0 引 言

大氣中CO2濃度升高對環(huán)境和社會產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,海平面上升與陸地淹沒、氣候帶移動、颶風(fēng)加劇、植被遷徙與物種滅絕、洋流變化與厄爾尼諾頻發(fā)等重大災(zāi)難與之密切相關(guān)。我國電力等相關(guān)行業(yè)消費(fèi)產(chǎn)生的CO2排放量分別占煤炭消費(fèi)產(chǎn)生CO2排放量的48%,從總量上看，目前我國的CO2排放量已位居世界第二；預(yù)計到2025年，我國的CO2總排放量很可能超過美國，位居世界第一。因此,CO2減排已成為當(dāng)前國內(nèi)外熱點(diǎn)研究領(lǐng)域和前沿研究課題，CO2的捕集對于溫室氣體減排具有全球性的深遠(yuǎn)意義，并亟需有相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用，研究CO2捕集在電廠排放控制上的應(yīng)用，實現(xiàn)電廠CO2減排行之有效的方案。在電廠項目中施行CO2捕集對我國乃至全球CO2減排工作都有重要的指引作用。

由于國際油價日益上漲，海灣國家將石油天然氣作為重要的出口資源，積極拓展其他替代能源發(fā)電，便考慮在產(chǎn)油國家建造燃煤電廠。但同時為了滿足中東地區(qū)部分國家參加了聯(lián)合國CO2減排計劃，便考慮燃煤電廠配套CCS系統(tǒng)由于1L液態(tài)體積CO2氣化之后為500L氣態(tài)CO2，較好的液態(tài)氣化體積比決定了CO2是非常好的趨油物質(zhì)，也決定了CO2在中東產(chǎn)油國家有較好的市場需求。

1 項目總體方案

1.1 電廠方案介紹

本項目為2×135 MW電廠項目帶CO2捕集系統(tǒng)（carbon capture system--CCS），地址在中東阿聯(lián)酋Ras Al-Khaimah酋長國Saqr港保稅區(qū)，本項目采用印尼進(jìn)口煤，含水分較高（36%總水分），采用上海鍋爐廠煤粉鍋爐，出力為490 t/h。項目特點(diǎn)為要求帶50萬t/年的CO2捕集系統(tǒng)，此系統(tǒng)由上海鍋爐廠供貨，電站集團(tuán)工程公司總成。鍋爐島采用中速磨煤機(jī)、爐后煙氣系統(tǒng)采取液氨法SCR工藝技術(shù)、電除塵系統(tǒng)、石膏濕法脫硫系統(tǒng)。汽機(jī)島為135 MW汽輪機(jī)帶分缸抽汽用于CCS系統(tǒng)，直流海水循環(huán)冷卻；發(fā)電機(jī)為空氣冷卻135 MW出力發(fā)電機(jī)；升壓站為GIS系統(tǒng)。尾部煙氣流向分為兩個部分：第一部分30%左右煙氣經(jīng)適當(dāng)處理之后進(jìn)入CCS系統(tǒng)，被化學(xué)藥劑捕集為純CO2，煙氣中其他成分直接排空；第二部分70%左右煙氣經(jīng)適當(dāng)處理之后，目前是進(jìn)入煙囪排放，后期將對此70%煙氣設(shè)置處理系統(tǒng)，其中的CO2將用于養(yǎng)殖海藻。系統(tǒng)大致流程如圖1所示。

圖1 帶CO2處理的常規(guī)燃煤電站CCS系統(tǒng)流程示意

1.2 電廠方案與CCS系統(tǒng)接口聯(lián)系

1.2.1 煙氣

對于本項目所配套的CCS系統(tǒng)，處理的對象就是鍋爐系統(tǒng)尾部煙氣，主要的產(chǎn)物就是從煙氣當(dāng)中捕集下來的CO2。所以，本項目給CCS系統(tǒng)提供的煙氣成分與參數(shù)至關(guān)重要，直接影響CCS系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用。同時，CCS系統(tǒng)對輸入煙氣也提出了要求，如氮氧化物含量、二氧化硫含量等。上海鍋爐廠與電力設(shè)計院結(jié)合各方因素，設(shè)計了現(xiàn)在的煙氣系統(tǒng)。首先，鍋爐部分采用常規(guī)四角切圓型爐，適合高水分印尼褐煤。鍋爐廠按照設(shè)計煤種，給出鍋爐省煤器出口的煙氣如表1所示。

