胡月紅

(承德石油高等專科學(xué)校熱能工程系，河北承德 067000)

火電廠CO2CCS技術(shù)分析

胡月紅

(承德石油高等?？茖W(xué)校熱能工程系，河北承德 067000)

介紹了火電廠CO2排放特點(diǎn)，將CO2減排技術(shù)分為捕集與封存兩個(gè)部分進(jìn)行討論，提出了火電廠CO2捕集的4種主要技術(shù)路線;比較分析了幾種主要捕集方法的技術(shù)特點(diǎn)和火力發(fā)電適用性，CO2應(yīng)用于我國(guó)火電廠需解決的問(wèn)題;綜述了CO2的封存技術(shù)和綜合利用。

溫室效應(yīng);火電廠;CO2捕集與封存;綜合利用

近年來(lái)我國(guó)CO2年排放量在60億t左右，約占全球總量的1/5，對(duì)全球變暖的影響大約占70%;為此，中國(guó)政府作出承諾:要在2020年把單位GDP排放量在2005年的基礎(chǔ)上降低40%～45%［1-3］。CO2總排放量的75%是由石化燃料燃燒產(chǎn)生的，我國(guó)CO2排放總量的一半來(lái)自電力工業(yè)［2］，因此，火電廠CO2減排形勢(shì)嚴(yán)峻。目前，火電廠CO2減排策略可通過(guò)提高能效(如采用先進(jìn)的燃燒、發(fā)電技術(shù))、發(fā)展替代能源(包括可再生能源和核能)實(shí)現(xiàn)，但減排潛力有限。采用CO2捕集與封存(CO2capture and storage，CCS)技術(shù)能減少電站80%～95%CO2的排放量，理論上有巨大的減排潛力，是當(dāng)今世界公認(rèn)的CO2減排的重要途徑。

1 火電廠CO2捕集技術(shù)分析

1.1 火電廠CO2捕集技術(shù)

火電廠CO2捕集技術(shù)路線主要可以分為4種:燃燒后脫碳、燃燒前脫碳、富氧燃燒以及化學(xué)鏈燃燒技術(shù)［3］。

1.1.1 燃燒后捕集

燃燒后捕集即從燃燒排放的煙氣中捕集CO2，目前主要是用一乙醇胺(MEA)或其它溶液直接吸收煙氣中的CO2進(jìn)行捕捉。其流程如圖1所示。技術(shù)比較成熟，工藝也不復(fù)雜，并已在工業(yè)上得到應(yīng)用。弊端是氣體處理量較大，煙氣中CO2含量低(13%左右)，造成捕集裝置能耗和運(yùn)行成本較高，對(duì)電廠供電效率以及發(fā)電成本影響較大，總收益下降20%～30%左右。

1.1.2 燃燒前捕集

如流程圖2所示，煤與氧或空氣在壓力作用下發(fā)生反應(yīng)，生成混合氣體燃料，其主要成分為H2、CO，降溫后，在水蒸氣變換爐中與水蒸汽反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成H2和CO2的混合氣，由于CO2的濃度較高(約40%)，可以通過(guò)CO2的捕捉和脫除設(shè)備將CO2從燃料中分離出來(lái)，從而使燃料中不再含碳。該技術(shù)氣體處理量較少，CO2含量高，捕集裝置能耗和運(yùn)行成本較低，適用于新建的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)(IGCC)中，但這種技術(shù)目前還不夠成熟，而且系統(tǒng)組成復(fù)雜、投資成本較高，所以在實(shí)際應(yīng)用中有一定的限制性。

1.1.3 富氧燃燒技術(shù)

這種燃燒方式不僅能有效的捕捉和封存CO2，對(duì)降低排放SO2和NOx等污染物也有明顯的效果，其工作原理如圖3所示，空氣在分離裝置中分離出的純氧與鍋爐煙道抽取的再循環(huán)煙氣混合后，送入爐膛作為燃料的氧化劑，燃燒后產(chǎn)生的含85%以上濃度CO2的煙氣可以直接液化回收處理。但氧氣分離將會(huì)消耗23%～37%的電廠總收益，而且操作和維持費(fèi)用偏高。

1.1.4 化學(xué)鏈燃燒技術(shù)(CLC)

