魏義杭，佟博恒

(1.西安中學(xué)，西安 710032;2.清華大學(xué)熱能工程系熱能工程研究所，北京 100084)

二氧化碳的捕集與封存技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

魏義杭1，佟博恒2

(1.西安中學(xué)，西安 710032;2.清華大學(xué)熱能工程系熱能工程研究所，北京 100084)

目前我國對環(huán)境保護與限制碳排放量愈加重視。利用二氧化碳捕集與封存技術(shù)(CCS)降低碳排放量是目前我國工業(yè)發(fā)展的技術(shù)趨向。文中總結(jié)了CCS技術(shù)的種類和原理，并對我國CCS技術(shù)的發(fā)展前景做出評估。分別論述了三大捕集技術(shù)：燃燒前捕集，富氧燃燒和燃燒后捕集，指出了制約IGCC快速發(fā)展的關(guān)鍵因素。同時介紹了兩種封存CO2氣體的方法并比較了兩種儲存方式的優(yōu)缺點，對我國CO2地質(zhì)封存潛力進行初步分析。最后文中指出我國CCS技術(shù)發(fā)展的阻礙和未來研究方向，對今后的研究做出指導(dǎo)意見。

CCS；捕集技術(shù)；封存技術(shù)

0 引 言

氣候變化引起的各種災(zāi)害逐漸增加,盡管各國都在積極開發(fā)太陽能、核能、生物質(zhì)能等新能源,但這些新能源仍沒有占到主體地位。以煤,石油、天然氣為主的化石能源,仍將在21世紀人類能源消費結(jié)構(gòu)中占主體地位[1],這就意味著本世紀直接消耗化石燃料所產(chǎn)生的溫室氣體排放量將持續(xù)增加,這樣引發(fā)的全球氣候變暖,環(huán)境惡化狀況將會持續(xù)加劇。為了減緩環(huán)境惡化的速度，必須采取一定的措施。關(guān)鍵問題就是要減少以CO2為主的溫室氣體排放,其中施行CCS技術(shù)是最有效的途徑。

CCS技術(shù),全稱為“CO2大量捕集與封存技術(shù)”(Carbon Capture and Storage),是未來大規(guī)模減少溫室氣體排放,減緩全球變暖最經(jīng)濟,最可行的辦法。文中對多種CCS技術(shù)的方法、原理進行了介紹，比較了各自的優(yōu)缺點。

1 CO2的捕集方法

CO2捕集的方式有三種,燃燒前捕集,富氧燃燒和燃燒后捕集。

1.1 燃燒前捕集

燃燒前捕集主要應(yīng)用于IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán))中,主要操作是將煤高壓富氧氣化變成煤氣。再經(jīng)過水煤氣的變化產(chǎn)生二氧化碳和氫氣。反應(yīng)方程式如下：

C+H2O→CO+H2

(1)

CO+H2O→CO2+H2

(2)

IGCC過程中氣體壓力和CO2的濃度都很高,將很容易對CO2進行捕集,剩下的H2可以被當(dāng)做燃料。IGCC的裝置主要包括煤預(yù)處理系統(tǒng)、氣化爐、空分裝置、低熱值燃氣輪機和蒸汽輪機。如圖1所示，主要運行流程是煤經(jīng)預(yù)處理，空分裝置分離氧氣和氮氣，隨后預(yù)處理后的煤進入高溫高壓的氣化爐進行煤氣化反應(yīng)，隨后混合氣進入凈化系統(tǒng)(脫硫和二氧化碳捕集)，最后氣體進入燃氣輪機-蒸汽輪機-余熱鍋爐發(fā)電。

氣化爐的主要作用就是將煤轉(zhuǎn)化為水煤氣,氣化爐主要包括噴流床氣化爐,流化床氣化爐,固定床氣化爐與熔融床氣化爐四類[2]?？辗盅b置是IGCC的耗能大戶,故空分裝置對IGCC整個系統(tǒng)的影響最大,在IGCC中一般采用深度冷凍法來制取氧氣。而空分裝置又分為高壓完全整體化系統(tǒng)和低壓獨立空分系統(tǒng)。低熱值燃氣輪機應(yīng)用于IGCC時,唯一不同的就是燃料由天然氣變?yōu)榱嗣簹?其熱值約為天然氣的1/3～1/4.燃氣輪機采用的主要是稀釋擴散燃燒的方式。煤氣進入燃氣輪機,加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動燃氣透平作功，燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機作功[3]。

