燃煤電廠脫碳技術(shù)

燃煤電廠脫碳技術(shù)在電廠主要有3種不同的捕集技術(shù)路線，即：燃燒前脫碳整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IntegratedGasificationCombinedCycle，IGCC)發(fā)電技術(shù)富氧燃燒技術(shù)(燃燒中捕集)燃燒后脫碳一、IGCC技術(shù)是將煤氣化技術(shù)與高效的聯(lián)合循環(huán)有機(jī)結(jié)合的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)。如圖所示，它由兩大部分組成，即煤的氣化與煤氣凈化系統(tǒng)部分和燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)部分。第一部分的主要設(shè)備有氣化爐、空分裝置、煤氣冷卻凈化系統(tǒng)；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、汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。一、IGCC技術(shù)IGCC的工藝流程如下：煤經(jīng)過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、粉塵等污染物，成為清潔的氣體燃料，然后送入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中燃燒，加熱燃?xì)夤べ|(zhì)以驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙阶龉?，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(dòng)汽輪機(jī)做功。IGCC聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力島較常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)和能量的交換與轉(zhuǎn)換利用更為復(fù)雜。氣化爐氣化爐是IGCC系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在煤氣化過程中，部分碳在燃燒區(qū)的氧化氣氛下燃燒，產(chǎn)生的高溫用來切斷煤中高分子化學(xué)鍵，使其與氣化劑反應(yīng)，生成含有CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w的合成煤氣。當(dāng)氣化劑是氧氣時(shí)生成中熱值煤氣；當(dāng)氣化劑是空氣時(shí)，因其含有大N2，生成低熱值煤氣。目前，普遍看好的氣化爐主要是以氧氣為氣化劑的噴流床氣化爐。煤炭氣化包含一系列物理、化學(xué)變化。一般包括干燥、熱解(揮發(fā)份析出)、氣化燃燒三個(gè)階段。干燥屬于物理變化，隨著溫度的升高，煤中的水分受熱蒸發(fā)；其他屬于化學(xué)變化，煤在氣化爐中干燥以后，隨著溫度的進(jìn)一步升高，煤分子發(fā)生熱分解反應(yīng)，生成大量揮發(fā)性物質(zhì)（CO2+CO+H2+CH4+NH3+H2S+焦油+焦等），同時(shí)煤粘結(jié)成半焦；煤熱解后形成的半焦在更高的溫度下與通入氣化爐的氣化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成以一氧化碳、氫氣、甲烷及二氧化碳、氮?dú)?、硫化氫、水等為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)物，即粗煤氣。氣化反應(yīng)包括很多的化學(xué)反應(yīng)，主要是碳、水、氧、氫、一氧化碳、二氧化碳相互間的反應(yīng)，其中碳與氧的反應(yīng)又稱燃燒反應(yīng)，提供氣化過程的熱量。