧新设备，电耗 仅为深冷的三分之一，起停时间以秒计。 若能够大型化，则将改善 IGCC 电站的效率和调峰性能。 国际上正在开发先进的膜分离技术，以实现氧气的低成本、高效率和大规模生产。 于 2020年开始进行中试，采用膜分离制氧技术有望将全厂投资成本减少 $75～ $100/kW，效率比常规的 IGCC 电厂提高 1～ 2个百分点，同时能使电站的热耗率降低 211 kJ／ kWh。 （ 3） 高性能的高温燃气轮机发展单机功率更大、燃气初温更高、热耗率更低的燃气轮机，以它为核心来优化配置 IGCC 的各系统。 依靠高温材料和冷却技术的改进来不断提高 T3，仍是燃气 轮机发展的主要趋势。 有学者对 IGCC、PFBCCC 以及 AFBCCC 三者性能进行分析得出结论，认为： IGCC 的优势在高温段 (1200℃ 以上 )，当初温提高到足够高时，升温获益渐渐冲淡气化和净化环节能量损失的影响，且由于透平排温的同步上升，蒸汽侧也能采用高参数 (亚临界、超临界 )，有着更大的提高效率的潜在能力。 正在商业化的 T3=1430℃ 的G型机组，或许是传统气冷技术和材料所能达到的初温的极限。 目前正在开发 H型技术，主要特征是采用更有效的蒸汽冷却技术，超级合金材料隔热涂层与先进工艺 (定向结晶和单晶叶片 )，还有 先进的气动热力学设计方法 (如可控扩压原理 )和低 NO、燃烧器等，有望把 T3提升到 14001600℃。 （ 4） 高温煤气净化设备继续研究高温条件下的除灰脱硫方法，它是今后简二氧化碳捕集技术综述 南京师范大学学士学位论文 13 化 IGCC 的系统并降低其比投资费用的一个重要方向。 在 500600℃ 的高温条件下除尘和脱硫，使系统热效率有所提高，并简化系统、降低比投资成本。 第 节 燃烧中二氧化碳捕集技术综述 富氧燃烧技术原理 富氧燃烧技术就是 用比通常空气（含氧 21%）含氧浓度高的富氧空气进行燃烧。 它是一项高效节能的燃烧技术，在玻璃工业、冶金工业及热能工程 领域均有应用。 富氧燃烧的形式大致可分为：微富氧燃烧 (Air Enrichment)、氧气喷枪 (O2 Lancing) 、 纯 氧 燃 烧 (Oxygenfuel Combustion) 及空 氧燃烧(Airoxygen/Fuel Combustion)四大类。 富氧燃烧技术的原理是用纯氧燃烧同体燃料，由二氧化碳循环流控制燃烧。 富氧燃烧产生的烟气主要由水和二氧化碳组成，采用水分离技术在后端能比较容易地捕集到二氧化碳。 富氧燃烧技术适用于新机组，也可应用于某些改造机组。 富氧燃烧技术特点 富氧燃烧有很多突出的特点 ，其中优点很明显，下面介绍与普通空气燃烧相比有的以下六个优点： 辐射换热是锅炉换热主要的方式之一，按气体辐射特点，只有三原子和多原子气体具有辐射能力，原子气体几乎无辐射能力。 所以在常规空气助燃的情况下，无辐射能力的氮气所占比例很高，因此烟气的黑度很低，影响了烟气对锅炉辐射换热面的传热。 富氧助燃技术因氮气量减少，空气量及烟气量均显著减少，故火焰温度和黑度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，进而提高火焰辐射强度和强化辐射传热。 一般富氧浓度在 26％～ 3l％时最佳。 ，促进燃烧安全。 燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大，如氢气在纯氧中的燃烧速度是在空气中的 4． 2倍，天然气则达到 10． 7倍左右。 故用富氧空气助燃后，不仅使火焰变短，提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时由于温度提高了，将有利于燃烧反应完全。 燃料的燃点温度随燃烧条件变化而变化。 燃料的燃点温度不是一个常数，如 CO 在空气中为 609℃ ，在纯氧中仅 388℃ ，所以用富氧助燃能提高火焰强度、增加释放热量等。 ，减小锅炉体积。 二氧化碳捕集技术综述 南京师范大学学士学位论文 14 随 着富氧空气中含氧量的增加，理论空气需要量减少，烟气量减少。 采用纯氧燃烧时烟气量减少近 80%，故可以采用体积更。