洁净燃煤减排技术的发展前景
摘要:文章评述了目前世界燃煤发电的CO2减排技术前景以及洁净燃煤技术的发展情况，并对我国燃煤技术减排的情况进行了展望。
关键词:洁净燃煤;减排技术;碳捕集和封存;CO2减排
1 世界CO2减排技术发展展望
燃煤电厂每年向空气中排放大量的CO2，是造成温室效应的主要原因之一，而煤炭发电量现占世界电力供应量的40%，随着全球发电能力的增长，此比例将保持稳定。燃煤发电能力有望到2030年翻一番，除非有新的技术应用，否则CO2的排放量增大将会对全球环境产生严重影响。
英国某咨询机构在2007年7月下旬发布的“洁净煤的未来：新技术和法规对燃煤发电经济性的影响”报告中展示了洁净燃煤减排的未来发展前景。报告评述了新技术在短期、中期和长期内对燃煤发电的影响。主要观点如下：
（1）到2030年，煤炭发电量仍将占全球电力供应量的40%，这将使全球燃煤能力增长50%～100%；
（2）到2020年，中国煤炭发电能力将达到66GW，印度将达到160GW。美国到2030年将新增发电能力100～150GW，而欧盟需求则可能下降；
（3）为了降低CO2排放，短期内（到2020年）可通过增加使用基于临界和超临界粉煤技术的高效燃煤发电厂来满足需求；
（4）2020年后，CO2捕集与封存技术将进入市场，将建设实际上的零排放燃煤电厂。发展进程将取决于温室气体控制方面的全球性协议；
（5）燃煤发电可望与最好的可再生能源技术相竞争，甚至在扣除碳捕集技术成本后。
据美国能源情报署（EIA）发布的数据，美国燃煤电厂的平均CO2排放量为0.95kg/kW·h。
燃煤电厂每年有数十亿吨CO2排向大气。据相关科学家联盟发布的数据，典型的燃煤电厂每年会产生370万吨CO2。2008年芝加哥气候变化交易的合同价为22.88美元/吨CO2，则此项交易费为8465.6万美元/年。
美国电力公司于2007年10月中旬宣布，将投资46亿美元用于其电厂的污染控制。
洁净煤发电的关键是减排温室气体。澳大利亚环境部于2007年7月底表示，如果到2050年左右全球温室气体排放减少50%，则世界电力必须由零排放或接近零排放的电厂生产。由于澳大利亚较多地依赖于传统的燃煤发电，因此发展洁净煤技术、实施碳封存是该国实现温室气体减排目标的关键。澳大利亚将在世界上领先发展洁净煤技术。分析人士指出，到2050年，世界上几乎所有的电站都将实现零排放或接近零排放。
2 洁净燃煤技术的发展
洁净煤技术（CCT）由于可减少燃煤发电的CO2排放，已成为工业关注的热点。煤炭燃烧产生的CO2是造成全球变暖的主要因素之一。燃煤工业正在承受减排CO2的压力。许多国家和公司对洁净煤技术的开发和市场化给予了极大的关注。而大多数CCT尚未获得商业规模的验证。绝大多数CCT过程都涉及到碳捕集和封存（CCS）技术。人们正在关注将CO2贮存在地层中，如油气田、未开采的煤层和盐水深层中，也可望在深海地层中贮存CO2。
碳捕集技术包括烟气洗涤或“oxyfuel”方法（即氧燃烧方法）。烟气洗涤涉及用化学洗涤器处理来自煤炭燃烧的烟气，以去除SO2，并将所得到的溶剂再加热，以释放出高纯度的CO2，用于封存；在‘oxyfuel’方法中，煤炭是在氧气而不是在空气条件下燃烧，以减少系统产生的气体数量，所排放的气体中含80%以上CO2，易于分离和捕集。
洁净煤燃烧的其他途径是将生物质和作物或林业废弃物与煤混烧，或者采用一体化气化联合循环（IGCC）。IGCC过程将煤通过化学预处理，并转化为合成气，然后燃烧发电。IGCC装置效率较高，而现在的高效燃煤装置效率只有37%～43%。
即便如此，采用上述两种方案的CCT仍不能满足要求。从环境角度出发，当今的煤炭燃烧仍然没有做到充分的“洁净”，要想实现这一目标需采用高成本的CCT才行。
