Введение

Интегрированный комбинированный цикл газификации (IGCC) – это технология, использующая высоконапорный газификатор для преобразования угля и других видов углеродного топлива в газ под давлением – синтез-газ (сингаз). Затем из сингаза можно удалить примеси до начала цикла выработки электроэнергии. Некоторые из этих загрязняющих веществ, такие как сера, могут быть превращены в полезные побочные продукты посредством процесса Клауса. Это приводит к снижению выбросов диоксида серы, твердых частиц, ртути и, в некоторых случаях, углекислого газа. При использовании дополнительного технологического оборудования реакция конверсии водяного газа может повысить эффективность газификации и снизить выбросы угарного газа путем его преобразования в углекислый газ. Образующийся в результате реакции углекислый газ может быть отделен, сжат и захоронен с использованием технологий секвестрации. Избыточное тепло от первичного сжигания и сжигания сингаза передается в паровой цикл, аналогичный циклу газовой турбины в комбинированном цикле. Этот процесс обеспечивает более высокую термодинамическую эффективность по сравнению с традиционным сжиганием пылевидного угля.

Значение

В США и многих других странах уголь встречается в изобилии, и его цена в последние годы оставалась относительно стабильной. Из традиционных углеводородных видов топлива – нефти, угля и природного газа – уголь используется в качестве сырья для производства 40% электроэнергии в мире. Потребление ископаемого топлива и его вклад в значительные выбросы становится все более острой проблемой из-за негативных последствий изменения климата. В частности, уголь содержит больше CO2 на единицу тепловой энергии (BTU), чем нефть или природный газ, и является источником 43% выбросов CO2 при сжигании топлива. Таким образом, снижение выбросов, которое обеспечивает технология IGCC благодаря газификации и улавливанию углерода до сжигания, рассматривается как способ решения вышеуказанных проблем.

Обзор процесса

Твердый уголь газифицируется для получения синтез-газа, или синтетического газа. Синтез-газ получается путем газификации угля в закрытом реакторе под давлением при недостатке кислорода. Недостаток кислорода обеспечивает распад угля под воздействием тепла и давления, а не его полное сгорание. Химическая реакция между углем и кислородом образует смесь углерода и водорода, то есть синтез-газ. CxHy + (x/2)O2 → (x)CO + (y/2)H2. Тепло, выделяемое при производстве синтез-газа, используется для получения пара из охлаждающей воды, который затем применяется для производства электроэнергии на паровой турбине. Синтез-газ должен пройти процесс предварительной очистки для удаления CO2 и других примесей, чтобы получить более чистое топливо. Для разделения примесей необходимо три этапа: реакция конверсии водяного газа. Реакция, протекающая в реакторе конверсии водяного газа, выглядит следующим образом: CO + H2O → CO2 + H2. Это приводит к получению синтез-газа с более высоким содержанием водорода, что повышает эффективность его последующего сжигания. Физическое разделение. Это может быть реализовано различными методами, такими как абсорбция, адсорбция или мембранное разделение. Сушка, компрессия и хранение/транспортировка. Полученный синтез-газ используется в качестве топлива для газовой турбины, вырабатывающей электроэнергию. На данном этапе синтез-газ представляет собой практически чистый H2.