學(xué)者林汝謀等[4]就陶瓷質(zhì)子膜分離法提出了由氫燃料熱力系統(tǒng)和含碳燃料熱力系統(tǒng)并聯(lián)，組成新穎CO2準零排放雙循環(huán)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。其典型系統(tǒng)流程為：煤經(jīng)過氣化凈化后，通過質(zhì)子膜分離技術(shù)將煤氣中的氫氣分離出來與空氣系統(tǒng)的氧氣組成氫氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)工質(zhì)為CO2和水，排放中的CO2濃度可達到百分之八十五，因而通過冷凝的物理方法即可將CO2和水分離。這種回收CO2路線的一個主要優(yōu)點在于分離CO2時不需要額外的能耗只需要通過冷凝的方式即可得到純度很高的CO2。當(dāng)然它是以大的空分耗功為代價的，因此采用低能耗的制氧技術(shù)以及先進的燃料氣分離技術(shù)是該方法的關(guān)鍵。華能IGCC電廠之所以叫做示范工程，目的也是通過對IGCC技術(shù)的探索和驗證，摸索經(jīng)驗，最終實現(xiàn)商業(yè)化運行，達到可推廣，可復(fù)制的目的。這個廠總裝機容量26.5萬kW，2012年11月試運行，是中國第一座，世界第六座已經(jīng)投入的大型煤基IGCC電站。

IGCC的捕集系統(tǒng)小,能耗低,在效率及對污染物的控制方面有很大的潛力，另外氣化爐產(chǎn)出的合成氣CO2濃度高，便于捕集和利用。但是此技術(shù)尚未完全成熟,仍面臨著比投資成本太高,發(fā)電成本高，難以實現(xiàn)盈利，世界上多處IGCC電廠都處于虧損狀態(tài)。另外，IGCC技術(shù)由于空分系統(tǒng)耗能大，發(fā)電效率也比普通燃煤電廠低。總之，IGCC是一項清潔的燃煤技術(shù)，對環(huán)境影響較小，但技術(shù)總體有待于進一步的提高。

1.2 富氧燃燒

富氧燃燒技術(shù)采用傳統(tǒng)燃煤電站的技術(shù)流程，但通過制氧技術(shù)，將空氣中大比例的氮氣脫除，直接用高濃度的氧氣與煙氣的混合氣體來替代空氣，這樣得到的煙氣中會有高濃度的二氧化碳氣體，便于收集和儲存。學(xué)者閻維平[5]提出了一種在富氧燃燒的煙氣中回收NO的方法。NO、O2、H2O共存時會發(fā)生如下反應(yīng)：

圖2為富氧燃燒工藝流程。在常壓且無催化劑的條件下，煙氣中極低濃度NO氧化為NO2的速率慢，常規(guī)空氣燃燒鍋爐煙氣中NO,O2,H2O共存而不能轉(zhuǎn)換為硝酸。根據(jù)NO氧化反應(yīng)動力學(xué)機理，在高壓低溫下NO的氧化速率提高，最后NO2在吸收中完成吸收轉(zhuǎn)化，此回收工藝無需其他化學(xué)藥劑。利用該技術(shù)既可省去NOx低燃燒器以降低投資，還可以資源化回收利用NO產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益，從而降低了富氧燃燒的發(fā)電成本。

圖2 富氧燃燒工業(yè)流程

這個技術(shù)的優(yōu)點減少了燃點溫度和減少燃盡的時間，提高了燃燒速率、燃盡率，降低了燃燒后的煙氣量，NOx的排放量減少。發(fā)達國家目前使用較多?？偟膩碚f，富氧燃燒是一項高效節(jié)能的燃燒技術(shù)，但該技術(shù)面臨的最大問題是制氧技術(shù)的投資和能耗太高。