表1 省煤器出口煙氣成分

其中，需要注明的是煙氣中含有粉塵為3.91 g/m3及少量氮氧化物。而氮氧化物會與CCS系統(tǒng)化學(xué)藥劑反應(yīng)，并且也需要滿足阿聯(lián)酋當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保指標(biāo)，鍋爐尾部設(shè)置了液氨法SCR反應(yīng)器；同時，在鍋爐空預(yù)器之后設(shè)置了電力除塵器，綜合考慮之后，設(shè)計除塵出口濃度為50 mg/m3。石膏濕法脫硫系統(tǒng)也是增加環(huán)保指標(biāo)重要系統(tǒng)。CCS系統(tǒng)中的化學(xué)藥劑也會與酸性氣體二氧化硫反應(yīng)，為了避免CO2吸收劑的過度消耗，需要盡可能降低二氧化硫的排放值。表2為脫硫系統(tǒng)出口煙氣成分。

表2 脫硫出口煙氣成分

此煙氣當(dāng)中含有極少量粉塵、氮氧化物與其他不明雜質(zhì)，都會引起后面CCS系統(tǒng)CO2吸收劑的運(yùn)行損耗。到目前為止，此部分藥品損耗難以降低。

1.2.2 其他接口因素

CCS系統(tǒng)需要從電廠系統(tǒng)獲得以下資源：除鹽水、海水、蒸汽、壓縮空氣、電。除鹽水為CCS系統(tǒng)配CO2吸收劑配藥所需；海水主要用于脫硫之后煙氣洗滌與降溫；蒸汽提供CO2吸收劑在再沸器中分界所需熱量；壓縮空氣與電是常規(guī)閥門與用電設(shè)備所需。

2 CO2捕集系統(tǒng)

2.1 CO2捕集系統(tǒng)總體方案

本項目CCS系統(tǒng)采用的是胺類溶劑吸收法CO2捕集工業(yè)化技術(shù)，胺類CO2化學(xué)吸收法較為成熟，該工藝流程具有能量消耗低、工藝過程簡單、設(shè)備投資少、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn),特別適用于煙道氣濃度在13%左右的低濃度CO2回收工程。主要采用的化學(xué)藥物為胺類CO2化學(xué)吸收劑，R1R2NH化學(xué)試劑針對煙道氣中的低濃度CO2，具有吸收容量大、吸收速率快、不易降解、再生溫度低等優(yōu)點(diǎn)，吸收溶劑使CO2氣體濃度從13%提升至95%。為后續(xù)的CO2的精制提純做準(zhǔn)備。該工藝由于采用新型吸收溶劑，較傳統(tǒng)的MEA吸收法降低了能量消耗、減少了設(shè)備投資、簡化了工藝流程、體現(xiàn)了低碳環(huán)保的理念。具體過程如下：CO2+R1R2NH+H2O=R1R2NH+HCO。此胺基溶劑與CO2反應(yīng)形成不穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，其吸收CO2的最大容量為1 mol CO2/mol胺。圖2為電廠用CO2捕集系統(tǒng)流程。

圖2 CO2捕集系統(tǒng)流程

2.1 CO2捕集系統(tǒng)主要流程

2.1.1 水洗塔系統(tǒng)

脫硫后的煙氣從水洗塔下部進(jìn)入，與從塔頂逆流而下的水接觸降溫后從塔頂流出，經(jīng)分離器分出水分后，氣體由引風(fēng)機(jī)送入吸收塔。頂部流下的水從塔底流出，通過泵送入冷卻器冷卻后，再進(jìn)入水洗塔，構(gòu)成循環(huán)。水洗塔的主要作用為洗去煙氣中的殘余粉塵并將煙氣的溫度降至50℃。

2.1.2 吸收塔系統(tǒng)

降至50℃的煙氣由引風(fēng)機(jī)送入吸收塔，從吸收塔下部進(jìn)入與塔頂逆流而下的溶液接觸，其中一部分CO2被溶劑吸收，吸收CO2的尾氣由塔頂排出。在吸收塔中CO2濃度為13%的煙道氣與高效CO2吸收溶劑逆向接觸。煙氣中的CO2被吸收溶劑吸收，吸收CO2后的吸收溶劑由貧液變?yōu)楦灰?。由于吸收過程反應(yīng)放熱，吸收后的富液溫度升高。脫除CO2后的煙氣進(jìn)入吸收塔上段與洗滌水逆向接觸，除去從吸收段帶來的微量吸收溶劑后在塔頂放空，此時未被吸收的煙氣中的其他成分被直接排空，主要成分為氮?dú)?、水蒸氣、氧氣等。水洗液在吸收塔洗滌段重?fù)循環(huán)，其中吸收劑的濃度不斷增加，需定期監(jiān)測處理。富液被送往再生塔進(jìn)行回收利用。

