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??????? 全球经济的发展带来了能源需求的增长，应对全球变暖就愈发的急迫。由于煤炭储量并非过度集中且由于煤炭价格低廉，燃煤电站作为各个国家能源的一种形式扮演着主要的角色。2011年，日本东部大地震驱动社会重新评估能源结构，同时给予了燃煤电力更大的优先权。然而，煤炭产生了大量的CO₂排放，这就是日立公司提供促进化石燃料和可再生能源达到最佳组合的技术，在燃煤电力生产领域开展大范围工作以实现低碳社会的原因。本文介绍了采用CO₂回收技术回收燃煤电厂排气中的CO₂、通过增加生物质与煤炭的混合燃烧比例来减少CO₂，以及有效地将低质煤列入燃煤电厂节能转换的一部分的褐煤预干燥技术。

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??????? 日立公司在其2025年环境远景中宣布，从2025年起，它将通过日立产品和服务来帮助全社会每年减排CO₂一亿吨，以此促进技术的发展，从而实现全球低碳社会。具体来说，能源生产部门将负责其中约70%任务，主动地发展CO₂减排技术，同时兼顾经济性，以期实现化石燃料和可再生能源达到最佳可能的组合。特别是效率提升技术，包括700℃等级先进的超超临界（A-USC）火力发电和综合煤炭气化联合循环（IGCC）技术，太阳能、光电、风能及生物质可再生能源的使用，排气处理技术包括选择性催化还原脱销技术（SCR）、烟气脱硫技术（FGD）、化学吸收、氧燃料燃烧技术如CO₂回收技术。图1示出了这些节能设备使用的系统以及研究设施的外貌。

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图1 日立公司环保技术路线图

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??????? 在研发这些技术的过程中，日立公司建立了一个全球网络，以覆盖日本、美国、欧洲，并与当地大学和国家研究机构合作。能承受高温高压材料的发展是支撑700℃等级先进的超超临界（A-USC）的关键技术，日立公司和日立的欧洲基地——日立能源欧洲有限公司与电力公用事业单位及德国大学在大范围的联合研发项目中合作，涵盖范围从基础测试到厂内测试。至于化学吸收技术和排气处理技术，日立公司和日立的美国基地 —— 日立能源系统美国公司已委托美国能源部门开展联合项目来验证化学溶剂。日立公司和日立能源系统加拿大公司已在一个关于CO₂回收技术的联合示范测试项目中与加拿大的Saskatchewan能源公司开展合作。在可再生能源领域，日立公司正在发展生物质混合燃烧和干燥生物质有效利用技术，以及为传统热电厂提供高速变负荷技术。日立集团也将与日立能源欧洲有限公司研发将在东南亚和其他地方大量使用的高水分褐煤的燃烧技术（烘干，直接燃烧等）（图2）。日立公司致力于与每个国家的集团公司、大学、国家研究所展开合作研究和开发

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图2 日立公司全球研发框架

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??????? 日立公司已启动了一个与加拿大SaskPower公司合作的CO₂回收示范试验联合项目。试验现场是SaskPower所有的位于萨斯喀彻温省埃斯特万郊区的Shand 298MW电厂。该电厂位于加拿大CCS技术发展中心的中西部地区。两个公司已经合作巩固CO₂回收技术和诀窍，指导综合示范试验和对各因素进行评估如稳定性、整个电厂的经济性潜能，目标是发展大型商业系统。

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??????? 图3为示范试验电厂的系统流程。从烟道入口提取排气，在预洗涤后引入到吸收体中。吸收体在排气中注入溶剂，吸收CO₂并将待回收的CO₂传送到解吸塔中，然后返回到吸收体，允许系统以持续的循环进行CO₂的回收。采用的一种特殊设计考虑了诸如来自烟道溶剂的低排放测量、溶剂的有效使用和能源保护。

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图3 加拿大CO₂回收示范测试设施的系统流程

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??????? 从烟道入口提取排气，引入到吸收体，然后将CO₂吸收进溶剂。在通过解吸塔释放出CO₂后，溶剂再一次返回到吸收体中进行CO₂回收的循环过程。图4是在建于Saskatchewan 的Shand能源电厂背景上，展示CO₂回收系统示范测试设施的透视图。CO₂示范测试系统外墙的内部结构正对着建在后面

的Shand能源电厂。在钢架框架结构中可以看到高高的圆柱形物体正是吸收体，紧邻解吸塔。该测试计划于2014年年中启动。

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图4 CO₂回收示范测试设施

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? ???? ?示范测试计划的状态参数见表1。表1中所示的规格考虑了商用系统的比例放大，基于未来实际商业系统的规模，确定了该系统的规模。它将处理120吨/天的CO₂，回收效率达90%。