1.3 燃燒后捕集

燃燒后捕集就是在燃燒排放的煙氣中捕集CO2，現(xiàn)在常用的CO2分離技術(shù)主要有化學(xué)吸收法和物理吸收法，此外還有膜分離法技術(shù)[6]，正處于發(fā)展階段，但卻公認的在能耗和設(shè)備緊湊型方面具有非常大潛力的技術(shù)。從理論上說，燃燒后捕集技術(shù)適用于任何一種火力發(fā)電廠，然而普通的煙氣壓力小，體積大，CO2濃度低，而且還有大量的N2，因此捕集系統(tǒng)龐大，需要耗費大量的能源?；瘜W(xué)溶劑法中常用的是有機胺溶液吸收法，在實際工業(yè)應(yīng)用中，一乙醇胺(MEA)和二乙醇胺(DEA)較為常見。MEA[7]屬于伯胺，堿性較強，與CO2反應(yīng)具有吸收迅速，吸收能力強的特點，但MEA水溶液容易發(fā)泡，降解。MEA與CO2反應(yīng)生成的產(chǎn)物氨基甲酸鹽較穩(wěn)定，溶液再生溫度高，蒸汽消耗量大，但腐蝕性較強，對裝置的損傷較大，MDEA法是20世紀70年代有德國BASF公司開發(fā)的，MDEA是叔胺，分子中不存在活潑氫原子，因此化學(xué)穩(wěn)定性好，不容易降解變質(zhì)，再生容易，能耗低，故該工藝在世界范圍內(nèi)逐漸得到應(yīng)用。圖3為燃燒后捕集化學(xué)溶劑吸收法工業(yè)流程圖。

圖3 燃燒后捕集工業(yè)流程

2 CO2的封存途徑

CO2的封存途徑可以分為地質(zhì)封存和海洋封存兩類。

2.1 地質(zhì)封存

地質(zhì)封存一般是將超臨界狀態(tài)的CO2注入地質(zhì)結(jié)構(gòu)。CO2地質(zhì)封存主要包括物理封存和化學(xué)封存兩種基本機制。其中物理封存就是通過底層構(gòu)造壓力[8]，地下水動力，流體密度差，蓋層巖石孔隙毛細壓力及礦物吸附等共同作用下，將超臨界CO2捕獲于儲層頂部孔隙中。被捕獲于儲層中的一部分CO2以溶解態(tài)分布于地下水中并隨地下水以極低的速度運移，另一部分可能會被吸附于特殊巖層表面?；瘜W(xué)封存機制就是指儲層中巖石礦物，地下水溶液與注入的超臨界CO2流體在一定的溫度和壓力條件下發(fā)生緩慢的化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鹽礦物或者碳酸氫根離子，從而把二氧化碳轉(zhuǎn)化為新的物質(zhì)固定下來[9]。其中，物理封存很容易受到地質(zhì)構(gòu)造，地應(yīng)力狀態(tài)，地下水動力特征及工程活動擾動等因素的制約，物理捕獲CO2只是將CO2暫時儲存在地下巖層中?；瘜W(xué)方式適用于長期封存CO2。如果物理封存和化學(xué)封存并用可以起到更好的效果。

2.2 海洋封存

海洋封存是指將CO2運輸?shù)缴詈：５走M行封存。但是，這種封存辦法也許會對環(huán)境造成負面的影響，比如過高的CO2含量將會使海水酸化而殺死深海的生物。此外，封存在海底的CO2也有可能會逃逸到大氣當(dāng)中。此方法利用較少，故作簡單論述，總的來說 人們對海洋封存的了解還是太少。

3 結(jié)束語

CCS技術(shù)分為兩大塊：碳捕集和碳封存。相對來說，二氧化碳捕集技術(shù)所占成本的比重遠大于封存技術(shù)。捕集方法中燃燒前捕集和富氧燃燒技術(shù)脫碳效率比較高，易于實行，對污染物控制較好。然而CCS技術(shù)普遍存在的問題是能耗高，降低發(fā)電效率，提高運行成本，而且核心技術(shù)尚不成熟。筆者認為，IGCC是最具潛力的CO2捕捉技術(shù)，屬于環(huán)境友好型技術(shù)，對環(huán)境造成的危害較小，適用于現(xiàn)代的社會，對空分裝置進行改造是成功改善IGCC效率的重要因素。隨著制氧技術(shù)的進步，富氧燃燒技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用富氧燃燒是現(xiàn)在發(fā)達國家使用較多的一種技術(shù)。燃燒后分離技術(shù)總體上是可行的，但需要消耗較多的溶劑和燃料，由此帶來的裝備損耗、額外能耗是需要重點考慮的問題。