如圖4所示，在空氣反應(yīng)器中，空氣將金屬氧化成金屬氧化物;在燃料反應(yīng)器中，金屬氧化物和燃料反應(yīng)，產(chǎn)生水蒸氣和CO2，冷凝處理后，就能夠富集高濃度的CO2，不需要附加空分設(shè)備，能耗低，有發(fā)展遠(yuǎn)景，但目前仍處于試驗(yàn)階段，還需解決三個(gè)突出的問(wèn)題:1)系統(tǒng)集成優(yōu)化和分析;2)反應(yīng)性運(yùn)行和研究;3)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和氧載體的制備，所以，還無(wú)法有效評(píng)估這種技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

1.2 CO2捕集技術(shù)比較分析

工業(yè)上傳統(tǒng)的CO2捕集技術(shù)主要有4種:吸收法、吸附法、低溫蒸餾法和膜分離法。幾種主要方法的技術(shù)特點(diǎn)及火力發(fā)電適用性見(jiàn)表1所示［4］。

表1 煙氣CO2捕集技術(shù)特點(diǎn)及火力發(fā)電適用性

我國(guó)現(xiàn)運(yùn)行火電廠捕集示范裝置為:華能北京熱電廠，重慶合川發(fā)電有限責(zé)任公司雙槐電廠，華能上海石洞口第二電廠。這三套燃煤電廠捕集示范裝置都是采用燃燒后捕集技術(shù)的化學(xué)吸收法(MEA)，這也是目前國(guó)際上燃煤電廠CCS項(xiàng)目普遍采用的辦法，即電廠排出的煙氣首先通過(guò)脫硝、除塵、煙氣脫硫等方法進(jìn)行預(yù)處理，再采用化學(xué)吸收法實(shí)現(xiàn)煙氣脫碳。

CO2捕獲方法普遍能耗大，成本高，經(jīng)濟(jì)性較差。下面以一個(gè)傳統(tǒng)的發(fā)電效率為41.6%的燃煤電廠為基準(zhǔn)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較分析(見(jiàn)表2)。

表2 幾種CO2捕集方法的經(jīng)濟(jì)性比較

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外燃煤電廠CO2捕集技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析可知，燃煤電廠CO2捕集過(guò)程中裝置成本過(guò)高，額外運(yùn)行能耗問(wèn)題是CO2捕集與封存技術(shù)迄今沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用的重要障礙之一。

2 CO2的封存與綜合利用

2.1 CO2封存

CO2封存主要包括生態(tài)封存、地質(zhì)封存、海洋封存和礦化封存4種［5］。

1)生態(tài)封存:CO2生態(tài)封存就是通過(guò)植樹造林、擴(kuò)建草場(chǎng)或培養(yǎng)藻類來(lái)吸收CO2凈化大氣。一個(gè)500MW的燃煤電廠所排放的CO2大約需2 000 km2的森林來(lái)捕集，所以生態(tài)封存雖然是最理想、最廉價(jià)的方式，但不可能作為主要封存方式。

2)地質(zhì)封存:不可采的煤層、深部鹵水層及耗竭的油氣田具有豐富的孔隙空間，可通過(guò)加壓灌注儲(chǔ)存大量的CO2。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球耗竭的油氣田可容量高達(dá)920Gt的CO2。所以地質(zhì)封存很有潛力，不安全因素是由于地震造成地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化將使大氣環(huán)境中因泄露引起CO2濃度迅速升高。另外，地層儲(chǔ)藏帶的礦物質(zhì)成分也有可能因?yàn)镃O2的封存而破壞。

3)海洋封存:如果把CO2制成干冰或通過(guò)高壓管道輸送到1 000 m深以下的海洋中，由于CO2的密度相比海水大，會(huì)在海底自然溶解形成固態(tài)的CO2水化物或液態(tài)的CO2湖。相比之下，海洋封存潛力最大。但研究表明，海水pH值會(huì)有所降低，海水中生物鏈的形成將受到影響。而為了盡可能減少CO2重回到大氣環(huán)境的可能，需把CO2注入到3 000 m以下的深海中，這樣就增加了封存成本和技術(shù)難度。

4)礦化封存:利用CO2與天然的礦物如硅灰石、水鎂石等富含鎂和鈣的硅酸鹽礦進(jìn)行碳酸化反應(yīng)，可以形成穩(wěn)定的碳酸鹽如碳酸鎂(MgCO3)和碳酸鈣(CaCO3，石灰石)。由于自然反應(yīng)過(guò)程比較漫長(zhǎng)，需要對(duì)礦物作預(yù)處理，從而要多消耗火電廠60%～180%的能源，所以礦化封存是目前成本最高的CO2封存途徑。