煤氣化主要反應(yīng)碳與水蒸汽的反應(yīng)：C+H2O→CO+H2；C+2H2O→CO2+2H2碳與二氧化碳的反應(yīng)：C+CO2→2CO甲烷生成反應(yīng)：C+2H2→CH4；CO+3H2→CH4+H2O；CO2+4H2→CH4+2H2O；；變換反應(yīng)：CO+H2O→CO2+H2完全燃燒反應(yīng)：C+O2→CO2此外氣化過程中還會(huì)發(fā)生一些微量成份的化學(xué)反應(yīng)，生成H2S、COS、NH3等有害物質(zhì)。煤氣的凈化設(shè)備原煤中所含的相當(dāng)一部分灰分、硫分、氮分以及堿金屬鹽和鹵化物等都轉(zhuǎn)移到粗煤氣中，這些有害物質(zhì)若未除盡，不僅會(huì)導(dǎo)致燃?xì)馔钙降母g、磨蝕和結(jié)垢，影響其使用壽命和工作可靠性，還會(huì)影響周圍環(huán)境，同樣會(huì)造成因燒煤而帶來的污染問題。目前，在IGCC中使用的粗煤氣凈化系統(tǒng)有“常溫濕法的凈化系統(tǒng)”和“高溫干法的凈化系統(tǒng)”。當(dāng)前所應(yīng)用的氣體凈化系統(tǒng)以濕法除塵常溫脫硫的凈化技術(shù)較為成熟。一般氧氣濃度小于40%、富氧空氣流量小時(shí)膜法更為經(jīng)濟(jì)；而變壓吸附法在中等氧濃度(60%～93%)和中小規(guī)模范圍內(nèi)較經(jīng)濟(jì)；深冷法則在高氧濃度和較大規(guī)模情況下使用。IGCC控制污染物排放的特點(diǎn)和優(yōu)勢：①IGCC通過煤炭氣化和煤氣凈化，使炭變?yōu)闈崈裘簹?，再到燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒做功，相當(dāng)于常規(guī)鍋爐的燃燒前處理。一般來說，燃燒前處理要比燃燒中、燃燒后處理更合理、更經(jīng)濟(jì)；②IGCC中處理的對象主要是粗煤氣。在相同條件下,煤氣的流量只是煙氣的1/10量級，而且煤氣在更高壓力下污染物的濃度高，因而可以用更小的代價(jià)脫除更多的污染；③煤炭氣化與燃燒有很大不同，特別是在氣化的還原性氣氛下，煤中的硫分主要變成H2S，它比SO2的脫除要容易得多；④由于采用聯(lián)合循環(huán)，高效節(jié)水，熱污染少，同時(shí)由于效率高，污染物排放相應(yīng)減少；⑤由于采用氣化工藝，可以同化工技術(shù)相結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)，而且對分離利用CO2也提供了一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的途徑。二、富氧燃燒技術(shù)用比通?？諝?含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣進(jìn)行燃燒，稱為富氧燃燒。燃料在氧氣和二氧化碳混合氣體中的燃燒，能大幅度地提高燃燒產(chǎn)物中的CO2濃度，將會(huì)使分離和捕集CO2的工藝相對簡單且成本降低，同時(shí)可以大幅度減少甚至消除燃煤產(chǎn)生的其他污染物的排放。研究表明，O2/CO2燃燒介質(zhì)和溫度對SO2的排放沒有明顯的影響，O2/CO2氣氛下SO2排放量較空氣氣氛有所減小。實(shí)驗(yàn)已證明，在富氧燃燒方式下，NOx的生成量顯著減少，是常規(guī)空氣燃燒的1/5～1/7。三、燃燒后脫碳-煙氣脫碳吸收法吸附法低溫蒸餾法膜分離法等吸附法吸附法可分為變壓吸附法（PSA法）和變溫吸附法（TSA法）。PSA法是基于固態(tài)吸附劑對原料氣中的CO2有選擇性吸附作用，高壓時(shí)吸附量較大，降壓后被解吸出來而進(jìn)行的。TSA法則是通過改變吸附劑的溫度來吸附和解吸CO2。通常工業(yè)上較多采用變壓吸附法。低溫蒸餾法低溫蒸餾法是利用CO2與其它氣體組分沸點(diǎn)的差異，通過低溫液化，然后蒸餾來實(shí)現(xiàn)CO2與其它氣體的分離。該方法設(shè)備龐大、能耗較高、分離效果較差，因而成本較高，目前尚處于理論研究階段。膜分離法膜分離法是基于混合氣體中CO2與其它組分透過膜材料的速度不同而實(shí)現(xiàn)CO2與其它組分的分離。該方法投資低、能耗低、操作方便，是發(fā)展迅速的節(jié)能型氣體分離技術(shù)。其缺點(diǎn)是提取的CO2純度不高，為了得到純度較高的CO2氣體，可與溶劑吸附法結(jié)合起來應(yīng)用，前者作粗分離，后者作精分離。