Преимущества и недостатки

Основным недостатком использования угля в качестве топлива является выброс углекислого газа и загрязняющих веществ, включая диоксид серы, оксид азота, ртуть и твердые частицы. Почти все угольные электростанции используют технологию сжигания распыленного угля, при которой уголь измельчается для увеличения площади поверхности, сжигается для получения пара, а затем пар вращает турбину для выработки электроэнергии. Электростанции, использующие распыленный уголь, могут улавливать углекислый газ только после сжигания, когда он разбавлен и его сложнее отделить. В отличие от этого, газификация в технологии IGCC позволяет отделять и улавливать концентрированный углекислый газ под давлением до сжигания. Очистка сингаза включает фильтры для удаления крупных частиц, скрубберы для удаления мелких частиц и твердые адсорбенты для удаления ртути. Кроме того, в качестве топлива используется водород, который не образует загрязняющих веществ при сгорании. IGCC также потребляет меньше воды, чем традиционные электростанции, работающие на распыленном угле. На электростанции, использующей распыленный уголь, уголь сжигается для получения пара, который затем используется для выработки электроэнергии с помощью паровой турбины. После этого отработанный пар необходимо конденсировать с помощью охлаждающей воды, что приводит к потерям воды из-за испарения. В IGCC потребление воды снижается за счет сжигания в газовой турбине, которая использует выделяющееся тепло для расширения воздуха и вращения турбины. Пар используется только для улавливания тепла из выхлопных газов газовой турбины и его использования во вторичной паровой турбине. В настоящее время основным недостатком является высокая капиталоемкость по сравнению с другими способами производства электроэнергии.

Улов CO2 в МГКК

Удаление CO2 до сгорания значительно проще, чем удаление CO2 из дымовых газов после сжигания, благодаря высокой концентрации CO2 после реакции конверсии водяного газа и высокому давлению синтез-газа. В процессе предварительного сгорания в IGCC парциальное давление CO2 почти в 1000 раз выше, чем в дымовых газах после сжигания. Благодаря высокой концентрации CO2 в процессе предварительного сгорания, для удаления CO2 предпочтительнее использовать физические растворители, такие как Selexol и Rectisol, по сравнению с химическими растворителями. Физические растворители работают путем поглощения кислых газов без необходимости химической реакции, как это происходит в традиционных аминных растворителях. Затем растворитель может быть регенерирован, а CO2 десорбирован путем снижения давления. Основным недостатком физических растворителей является необходимость охлаждения синтез-газа перед разделением и его последующего подогрева для сжигания. Это требует затрат энергии и снижает общую эффективность установки.

Спор об эмиссии МГКК

В 2007 году офис генерального прокурора штата Нью-Йорк потребовал полного раскрытия "финансовых рисков, связанных с парниковыми газами" акционерам электроэнергетических компаний, планирующих строительство угольных электростанций IGCC. "Любая из нескольких новых или вероятных нормативных инициатив по регулированию выбросов CO2 от электростанций – включая государственный контроль над выбросами углерода, правила EPA в соответствии с Законом о чистом воздухе или принятие федерального законодательства о глобальном потеплении – приведет к существенным затратам на углеродоемкую генерацию электроэнергии из угля"; сенатор США Хиллари Клинтон из Нью-Йорка предложила обязать все публичные энергетические компании по всей стране раскрывать эти риски в полном объеме. Это честное раскрытие информации начало снижать интерес инвесторов ко всем видам развития угольных электростанций, использующих существующие технологии, включая IGCC. Сенатор Гарри Рид (лидер большинства в Сенате США в 2007/2008 гг.) заявил на саммите по чистой энергии 2007 года, что сделает все возможное, чтобы остановить строительство планируемых новых угольных электростанций IGCC в Неваде. Рид хочет, чтобы энергетические компании Невады инвестировали в солнечную, ветровую и геотермальную энергию, а не в угольные технологии. Рид заявил, что глобальное потепление – это реальность, и одна только предлагаемая угольная электростанция будет способствовать ему, сжигая семь миллионов тонн угля в год. По его утверждению, долгосрочные расходы на здравоохранение будут непомерно высокими (источник не указан). "Я сделаю все, что в моих силах, чтобы остановить строительство этих электростанций", – сказал он. "Не существует технологии чистого угля. Есть технология более чистого угля, но не существует технологии, позволяющей сделать уголь полностью чистым". Одним из наиболее эффективных способов переработки газа H2S, образующегося на установке IGCC, является его преобразование в серную кислоту в процессе влажной газовой серной кислоты (WSA). Однако большинство установок по очистке H2S используют модифицированный процесс Клауса, поскольку инфраструктура рынка серы и стоимость транспортировки серной кислоты по сравнению с серой делают производство серы более выгодным.