美国煤炭能源系统的特点及启示

美国煤炭能源系统的特点及启示

中国分类号：b2文献码：a。近几年,美国煤炭产量和消费量在11亿t左右,是世界最大的煤炭生产国和消费国之一。美国90%以上的煤炭用于发电,美国建立的一体化高效、清洁煤炭生产和转化能源系统,提高了煤炭能源转化的效率,减少了污染物的排放,降低了清洁能源生产成本,其发电成本在工业发达国家中最低。这种先进的煤炭能源生产和转化系统以煤矿和电厂为核心,并发展污染物“近零排放”的洁净煤技术奠定了坚实的基础。1美国燃煤电厂清洁生产发电模式的发展内容美国注重发展煤电一体化企业,在煤炭产地建设了大量电厂,就地发电转化煤炭,形成了煤电一体化运营体系。位于北达科达州的大河能源公司(greatriverenergy),就是典型的煤电一体化能源企业,与为格瑞克(CoalGreek)电厂供煤的缶可可煤矿(FalkirkMine)相距不到14.8km,将煤用皮带输送到电厂,变输煤为输电,减少了运输环节,降低了发电成本。为提高发电效率,该电厂还利用电厂余热(低于150℃的热源),对该厂燃料煤褐—煤进行干燥脱水,使褐煤水分降低10个百分点,提高发电效率1.7%,并减少了污染物的排放。经测试,SO2减排10%～15%,NOx减排10%以上,Hg减排15%～20%。该电厂共有8套流化床干燥器,每年干燥加工褐煤600万t,该干燥装置属于煤炭低温干燥,自2009年投产至今稳定运行,是世界上利用电厂余热对煤进行干燥脱水的最大装置,经济效益和环保效益显著。为了减少蒸汽的浪费,提高电厂的经济效益,该电厂还以当地玉米为原料利用多余的蒸汽生产生物乙醇。这种以煤电一体化模式为基础、发展煤炭加工和生产相应化工产品,实现了煤电一体化能源企业的低成本运营,见图1。围绕煤矿的清洁生产,美国重点发展露天煤矿,其中70%左右的煤炭由露天煤矿生产,美国露天煤矿广泛采用吊斗铲、卡车工艺,用人少、生产效率高、回采率高,减少了开采过程中的能源消耗,降低了生产成本。美国重视采区复垦、矸石利用和矿井水治理,在矿区建设矸石电厂,减少煤炭开采对生态环境的影响。围绕洁净发电技术,美国重点研究发展减排CO2等污染物的先进发电技术。(1)研究提高发电效率减少CO2等污染物的排放,如针对煤粉和循环流化床锅炉发电系统;研究提高蒸汽透平进口蒸汽温度和压力,提高发电效率,减少燃料消耗。(2)研究燃煤污染物,“近零排放”的烟气净化技术;研究脱除粉尘、SO2、NOX和汞等污染物;研究从烟气中分离,浓度为12%～16%的CO2,美国规划了8个燃煤电厂CO2捕捉分离示范项目。(3)研究富氧燃烧发电配套分离捕捉CO2,由于提高了烟气中CO2的浓度,将降低设备投资和分离捕捉CO2的成本。这些清洁技术的研究与应用,将进一步提高美国煤电一体化能源系统的利用效率,并减少污染物的排放,在环保要求越来越严格的今天,提高了煤炭能源的市场竞争力。2煤气厂供煤系统煤既是燃料又是宝贵的化工原料,美国在煤电一体化运营模式基础上,又发展了煤电一体化运行模式,盆地电力公司(BasinElectricPowerCooperative)在北达科达州大平原地区的煤电化模式,就是世界煤电化能源系统成功的典范,见图2。盆地电力公司(BasinElectricPowerCooperative)是以发电为主的能源公司,拥有4715MW的发电能力。其所属的安德威利(AntelopeValleystation)电厂和煤气厂,一体化设计,共用水、电和道路等公用设施,所需煤炭由北美煤炭公司的傅瑞德(FreedomMine)煤矿供给,煤矿距电厂和气化厂距离不超过3.2km。该煤矿生产的原煤经储存晾干、筛分处理后,块煤供给煤气厂作为气化原料煤,粉煤送到电厂发电。此煤炭加工处理系统没有复杂的磨粉、制浆系统,具有成本低的巨大优势。傅瑞德(FreedomMine)煤矿与盆地电力公司(BasinElectricPowerCooperative)签订长期供煤协议,保证煤炭供应。傅瑞德(FreedomMine)煤矿是北达科达州的大型露天煤矿,采用吊斗铲-卡车生产工艺,生产效率高,煤炭销售价格低于14美元/t。2011年,傅瑞德(FreedomMine)煤矿生产褐煤1350万t,除供给煤气厂使用600万t外,其余供给安德威利(AntelopeValleystation)等电厂用于发电。安德威利(AntelopeValleystation)电厂是具有900MW发电能力的粉煤燃煤发电厂,采用布袋除尘器除尘,负责向煤气厂供电和蒸汽,多余电力上网外送。煤气厂是世界上第一个合成天然气厂,是美国仅有的两个煤化工厂之一,于1984年建成投产,采用块煤鲁奇加压固定床气化工艺,煤气净化工艺为低温甲醇洗,主要生产合成天然气、氨、焦油等化工产品。