2.2 CO2的綜合利用

研究發(fā)現(xiàn)，將CO2注入油氣田進(jìn)行地質(zhì)封存的同時(shí)還可以提高產(chǎn)油率，近幾年，全球已有超過(guò)70個(gè)油田通過(guò)注入CO2來(lái)提高石油回采率。此外，CO2廣泛地應(yīng)用在人工降雨，食品工業(yè)中的冷凍劑，也可用于制造純堿，碳化氧化鈣生成輕質(zhì)沉淀碳酸鈣，化肥，碳酸氫銨尿素等。通過(guò)對(duì)CO2資源化利用，相對(duì)降低了減排成本。如華能北京熱電廠每年可生產(chǎn)銷售大約3 000 t的CO2，基本補(bǔ)償了CCS的運(yùn)行成本。CO2還可以直接還原成CO，或者進(jìn)一步利用加氫合成制備甲醇、低碳烯烴等合成燃料，但技術(shù)都還在研究階段。

3 總結(jié)

1)到2020年，燃煤電廠在整個(gè)發(fā)電廠中的比例仍會(huì)占到60%左右，因此，火電行業(yè)CO2減排形勢(shì)嚴(yán)峻。

2)IGCC技術(shù)環(huán)保、高效，設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，技術(shù)不成熟，只能用于新建電廠;通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的電廠進(jìn)行技術(shù)改造，可以采用燃燒后捕捉技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)，但會(huì)使電廠總效益下降20%以上。

3)物理吸附法和低溫蒸餾法適用于CO2濃度高的煙氣，如IGCC及O2/CO2混合燃燒煙氣;膜分離法也不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，更適合于小流量，而且分離出CO2純度不高;現(xiàn)有的傳統(tǒng)的火電廠，由于煙氣排放量大，且CO2濃度低，處于低壓高溫狀態(tài)，目前適用的方法主要是化學(xué)吸收法。CO2捕獲方法普遍能耗大，成本高，如化學(xué)吸收法通常要先對(duì)煙氣降溫到約40℃左右進(jìn)行捕獲，增溫后再排放煙氣，而捕獲的CO2要加壓存儲(chǔ)和輸送，這必然導(dǎo)致工藝復(fù)雜化，能耗增加。所以火電廠CO2捕集過(guò)程中裝置成本過(guò)高以及額外運(yùn)行能耗問(wèn)題是CO2CCS技術(shù)急需解決的問(wèn)題。

4)對(duì)捕集的CO2進(jìn)行其資源化利用，可以降低減排成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 中國(guó)首次宣布溫室氣體減排清晰量化目標(biāo).http://news.xinhuanet.com/politics/2009-11/26/content_12545939.Htm.

［2］ 何祚庥.中國(guó)會(huì)不會(huì)走向半個(gè)工業(yè)化:對(duì)我國(guó)減排問(wèn)題的若干戰(zhàn)略思考［J］.中國(guó)科院院刊，2010(3):324-334.

［3］ 肖琨.火力發(fā)電廠CO2捕捉技術(shù)［J］.鍋爐技術(shù)，2010(1):73-76.

［4］ 王曉亮.燃煤電站CO2捕集技術(shù)研究現(xiàn)狀及前景展望［J］.東方電氣評(píng)論，2011(25):3-8.

［5］ 李輝.我國(guó)電力行業(yè)CO2減排技術(shù)及應(yīng)用前景分析［J］.電力科技與環(huán)保，2011(1): 9-13.

Technology Analysis of CO2Capture and Storage in Firing Power Plant

HU Yue-hong
(Department of Thermal Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

After introducing the CO2emission characteristics from firing power plant，this paper discussed two parts in both CO2capture and storage，and put forward four main technological lines for CO2capture in firing power plants.The paper also analyzed and compared the features and appliances of every capture measures，and pointed out some problems needed to be solved for using the existing capture methods to firing power plant in China.Finally it analyzed and summarized CO2storage technology and comprehensive utilization.

greenhouse effort;firing power plant;CO2capture and storage;comprehensive utilization

TM622

：A

：1008-9446(2012)02-0029-05

承德市科研課題(應(yīng)用于火電廠CCS技術(shù)的CO2分離方法研究):201121151

2012-03-19

胡月紅(1974-)，女，江西人，承德石油高等?？茖W(xué)校熱能工程系講師，主要從事熱能工程方面的教育科研工作。