煤炭,这种被环保组织称为“最肮脏的能源”,时至今日仍为中国提供八成的电力,而煤炭燃烧形成的二氧化硫、氮氧化合物以及粉尘等,则对中国的生态环境构成严重挑战。

在中国“以煤为主”的能源策略未来数十年不会改变的情况下,以IGCC(整体煤气化联合循环)为代表的煤炭洁净化利用,将是中国能源决策中最务实的选择之一。

将煤变成气体

在IGCC的生产工艺中,煤炭并不是作为燃料被直接填入燃烧舱内,而是先被转化为气体——技术人员将煤和水混合成类似重油黏稠度的水煤浆,并将其与氧气一起注入气化炉,在这里经过高达1500℃的高温加热,产生合成气。

尽管描述起来十分复杂,在实际生产过程中,这不过是电光火石的一瞬间。煤炭的气化仅需耗时2~3秒钟,便能形成合成气。

煤炭中的其他杂质,则在气化炉底部形成了煤渣,不要小看了它们,它们可是水泥厂不可多得的好原料。

合成气的最主要成分是氢气和一氧化碳(此外还有二氧化碳、硫化氢、水蒸气等),它们都是高效的气体燃料,将为与发电机联动的燃气轮机提供充足的动力。不过,此时的合成气距离进入燃气轮机燃烧还要经历一段复杂的工艺“旅行”。

从气化炉出来的合成气,温度有时达到1400℃,比普通火电厂燃烧舱内的温度还要高,需要将其热量先置换出来。

因此,合成气要先后经过辐射式气体冷却器和对流式冷却器进行冷却,将温度降至500℃左右。合成气中的热则在这两级冷却器中得到回收,并在冷却器中产生大约100倍于标准大气压的高压饱和蒸汽——这些蒸汽将输送进电厂的蒸汽发电系统(不是合成气将要进入的燃气轮机发电系统,记者注)中去创造电流。

而经过冷却的合成气则继续前进,“冷”下来的合成气,需要开始其脱除杂质的“旅程”。

首先,合成气要进入一个活性炭箱,以消除有毒的汞等重金属,随后,合成气将进入酸性气体脱除系统,在这里,硫化氢从合成气中被分离出来,并在后续工艺中被转化为元素硫,是工业制造硫酸的绝佳材料。

到这里,合成气已经可以被引入燃气轮机联合循环系统进行发电了。合成气中的氢气和一氧化碳都是高效的气体燃料,可以在燃烧炉产生更高的温度。

一般来说,传统的直接燃煤发电方式,由于煤炭热值较低,其燃烧舱内的温度仅能达到700℃左右,而高效的气体燃料,通常可以使燃烧舱内的温度达到1500℃左右。而更高的温度,则意味着更高的效率。

采用IGCC系统的电厂,发电效率可以达到42%~45%,如果与最先进的燃气轮机搭配,其效率甚至可以达到50%~60%。与之对照,目前发达国家火力发电厂的平均发电效率为37%左右。

驯化最脏能源

而比效率提高更让人动心的是,IGCC电厂大大降低了污染物排放。

传统的煤炭燃烧发电方式,会造成严重的污染,据统计,全中国二氧化硫总排放量的三分之一、氮氧化合物和粉尘总排放量的一半均由燃煤发电厂产生。

即使按照最乐观的减排方案测算,在未来的40年里,中国仍需要往燃烧着的火电机组燃烧舱内填进去800亿吨标准煤,如何让这些燃煤的生产效率进一步提高,同时又减少对大气的污染,这是低碳中国必须做出的回答。

IGCC正好提供了煤炭清洁高效利用的可能性。这种将煤炭气化之后用于发电的复杂先进工艺,不仅可以显著提高发电机的生产效率,更为可贵的是,其对污染排放的有效控制,可以满足最为严苛的环境政策的需求。

由于煤炭并未直接被燃烧,粉尘的产生几率被降到了最低,而煤炭中的硫(直接燃烧产生的二氧化硫是酸雨的元凶)则在气化炉中变身为硫化氢,在随后的脱除装置中被轻松地脱离出来,并为其后的化学工艺贡献原料。

值得一提的是,燃烧合成气的燃气轮机也是经过特殊设计的,特设的空分系统(简单地说,就是用来把空气中的各组气体分离,生产氧气、氮气的工业设备),将高压的惰性气体氮(有的工艺则使用低压氮)作为燃气轮机气体燃烧过程的稀释剂,来减少污染物氮氧化合物的生成。

此外,安装于余热锅炉内的选择性催化还原(SCR)装置,也会进一步脱除在气体燃烧过程中产生的氮氧化合物,从而达到超低排放指标。

由于使用了先进的辐射式气体冷却器,IGCC工艺还显著减少了工业用水量。传统的火电厂都是耗水大户,而实现商业运营的国外IGCC电厂已证明IGCC工艺可以节约大约30%的水——这对于中国非常具有吸引力,要知道,中国产煤的地方,一般都是缺水的。

与此同时,在大气不断变暖的背景下,工程师们还可以轻松地在IGCC系统上架设碳捕捉、封存甚至利用的工序,来为IGCC继续加分。

水煤浆经过气化炉后,会伴生大量的二氧化碳,富集的二氧化碳可以通过适当的设备轻松地被捕捉和分离出来。

依据需要,人们要么可以将二氧化碳压缩成高压液体,并加压注入地下的储存设施,以杜绝其进入大气继续为温室效应作祟;要么则将其与天然气化工过程衔接,形成煤炭天然气化工的多联产,用于生产甲醇等。

期待鼓励政策

IGCC不是简单的“燃料-电力”直接转化装置,而是一个由气化、净化、燃气驱动、余热利用、蒸汽驱动,以及机械能转化为电能等一系列环节组合而成的复杂系统,其中很多技术与传统常规发电行业素无瓜葛,甚至毫不相干(但早已在其他行业发展和应用),开发IGCC,需要打破历来的行业界限,这对电力行业的复合型人才提出了挑战。

而IGCC的投资费用居高不下,经济上仍然无法与常规燃煤电站相竞争,目前仍然是制约IGCC快速发展的最重要原因。

不过,正如IGCC技术全球的领跑企业之一美国通用电气公司在其关于IGCC的宣传片中反复强调的,“IGCC并不是一个新概念,它是一个经验证并通过商业化示范的技术。”

对于IGCC而言,只有达到一定商业规模才能有效益,从这点而言,政府是否能够拿出与补贴新能源类似的鼓励政策,将是这个洁净煤技术能否成功商业化的关键。