欧盟于2003年所作的一项研究，估算了燃煤电厂采用CCS技术的成本，捕集CO2的成本范围为30～71美元/吨CO2，电力成本提高43%～91%。其成本范围较宽是因考虑了与地区有关的因素，如封存地点的距离、深度和地质特征。2005年英国所作的一项研究，估算了建设一座500MW的IGCC工厂的投资为6.86亿美元，这不包括CCS技术，如采用CCS技术则需投资9.30亿美元。应用CCS技术改造现有工厂的费用甚至会高于新建的费用。支持CCT应用的人们期望通过碳交易计划为开发这些方案提供足够的吸引力。然而，现在大多数的碳交易价格远低于60欧元/吨，因此有必要使投资更为经济合理。
英国发电商Scottish电力公司于2007年5月进行了可行性研究，将改造其两个最大的发电站，建设欧洲最大的洁净煤项目。Alstom电力公司和Doosan Babcock公司将为应用于Longannet和Cockenzie电厂的超临界透平和锅炉提供设计，超临界透平和锅炉在超高温和高压下燃烧煤炭。两座电厂的碳排放将减少20%，总发电能力达3390MW，超过苏格兰电力需求的1/4。该洁净煤项目的建设将于2009年开始，2012年投运。该发电站也在Longannet电厂设计采用碳捕集技术，将电厂排放的CO2注入地下煤层深处，用以驱赶煤层气，再将煤层气用作燃料。
目前，尚没有捕集所有CO2的燃煤电站在进行商业化生产，洁净煤发电站实现大规模商业化应用，预计还将需要15～20年的时间。
美国普莱克斯公司与福斯特惠勒公司于2007年9月中旬宣布，将联手开发洁净煤验证项目。该项目将使洁净煤技术与一体化氧–煤燃烧系统组合到燃煤发电厂中，以帮助捕集和封存CO2。组合采用两家公司的技术和系统经验，将使这类燃煤发电厂比类似规模的常规燃煤电厂减少CO2排放90%以上。这类发电厂可采用与煤一起燃用的燃料如生物质和石油焦，可以同样取得减排CO2的效果。按照这项合同，福斯特惠勒公司将开发和供应利用氧–煤燃烧技术的蒸汽锅炉，并将其设置在新建的或现有的燃煤电厂中。氧–煤燃烧技术可从蒸汽锅炉得到高浓度的CO2气流，有利于碳的捕集和封存。据福斯特惠勒公司预计，其氧–煤燃烧技术的第一次应用将涉及该公司的循环流化床（CFB）蒸汽锅炉，该CFB锅炉现已以其高效、灵活和排放相对较低的特点而应用于全球市场。福斯特惠勒公司预计，氧–煤燃烧技术将能很好地应用于粉煤蒸汽锅炉。福斯特惠勒北美公司已完成中型和小型氧–煤燃烧试验。普莱克斯公司在开发先进的基于氧气的燃烧和气体加工技术方面已有很长历史，为许多工业用户带来了很大的生产和环境效益。对于这一项目，普莱克斯公司将提供上游供氧设施，使用其设计、工程和建设经验，建设大型制冷空分装置，以生产洁净煤项目所必须的大量氧气。普莱克斯公司也以其作为世界领先的CO2供应商之一的经验，将提供下游CO2捕集和气体加工技术和设备。两家公司将在纽约Jamestown公用事业局的支持下联合完成这一商业化验证项目，这将是美国此类的第一个项目，将为未来的能源开发提供国际化经验。
普莱克斯公司与西班牙Fundacion Ciudad能源（CIUDEN）公司合作，采用先进技术设置中型装置开发洁净煤项目，使位于西班牙北部El Bierzo的燃煤2 洁净燃煤技术的发展
洁净煤技术（CCT）由于可减少燃煤发电的CO2排放，已成为工业关注的热点。煤炭燃烧产生的CO2是造成全球变暖的主要因素之一。燃煤工业正在承受减排CO2的压力。许多国家和公司对洁净煤技术的开发和市场化给予了极大的关注。而大多数CCT尚未获得商业规模的验证。绝大多数CCT过程都涉及到碳捕集和封存（CCS）技术。人们正在关注将CO2贮存在地层中，如油气田、未开采的煤层和盐水深层中，也可望在深海地层中贮存CO2。
碳捕集技术包括烟气洗涤或“oxyfuel”方法（即氧燃烧方法）。烟气洗涤涉及用化学洗涤器处理来自煤炭燃烧的烟气，以去除SO2，并将所得到的溶剂再加热，以释放出高纯度的CO2，用于封存；在‘oxyfuel’方法中，煤炭是在氧气而不是在空气条件下燃烧，以减少系统产生的气体数量，所排放的气体中含80%以上CO2，易于分离和捕集。