化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法分離脫除煙氣中的CO2時(shí)，常有的吸收劑有醇胺溶液、強(qiáng)堿溶液、熱苛性鉀溶液等。目前應(yīng)用廣泛的是醇胺吸收劑，即一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)一、胺化學(xué)吸收法分離回收煙氣中CO2工藝脫碳抽氣點(diǎn)選在FGD和冷卻塔之間管道上典型的化學(xué)吸收法分離脫除煙氣CO2的工藝流程：(1)吸收在一般情況下，從除塵、脫硫后引來的煙氣溫度約為40～50℃，正好處于MEA理想吸收溫度，煙氣通過鼓風(fēng)機(jī)加壓后直接進(jìn)入CO2的吸收塔；在吸收塔中，煙氣自下向上流動(dòng)，與由塔頂噴射的吸收液形成逆流接觸，煙氣中的CO2與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成弱聯(lián)結(jié)化合物，脫除了CO2的煙氣從塔頂排出；富含CO2的吸收液(簡稱富液)經(jīng)富液泵抽離吸收塔，在貧/富液熱交換器中與貧CO2吸收液(簡稱貧液)進(jìn)行熱交換，回收熱量后送入再生塔的頂部。(2)再生富液從再生塔頂部噴頭噴淋而向下流動(dòng)，經(jīng)塔下部上升的熱蒸汽加熱，汽提解吸出部分CO2(因此也常將再生塔稱為汽提塔)，此時(shí)吸收液可稱為半貧液；半貧液進(jìn)入煮沸器內(nèi)進(jìn)一步解吸，殘余的CO2分離出來，吸收液變?yōu)樨氁海回氁河稍偕琢鞒?，?jīng)貧/富液換熱器、貧液冷卻器冷卻，冷卻后的貧液進(jìn)入吸收塔循環(huán)吸收。吸收劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸CO2的工藝過程。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，從再生塔解吸出的CO2連同水蒸汽(稱再生氣或產(chǎn)品氣)經(jīng)再生氣冷卻器和分離器分離，水通過回流補(bǔ)液泵打回再生塔上部，產(chǎn)品氣至精制工序。(3)精制生產(chǎn)食品級CO2精制工藝流程為：原料氣→緩沖罐→冷卻除濕器→壓縮機(jī)→活性炭過濾器→脫硫塔→分子篩干燥塔→冷凝器→提純塔→過冷器→CO2低溫儲(chǔ)槽→充裝。火電廠脫汞技術(shù)一、燃煤電廠汞排放特征煙氣中主要存在3種形態(tài)的汞：氣態(tài)單質(zhì)汞(Hg0)、氣態(tài)二價(jià)汞(Hg2+)以及顆粒態(tài)汞(Hg(p))。不同形態(tài)汞的物理、化學(xué)性質(zhì)差異較大，一般Hg2+易溶于水，并且易被煙氣中的顆粒物吸附，因此易被濕法脫硫或除塵設(shè)備分離；顆粒態(tài)汞也易被除塵器分離；相反，氣態(tài)單質(zhì)汞不溶于水，除塵或脫硫設(shè)備很難捕獲，幾乎全部釋放到大氣中。因此目前研究的重點(diǎn)是如何將單質(zhì)汞有效地轉(zhuǎn)化為二價(jià)汞，以便于捕捉和控制。二、燃煤電站汞排放控制技術(shù)(一)燃燒前脫汞燃燒前脫汞主要包括洗煤技術(shù)及煤的熱處理技術(shù)。(二)燃燒中脫汞燃燒中脫汞主要是通過改變?nèi)紵r或向爐膛中噴入固體吸附劑達(dá)到目的。如流化床燃燒，低氮燃燒(三)燃燒后脫汞燃燒后脫汞(煙氣脫汞)將是燃煤電廠汞污染控制的主要方式。燃燒后脫汞技術(shù)的主要工藝包括兩種：一種是通過在煙氣中噴入吸附劑脫汞，這需加強(qiáng)各種吸附劑的研究；另一種是通過改進(jìn)現(xiàn)有的煙氣凈化設(shè)備，使其具有脫汞的性能，從而實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝脫汞一體化。利用現(xiàn)有的煙氣凈化設(shè)備脫汞可提高設(shè)備利用率，降低控制成本，給電廠帶來經(jīng)濟(jì)效益，其應(yīng)用前景廣闊。脫硫裝置Hg2+易溶于水，易被WFGD的吸收液吸收，無論是石灰石或石灰作為吸收劑均可將煙氣中80%～95%的Hg2+吸收。但由于Hg0不溶于水，使得WFGD對Hg