两大技术珠联璧合
使用煤炭最多的行业是发电,因此,解决燃煤发电中二氧化碳的问题成了最主要的任务,而目前最具潜力的技术是IGCC(煤气化联合循环发电技术)。该技术是一种先进的动力系统,它可将煤气化技术和高效联合循环相结合。它由两大部分组成,即煤的气化与净化部分和燃气―蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备;第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。
IGCC的工艺过程如下:煤经气化成为中低热值煤气,经过净化,除去煤气中的硫化物、氮化物和粉尘等污染物,变为清洁的气体燃料,然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧,被加热的气体用于驱动燃气作功,燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水,产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机作功。
一般的热电站,通常会在普通大气压下利用锅炉燃烧煤炭,煤炭燃烧产生的热将水变成蒸汽,再通过涡轮机转化成电能。現代电厂中,燃烧煤产生的废气,会通过其他设备去除硫与氮的成分,最后经烟囱排出。在去除一般污染物后,可以再从其中抽出二氧化碳。由于废气中大部分是氮,二氧化碳占的含量比较低,因此,这样处理二氧化碳的方式既耗能又昂贵。
而在IGCC系统中则不燃烧煤,而是让煤在与空气隔绝的高压氧化炉中与有限的氧和蒸汽一同作用,氧化过程中形成的合成气体,主要成分是一氧化碳与氢,并不含氮。同时,利用IGCC技术,从合成气体中也去除了大部分的一般污染物,再加以燃烧,产生的气体用于获得水蒸气,推动涡轮机运转。这一过程称为复合式循环。
因此,可以在IGCC技术中利用CCS方法,对生产过程中的碳进行捕捉和封存,使IGCC有可能成为未来极低排放发电系统的最佳方法,并成为氢能经济的一部分。在设有捕捉二氧化碳程序的IGCC电厂中,合成气体脱离气化炉,经过冷却并去除粒子后,与蒸汽发生作用,产生的主成分为二氧化碳和氢的混合气体。这里二氧化碳被捕捉,经过压缩和干燥,最后运输到封存地。剩余的含氢气体,再被燃烧用于发电。
研究发现,与传统的燃煤发电中捕捉和封存二氧化碳的技术相比,使用高品质煤的IGCC电站,捕捉二氧化碳所消耗的能量少、成本也低。另外,汽化系统是在高压和高浓度状态下抽去二氧化碳,比传统的方法要容易得多;收集二氧化碳过程中的高压,也对道输送二氧化碳有很大帮助。
整体上说,如果在燃煤发电中采用CCS技术,生产每一度电所需消耗的煤可比在传统电厂中要多消耗30%,比在IGCC电站中要少消耗20%。美国正在设计建设应用CCS技术的IGCC的电站,这将是世界第一座零排放燃煤发电厂。目前IGCC发电技术正处于第二代技术的成熟阶段,燃气轮机初温达到1288摄氏度,单机容量可望超过400兆瓦。世界在建和拟建的IGCC电站24座,总容量8400兆瓦。荷兰的BAGGENUM电站已于1994年投入运行,美国WABASHRIVER电站及TAMPA电站、西班牙的PUERTOLLANO电站已于1997年前相继投入试生产。
呼唤政策支持
然而,今天,大多数燃煤发电企业在计划建设的新电站中,并没有使用CCS技术,因为应用CCS技术的成本比较高。应用CCS技术的成本取决于电站的类型、封存二氧化碳的场所与电站的距离、岩层的性质等因素。有研究机构对使用CCS技术的IGCC电站两种情况进行了评估,结果发现,如果将二氧化碳封存在距离电站100千米的地下盐水层中,生产1度电的成本比直接排放二氧化碳到大气要增加1.9%;如果将捕捉的二氧化碳用于100千米外的采油井,只要石油的价格不低于每桶35美元,电站的成本不会增加。
另外,大多数企业认为,目前的政策也不能使应用CCS技术的企业降低成本,达到最大赢利。比如,只有对二氧化碳的排放处罚不少于每吨25美元到35美元,那些将二氧化碳出售给采油企业的电站才能不亏损,但许多国家在制订的政策中,对二氧化碳排放处罚力度比较低。
但大多数燃煤企业已经认识到,环境保护的要求和现实性迟早会迫使企业应用CCS技术,虽然在计划建设的新电站中没有应用CCS技术,但对未来使用CCS技术做好了准备,也就是说,一旦需要,就可以投入使用。这就意味着,CCS技术本身不是一个限制性因素,而关键的因素则是经济激励,此外还需要政策的大力支持。