洁净煤燃烧的其他途径是将生物质和作物或林业废弃物与煤混烧，或者采用一体化气化联合循环（IGCC）。IGCC过程将煤通过化学预处理，并转化为合成气，然后燃烧发电。IGCC装置效率较高，而现在的高效燃煤装置效率只有37%～43%。
即便如此，采用上述两种方案的CCT仍不能满足要求。从环境角度出发，当今的煤炭燃烧仍然没有做到充分的“洁净”，要想实现这一目标需采用高成本的CCT才行。
欧盟于2003年所作的一项研究，估算了燃煤电厂采用CCS技术的成本，捕集CO2的成本范围为30～71美元/吨CO2，电力成本提高43%～91%。其成本范围较宽是因考虑了与地区有关的因素，如封存地点的距离、深度和地质特征。2005年英国所作的一项研究，估算了建设一座500MW的IGCC工厂的投资为6.86亿美元，这不包括CCS技术，如采用CCS技术则需投资9.30亿美元。应用CCS技术改造现有工厂的费用甚至会高于新建的费用。支持CCT应用的人们期望通过碳交易计划为开发这些方案提供足够的吸引力。然而，现在大多数的碳交易价格远低于60欧元/吨，因此有必要使投资更为经济合理。
英国发电商Scottish电力公司于2007年5月进行了可行性研究，将改造其两个最大的发电站，建设欧洲最大的洁净煤项目。Alstom电力公司和Doosan Babcock公司将为应用于Longannet和Cockenzie电厂的超临界透平和锅炉提供设计，超临界透平和锅炉在超高温和高压下燃烧煤炭。两座电厂的碳排放将减少20%，总发电能力达3390MW，超过苏格兰电力需求的1/4。该洁净煤项目的建设将于2009年开始，2012年投运。该发电站也在Longannet电厂设计采用碳捕集技术，将电厂排放的CO2注入地下煤层深处，用以驱赶煤层气，再将煤层气用作燃料。
目前，尚没有捕集所有CO2的燃煤电站在进行商业化生产，洁净煤发电站实现大规模商业化应用，预计还将需要15～20年的时间。
美国普莱克斯公司与福斯特惠勒公司于2007年9月中旬宣布，将联手开发洁净煤验证项目。该项目将使洁净煤技术与一体化氧–煤燃烧系统组合到燃煤发电厂中，以帮助捕集和封存CO2。组合采用两家公司的技术和系统经验，将使这类燃煤发电厂比类似规模的常规燃煤电厂减少CO2排放90%以上。这类发电厂可采用与煤一起燃用的燃料如生物质和石油焦，可以同样取得减排CO2的效果。按照这项合同，福斯特惠勒公司将开发和供应利用氧–煤燃烧技术的蒸汽锅炉，并将其设置在新建的或现有的燃煤电厂中。氧–煤燃烧技术可从蒸汽锅炉得到高浓度的CO2气流，有利于碳的捕集和封存。据福斯特惠勒公司预计，其氧–煤燃烧技术的第一次应用将涉及该公司的循环流化床（CFB）蒸汽锅炉，该CFB锅炉现已以其高效、灵活和排放相对较低的特点而应用于全球市场。福斯特惠勒公司预计，氧–煤燃烧技术将能很好地应用于粉煤蒸汽锅炉。福斯特惠勒北美公司已完成中型和小型氧–煤燃烧试验。普莱克斯公司在开发先进的基于氧气的燃烧和气体加工技术方面已有很长历史，为许多工业用户带来了很大的生产和环境效益。对于这一项目，普莱克斯公司将提供上游供氧设施，使用其设计、工程和建设经验，建设大型制冷空分装置，以生产洁净煤项目所必须的大量氧气。普莱克斯公司也以其作为世界领先的CO2供应商之一的经验，将提供下游CO2捕集和气体加工技术和设备。两家公司将在纽约Jamestown公用事业局的支持下联合完成这一商业化验证项目，这将是美国此类的第一个项目，将为未来的能源开发提供国际化经验。