为了提高经济效益,煤气厂还将CO2输送到加拿大油田进行CO2填埋。每年有12亿m3的CO2用于提高石油的采出率,提高了此项目的经济性能和环保性能。2011年,盆地电力公司(BasinElectricPowerCooperative)共生产消费煤炭2170万t,其中发电用煤1570万t,是煤气厂用煤的2倍多。在美国煤炭市场受页岩天然气的冲击、持续低迷的形势下,近5年,盆地电力公司(BasinElectricPowerCooperative)连续实现盈利,2011年利润达到9.8亿美元,是美国“煤电化”模式成功的典范。其成功的主要原因是:(1)这种模式建在美国低价煤区,其褐煤价格仅14美元/t,低于中国同品质褐煤价格。(2)气化厂产品多样化,不仅生产合成天然气,而且根据当地市场需求,生产合成氨、焦油等高附加值化工产品,CO2也作为产品销售,提高石油回收率。(3)以煤电发展为主,依托煤电优势,发展化工产品,降低了化工产品的生产成本,取得了较好的经济效益。3路径二:利用煤为燃料的igcc发电系统以煤为原料的IGCC发电系统,是一种高效、清洁的洁净煤利用技术,和燃煤发电相比,具有成本高的劣势,一直处于研究试验阶段,难以商业化运行,但为了减少CO2等温室气体排放,考虑将IGCC发电系统和CO2分离捕捉、地质填埋封存相结合,见图3,其CO2易分离捕捉的优势得到充分发挥。同时,IGCC发电成本可显著降低,是一种具有良好成本优势的洁净煤利用技术,其环保性能,可以达到天然气发电的水平。面对越来越严格的环保排放要求,以煤为燃料的IGCC发电系统和CO2分离捕捉、地质填埋封存相结合,成为未来煤炭发电的希望。同时,为建设煤炭发电污染物“近零排放”电厂奠定了基础,否则,面对越来越严格的污染物环保排放要求,燃煤发电有可能退出发电市场。美国杜克(Duke)能源公司正在建设IGCC和CO2分离捕捉、地质填埋封存相结合的发电系统,计划2012年底初步建成。该项目采用美国GE公司的德士古气化技术和燃气轮机技术,CO2分离捕捉、填埋预留,发电能力618MW。4铝芯制氢技术由于氢与氧反应生成水,没有排放任何污染物,因此氢是理想的环保运输燃料,但由于氢存在能量密度低、储存和安全等问题,使氢能难以经济地应用于运输燃料。但美国发明的铝镓合金制氢技术,使氢能用作运输燃料所面临的瓶颈问题迎刃而解。其基本原理是:由于铝易于氧化,形成氧化铝膜阻止上述反应连续进行,但将铝制成铝镓合金,则可以防止铝的表面氧化,使上述反应连续进行,而通过电解可以使上述反应发生逆反应,使氧化铝生成铝。这种制氢技术最终消耗的是电,这种技术属于一种“随制随用”技术。如果将上述装置装在汽车上,汽车装的是水和铝,就可根据发动机的需要制取氢,因此这种技术克服了氢能利用中的能量密度问题、储存问题和安全问题,车辆的安全性能和环保性能将大幅度提升。这种技术的发展,意味着“煤电氢”能源系统的诞生,见图4。这种以煤为基础的运输燃料氢,具有全过程能源效率高、汽车污染物“近零排放”等特点,在运输领域具有广阔的应用前景。5煤气化发电技术美国煤炭工业目标明确。以提高能源利用效率、减少污染物排放、提高经济效益和保证国家能源安全为目标,投入大量资金,研究以碳捕捉和封存为核心的洁净煤技术,推进新煤炭能源体系和技术装备进步,打造新的煤炭经济循环和碳循环。美国煤炭生产和转化工业中的两个核心是煤矿和电厂,煤化工技术逐步向煤矿和电厂渗透,美国煤矿配套有选煤厂、矸石电厂和坑口电厂,有煤炭干燥提质装置,是以煤矿为核心渗透发电技术和化工技术的煤炭生产、加工和转化的一体化基地;美国电厂已渗透煤气化、净化和气体分离等多种化工技术,用于IGCC电厂和碳捕捉,化工技术和发电技术相互融合,提高燃煤发电环保性能。美国注重煤炭能源系统研究和建设,即要环保效益,更要经济效益。(1)依靠新能源系统建设,提高能源利用效率、减少污染物排放,如建设提高低质煤的煤电一体化能源系统,并研究低质煤气化技术和发电技术,建设CO2地质封存和提高石油采出率系统,建设煤化工和电力相结合的新型IGCC系统。(2)注重协调项目建设和系统完善的关系,提高整体经济和环境效益。通过项目建设,完善现有能源系统,提高整体效率,用完善的系统建设,解决单一项目难以解决的技术难题。例如美国依托煤电一体化系统的低温煤炭干燥技术,即解决了干燥效率和褐煤干燥易着火的问题,又提高了煤电一体化系统的效率。美国煤炭工业逐步形成渗透煤化工技术,以煤、电为核心的煤炭生产和转化一体化的能源体系,形成新的煤炭能源经济循环和碳循环,进一步提高美国煤炭工业的环保性能、经济性能,为建设污染物“近零排放”的煤炭能源体系奠定了基础。6煤炭企业生产转化能源系统美国煤炭生产和转化利用一体化能源系统,具有效