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? ? ? ? ? ? ? ? ?表1 加拿大示范测试计划的状态

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?????? 该测试中使用的CO₂溶剂是H3-1，该溶剂发展基于1990s前半阶段Yokosuka 热能电厂和东京电力能源公司合作研发的实际燃料气示范测试项目中培养出来的技术。在该过程性能方面的关键问题是溶剂对CO₂的吸收和回收CO₂时能源需求量的减少。图5为吸收CO₂的标准溶剂——单乙醇胺（MEA）与H3-1之间的比较。相较于MEA，H3-1要求的溶剂体积减少了35%，能源需求减少26%。这些数据出自委托美国北达科他大学能源与环境研究中心做的测试试验。基于这个评价，美国的国家研究中心——国家碳捕获中心（NCCC）也安排评估测试。正如图5所示，相比于标准溶剂——单乙醇胺（MEA），H3-1溶剂占用更小的体积，消耗更少的能源。

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图5 溶剂性能对比

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??????? 日立公司于2012年秋在一个挪威研究所进行了燃气燃烧CO₂回收试验。对建立多品种不同燃料，包括燃煤，燃烧的CO₂回收技术报以很大期望。

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??????? 增加现有燃煤热电厂生物质混合燃烧比例时，需要增加额外的专用轧机（粉碎机），由此需要增加额外的现场用电和空间。为了应对额外增加

的现场用电和空间，燃烧系统将在削减相应设备建设和改造费用的同时，保证一个高的混合燃烧比例（图6）。

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图6 利用现有燃烧系统的混合燃烧设备

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??????? 鉴于国内CO₂排放减少25%的目标，其目标混合燃烧比例设为25cal%。对于现有的只燃用生物质的煤粉炉混合燃烧技术，人们正在发展其实际应用，它是新能源和工业技术发展组织（2010年到2013年财政）的联合研究项目。通过现有磨煤机和燃烧器的转换，使其适用于生物质，使整个电

厂达到25ccal%的混合燃烧比例。双功能生物质轧机可用于煤炭燃烧，也能作为备用轧机继续发挥功能。

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??????? 针对多种生物质包括草基和木基材料进行的主要测试评估，为达到混合燃烧比例的目标，提出了适用结构的建议，并对安全（防爆）和腐蚀性进行了评估。

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??????? 首先，在专用粉碎机的主要测试中使用五种生物质颗粒。不同类型生物质的主要不同之处是颗粒度和粉碎力，除了一些生物质类型（树皮）外，已证实在形成颗粒之前，颗粒度将不会比原材料颗粒度小。作为系统设计，这是必不可少的信息（图7）。

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图7 每种类型颗粒的煤粉发电特性

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??????? 除树皮外，过量原材料颗粒度的粉碎性是不确定的。其中可以确定的是柳枝稷相比于其他类型的生物质更加难以粉碎。其次，主要测试中建立合适的结构来提升生物质卸料的效率，这是通过专用粉碎提升混合燃烧比例的一个因素。通过减少垂直辊粉碎机的粒子分类功能，可以确定这是一个能高效地将粉碎后的生物质从粉碎机中运出来的方法。通过对首次分类（重力分类）和收缩脉纹二次分类（离心分类）采用双层墙来达到这个目的。具有该结构轧机的外形如图8所示。

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图8 生物质和煤炭两用轧机

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??????? 粉碎期间通过减少首次和二次分类来达到生物质卸载数量。使用相同结构可使煤炭燃烧得到提升。在安全领域，考虑了避免粒子爆炸的方法。

柳枝稷被证实具有低至19vol%的低爆炸氧（O₂）浓度极限，所以，轧机的运行进气氧（O₂）浓度控制在18vol%。运用化学平衡计算来评估排气再循环系统的燃气组成，并分析其腐蚀性。柳枝稷的硫氧化物（SO₃）浓度低，在排气再循环系统的轧机出口浓度为0.1ppm（氧O₂浓度为18vol%）时，意味着轧机中的爆炸风险以及轧机和煤炭管路的腐蚀风险是低的。

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??????? 通过使用试验比例生物质燃烧器的单燃烧器试验电厂对柳枝稷的燃烧性能进行评估。燃烧器使用了能控制褐煤燃烧或其他生物质和低氧（O₂）载体气混合燃烧的火焰稳定型NR-LE燃烧器作为基础结构（图9）。