普莱克斯公司与西班牙Fundacion Ciudad能源（CIUDEN）公司合作，采用先进技术设置中型装置开发洁净煤项目，使位于西班牙北部El Bierzo的燃煤发电厂进行CO2捕集，项目初期阶段将于2009年中期完成。在将采用的氧–煤燃烧技术中，利用了纯氧代替空气引入锅炉，产生高浓度的CO2气流，从而可经济地将其捕集。普莱克斯公司提供上游氧供应设施、氧气混合与注入技术、下游CO2捕集和气体加工技术与设备，以及用于发电系统的整个控制系统集成。
3 我国燃煤减排技术发展前景
我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，除燃煤大量排放CO2外，据统计，我国90%二氧化硫、67%氮氧化物、70%烟尘排放量也来自于煤炭的燃烧。其中，燃煤电站、燃煤工业锅炉、燃煤炉窑等烟气排放污染问题最为突出。依靠我国大气污染控制方面的关键技术研发和系统集成，开发具有自主知识产权的燃煤电站、燃煤工业锅炉、燃煤炉窑等烟气排放污染物控制技术与设备，对推动我国大气环境质量改善十分重要。
为落实“十一五”规划纲要提出的二氧化硫排放总量削减10%的目标，推动现有燃煤电厂烟气脱硫工程建设，我国有关政府部门印发了《现有燃煤电厂二氧化硫治理“十一五”规划》（以下简称《规划》）。《规划》提出：“十一五”期间，现有燃煤电厂需安装烟气脱硫设施1.37亿千瓦，共221个项目，可形成二氧化硫减排能力约490万吨。加上淘汰落后、燃用低硫煤、节能降耗等措施，到2010年，现有燃煤电厂二氧化硫排放总量由2005年的1300万吨下降到502万吨，下降61.4%。《规划》的实施，对实现“十一五”时期全国二氧化硫排放总量削减10%的约束性目标和改善全国大气环境质量将起到决定性作用。
2007年9月，澳大利亚与我国签署了合作协议，在2008年进行低排放煤炭能源技术合作。中国华能集团公司将在华能公司北京联产发电装置设置后燃烧碳捕集（PCC）中型装置。PCC是从电站烟气捕集二氧化碳的工艺过程，是使现有和未来燃煤电站的CO2排放可望减少85%以上的关键技术。建在北京的PCC中型装置设施成为亚太地区在清洁开发和抑制气候变化计划（APP）合作的一部分内容，该合作第一次于2006年11月接受了PCC研发资助。低排放能源生产是一个关键的研究领域。APP有关PCC的研发计划也包括了澳大利亚中部海岸的Delta电力公司Munmorah电站的中型装置设施，在澳大利亚其他地区的PCC设施和验证也在考虑之中。
我国煤燃烧节能减排技术已取得重要突破。目前国内开发的一种名为CHARNA C的新型煤燃烧催化剂可使燃煤节约8%～15%，减排二氧化硫25%，如获推广将对实现“十一五”规划提出的节能减排目标作出重大贡献。据介绍，按2006年锅炉耗煤16.6亿吨、节煤率10%估算，如果在全国全面推广这项技术，一年可形成1.2亿吨标准煤的节能能力，占“十一五”需要形成节能能力的1/4，一年可减排二氧化硫230万吨，约占2006年二氧化硫排放量的9%。CHARNA C煤燃烧催化剂是我国具有自主知识产权的环保高效节能产品，该催化剂通过改善燃煤燃烧的动力学特征，提高炉内燃煤燃烧速率，使燃烧更充分。同时通过优化燃煤颗粒的表面性能，促进煤中灰分与硫氧化物的反应，达到脱硫效果。该催化剂开拓了化学增效的锅炉节能新途径，具有节省燃料及减排二氧化硫的双重功效，还能有效减少燃煤锅炉焦垢生成并脱除焦垢，改善燃烧器的工作状况。该催化剂已经通过了煤炭科学研究总院北京煤化工分院的性能测试，中国人民解放军后勤工程检测中心的物理性能检测，以及中国石油和化学工业协会专家组的评审。目前该催化剂已在重庆、山东、安徽、江苏、浙江等地数十家热电企业得到了工业应用，效果显著。重庆攀渝钛业循环流化床锅炉、山东丽村热电公司循环流化床锅炉、四川泸州热电公司煤粉炉等，在没有任何物理改造的情况下，通过使用这种催化剂节省燃煤8%～15%，减排二氧化硫25%左右。
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