由于今后化石燃料仍舊是世界的主導(dǎo)燃料，所以CCS技術(shù)在未來的一段時間內(nèi)都是解決溫室氣體排放，降低碳排放量的主要解決方案。我國能源利用架構(gòu)是以煤炭為主，所以CCS技術(shù)可以極大地降低我國的二氧化碳排放量，使用范圍廣，前景很好。但是目前我國CCS技術(shù)尚處于研發(fā)階段，CCS技術(shù)在我國的發(fā)展面臨多種障礙[10]：缺乏成熟的工業(yè)技術(shù)、缺乏持續(xù)的資金支持、缺乏統(tǒng)一的監(jiān)管和標準和缺乏長期的發(fā)展規(guī)劃等等。中國是世界最有潛力的CCS市場，當(dāng)前中國發(fā)展CCS技術(shù)的機遇與挑戰(zhàn)并存。

[1] 崔振東, 劉大安, 曾榮樹,等. 中國CO2地質(zhì)封存與可持續(xù)發(fā)展[C]∥中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所第十屆(2010年度)學(xué)術(shù)年會論文集(下). 2011:9-13.

[2] 宿建峰, 李和平, 贠小銀,等. IGCC的特點與CO2捕捉技術(shù)[J]. 華電技術(shù), 2009, 1(1):60-65.

[3] 廖小花, 陳海平, 李京茂. IGCC系統(tǒng)控制CO2排放的研究進展[J]. 節(jié)能技術(shù), 2010, 5:458-462.

[4] 林汝謀, 段立強, 金紅光. CO2準零排放的IGCC系統(tǒng)探索研究[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2002, 23(6):661-664.

[5] 閻維平, 魯曉宇. 富氧燃燒鍋爐煙氣CO2捕集中回收NO的研究[J]. 動力工程學(xué)報, 2011(4):294-299.

[6] 廖小花, 陳海平, 李京茂. IGCC系統(tǒng)控制CO2排放的研究進展[J]. 節(jié)能技術(shù), 2010(5):458-462.

[7] 閻維平, 米翠麗. 300 MW富氧燃燒電站鍋爐的經(jīng)濟性分析[J]. 動力工程學(xué)報, 2010(3):184-191.

[8] 呂碧洪, 金佳佳, 張 莉,等. 有機胺溶液吸收CO2的研究現(xiàn)狀及進展[J]. 石油化工, 2011,8(8):803-809.

[9] 崔振東, 劉大安, 曾榮樹,等. 中國CO2地質(zhì)封存與可持續(xù)發(fā)展[J]. 中國人口·資源與環(huán)境, 2010,3:9-13.

[10] 李宏軍, 黃盛初. 中國CCS的發(fā)展前景及最新行動[J]. 中國煤炭, 2010,1(1):13-17.

Research Review and Prospect of Carbon Capture and Storage Technology

WEI Yi-hang1, TONG Bo-heng2

(1. Xi'an Senior High School,Xi’an 710032,Shanxi Province,China;2. Thermal and Power Engineering Laboratory, Tsinghua University, Beijing 100084,China)

Nowadays, the environment protection and restriction of carbon emission amount have been paying more and more attention. The tendency of industry development is to use carbon capture and storage (CCS) technology to reduce carbon emission. We review three types of CCS technology and principles respectively and make a prevision of CCS development. The carbon capture technology includes pre-combustion capture, post-combustion capture and rich oxygen combustion. We illustrate the critical factor of IGCC specially. Then two technologies of carbon storage are compared and carbon latent capacity in China is analyzed. We illustrate the difficulties and future development direction in the end, which is a guide for researching.

CCS； Carbon Capture； Carbon Storage

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.12.012

2015-10-28

2015-11-27

魏義杭(1998-)，男，陜西省西安中學(xué)高中生。

X822.7

B

1009-3230(2015)12-0036-04