2.1.3 換熱系統(tǒng)

溶液（貧液）吸收CO2后由塔底經(jīng)泵送入貧富液換熱器，與來自再生塔的貧液進(jìn)行換熱，回收熱量后送入再生塔。富液（已吸收CO2）從再生塔上部進(jìn)入，與自下而上的水氣、CO2接觸，解吸部分CO2，然后進(jìn)入煮沸器，使其中的CO2進(jìn)一步解吸。解吸CO2后的貧液由再生塔底流出，經(jīng)貧富液換熱器換熱后，用泵送至水冷器，冷卻后進(jìn)入吸收塔。溶劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸CO2的工藝過程。富液與來自再生塔頂?shù)脑偕鷼怏w進(jìn)行了熱量交換，富液溫度被升高，再生氣溫度降低，并有部分蒸汽被液化。升溫后的富液進(jìn)入貧富液換熱器，與來自再生塔底的貧液再次進(jìn)行熱量交換。富液溫度再次升高，貧液溫度降低，使能量得到了充分利用。

2.1.4 尾部工序

解吸出的CO2連同水蒸氣經(jīng)冷卻、分離除去水分后得到純度99.5%（干基）以上的產(chǎn)品CO2氣，送入后序工段使用。再生氣中被冷凝分離出來的冷凝水，用泵送至再生塔，維持系統(tǒng)水平衡。為了維持溶液清潔，約10%～15%的貧液經(jīng)過分離過濾，除去溶液中雜質(zhì)；為處理系統(tǒng)的降解產(chǎn)物，設(shè)置胺回收加熱器，需要時，將部分貧液送入胺回收加熱器中，通過蒸汽加熱，將胺、水蒸餾進(jìn)入再生塔。

3 結(jié) 語

該項目對環(huán)保要求較高，雖然項目本身在中東地區(qū)，但其電廠設(shè)計的環(huán)保要求都按照國內(nèi)最新的燃煤電廠環(huán)保要求設(shè)計。本項目設(shè)置了脫硝系統(tǒng)、高效電除塵器、脫硫系統(tǒng)等環(huán)保設(shè)施，即煙氣中SOX、NOX、粉塵等含量都已經(jīng)降至國標(biāo)以內(nèi)，并兼顧滿足CCS系統(tǒng)入口煙氣要求。由于本項目CCS系統(tǒng)是用于燃煤電廠鍋爐尾部煙氣處理，其CCS系統(tǒng)本身針對電廠煙氣成分的特殊性也做了針對性系統(tǒng)設(shè)置，如適用于電廠的特殊化學(xué)吸收劑吸附；吸收塔之前的水洗塔，用于降低脫硫塔之后的煙氣溫度，減少煙氣中剩余的粉塵含量，以滿足R1R2NH溶液化學(xué)吸收CO2的參數(shù)需要。在電廠項目中施行如此巨大的CO2捕集系統(tǒng)，使得CO2捕集在電廠中工業(yè)化應(yīng)用有了先例，而這種工業(yè)化應(yīng)用恰恰滿足了全世界對節(jié)能減排的需求，也滿足了中東業(yè)主對成本合理的CO2的需求，用于趨油與食品都有較高的性價比。對我國來說，煤電是主要的能源，也是主要的污染來源。一種能用于發(fā)電廠、能工業(yè)化的、經(jīng)濟(jì)合理的CO2捕捉系統(tǒng)，對于減輕電廠的溫室氣體排放有示范作用，能成為“十二五”節(jié)能減排行之有效的措施。

[1]趙毅,張自麗.電廠二氧化碳捕集研究及展望[J].工業(yè)安全與環(huán)保, 2012,38(6)：74-85.

[2]趙毅,張自麗.電廠二氧化碳捕集分離研究綜述[J].上海環(huán)境科學(xué), 2012,31(2)：62-70.

[3]秦大河.中國氣候與環(huán)境演變[M].北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[4]國家氣候變化對策協(xié)調(diào)小組辦公室,中國21世紀(jì)議程管理中心.全球氣候變化—人類面臨的挑戰(zhàn)[M].北京: 商務(wù)出版社, 2004.

[5]孫欣.燃煤電廠二氧化碳捕集與儲存技術(shù)[J].世界煤炭, 2008,34(4)：96-99.

[6]靖宇,韋力,王運(yùn)東.吸附法捕集二氧化碳吸收劑的研究展望[J].化工進(jìn)展, 2011,30(增)：133-138.