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图9 生物质和煤炭两用燃烧器

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??????? 图9 中的生物质和煤炭两用燃烧器采用为低质煤开发的改进型NR-LE燃烧器，以确保低氧环境下的稳定燃烧。在上述柳枝稷和载体气氧（O₂）浓度为18vol%的条件下，验证了燃烧器负荷在40%～70%使用稳定燃烧方式的能力。NO_X浓度和CO浓度等于或低于煤炭（澳大利亚Bulga煤）燃烧产生的浓

度。虽然在飞灰中未燃烧碳含量比燃煤要高，但由于生物质灰粉含量低，因此，燃烧效率比燃煤高。由于生物质灰粉的绝对量较少，虽然生物质飞灰中未燃烧碳与燃煤相比具有较高的数值，但燃烧效率更高。NOx、CO和其他排放与煤炭燃烧过程中的排放量一致或者更低。

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表2 单燃烧设备的专用燃烧特征

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??????? 测试中，使用大规模燃烧设施，由此可见，在锅炉炉膛的运行中没有燃烧问题。在生物质方面，柳枝稷用于专用的燃烧器，雪松用于混合燃烧器。煤炭使用澳大利亚Bulga煤。专用燃烧器的单燃烧试验验证了专用燃烧器，煤炭燃烧器用于混合燃烧，考虑到混合燃烧比例对燃烧性能进行了评

估，目标值为25cal%，可在20cal%～33cal%之间进行调整。专用燃烧器没有点火不成问题，能形成稳定的火焰。随着混合燃烧比例的提升，NO_X含量下降，几乎没有二次CO的产生。另外，在飞灰中的未燃烧碳含量几乎没有增长。

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??????? 生物质在25cal%混合燃烧时，关键设备参与考虑的气体状态量的结果如图10所示。基于具有低爆炸极限的木基材料的假设，大致计算出生物质载体气体中氧（O₂）浓度为11vol%。与煤炭燃烧进行对比时，发现燃气温度提升了几度，气体体积数也增大了几个百分点。这在一定范围得到了证实，它将不会在设施的配置方面产生问题。

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图10 对下游锅炉设备的影响（比例相对于煤炭燃烧器）

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??????? 相比于煤炭燃烧器，已证实25cal%生物质混合燃烧的燃气温度的升高和体积的增大在一定的范围不会产生设备配置问题。

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??????? 如上所述，通过粉碎原料测试、单/多燃烧器炉膛测试和其他试验来确定其特征。目前, 已实现燃煤热电厂比例为25cal%的生物质混合燃烧的实际应用。考虑到进一步计划完成整个系统，包括操作方法，伴随着验证扩

展范围增加木基材料的测试评估，验证评估将采用持续运行的试验磨煤机和排气处理系统以及综合评价。

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??????? 由于水分会损失大量热量，高水分褐煤净热效率较低。此外，当褐煤干燥时，它将趋于自燃。虽然干燥技术已持续发展多年，但由于干燥器本身巨大，因此，该技术很难用于电厂，这阻止了该技术的实际应用。由于这个原因，日立公司正致力于发展能有效地处理高水分褐煤的干燥技术。

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??????? 基于考虑如何高效地干燥褐煤，选择了空气流化过程，组合出一台原始的移动流体动力学输送机。图11为该测试设备的外观。该测试设备在原始移动流体动力学输送机中采用空气流化过程。

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图11 褐煤预干燥技术的主要测试系统

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??????? 图12示出干燥测试结果。如图12所示，虽然其原先需用约50分钟将褐煤中的水分降到20%，采用新技术后可能仅需6分钟即可达到相同的效果。同时，干燥时的温度也已从原来的100℃降低到目前的50℃左右。

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图12 褐煤预干燥技术的主要测试结果

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??????? 从图中可见，对比于以前的系统，先进的系统将干燥温度减半并将干燥时间减少到1/8。由于干燥时间的缩短减少了煤炭的滞留量，从而减少需求的空间。图13对比了安装空间。虽然过去需要将干燥器安装在一个单独的空间中，随着新系统的发展，它可被安装在锅炉建筑内。从图13可见，最新发展的干燥技术不再要求独立的安装空间，且可以安装在锅炉建筑内。此外，由于过去的干燥器在高干燥温度条件下运行，蒸发水分的低pH值将引起干燥器材料的腐蚀，从而导致需要使用不锈钢材料。最新发展的干燥器在更低的干燥温度下运行，因此，蒸发的水分具有相当于常规水的pH值，可以使用碳钢。考虑到安全因素，确认测试过程中提取粉碎粉末进行爆炸试验的结果后，认为在静电场水平下不会发生爆炸。同时，在测试过程中对CO可燃气体进行了监视，但未产生CO。净热效被证实得到了大约2个百分点的预期提升。如上所述，其结果达到原定的发展目标，因而，在考虑实际运行等因素的前提下，计划进行最终验证试验。

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