火力发电厂CO_2捕捉技术.pdf

第 4 1卷第 l 期 2 0 1 0年 1月 锅 炉 技术 B0I LER TECH NOLOGY VO I ． 4l ，No ．1 J a n ．， 2 0 1 0 文章编 号 C N3 11 5 0 8 2 0 1 0 0 1 0 0 7 3 0 4 火力发电厂 C O 2 捕捉技术 肖 琨 ，陈 楠 ，甄飞强，陈 飞，郑 路 上海 电气电站集团技术研究与发展中心 燃烧技术研究所 ，上海 2 0 0 2 4 1 关键词 C O 捕捉 ；火力发 电厂 ；富氧燃烧 ；烟气捕捉 ；燃烧前捕捉 摘 要 C O 等温室气体造成 的温室效应对全球 生态系统及社 会经济产生 显著影 响。C O z 捕捉和储存技术 受到越来 越多的重视 。火力发 电厂是重 要的 C O z 排放源 ， 适合采 用 C O z 捕 捉技术 。介 绍 了 3种火力 发 电厂 C O 捕捉技术 ， 分析比较 了各 自的优缺点及成本 ， 讨论了影 响 C O 捕捉技术发展的因素。 中图分类号 X7 0 1 文献标识码 B 0 前 言 地球 气 候 正 经历 一 次 以全球 变 暖 为 特 征 的 显著 变化 ， 这将 对 全球 生态 系 统及 社会 经济 发展 产生重 要影 响 。研究 表 明 ， 这 主要 是 由 于人 类使 用化石燃料所排放的大量 C O 等温 室气体 的增 温效应造成的。最近几十年， 随着经济 的发展 ， C O。 排放 量一 直在 升 高 。2 0 0 6年 ， 世界 C O 。 排放 量达 2 8 0亿 吨， 其 中中国占 2 O ． 2 [ 1 - 2 3 。煤、 石 油 、 天然 气 等化 石 燃 料 是 C O 最 主 要 的排 放 源 。 这其 中又 以煤 排 放 的 C O 最 多 。煤 是 一 种 比较 “ 脏” 的能 源 ， 相 同热 值 的煤 ， 排 放 的 C O 远 高 于 石油 ， 天 然气 ， 是 最重要 的 C O。 排 放 源 。2 0 0 6年 ， 煤在世界一次能源消费中只 占 2 6 9 ／ 6 ， 但其排放的 C O 。 却占 4 1 ． 7 。这个 问题在 我 国尤 为 突出， 2 0 0 7年， 我国煤炭消费量为 2 5 ． 9亿吨， 占我国一 次 能源 消 费 量 的 6 9 ． 5 ， 占我 国 C O 排 放 量 的 8 0 以上。这其中有 1 3 ． 1亿 吨被用来发电【 1 ] 。 2 0 0 8年火力发电 占到我国总发 电量 的 8 0 ， 其 中绝大部分以燃煤 电厂为主。由于煤炭价格低 廉， 储量丰富， 易于获得等优点 ， 在未来相 当长的 一 段时 间 内， 它 仍将是 我 国的主要 能源 。 目前控制 C 0 的排放， 主要有 以下途径 提 高能源利用的效率； 使用风能， 太阳能 ， 生物质能 等可再 生能源及 核 能 ； 对 燃 用化 石燃 料 采 用 C O 。 捕捉技 术 。 在可预见的时期 内， 化石燃料仍将会是我们 的主要能源 ， 这要求我们必须采用 C O 捕捉和储 存技术 C O 2 C a p t u r e a n d S t o r a g e ，C C S 以减少 C O 的排放 。火 力 发 电站 是 最 重 要 的 C O 排 放 源 ， 其 排放 的 C O 。 超过 总量 的 4 0 [ 2 ] 。 由于其集 中排放 ， 便 于控 制 ， 因此 成 为进 行 C O 。 捕 捉 和储 存技术的主要应用对象。 C 0 的捕捉和储存是指将电厂排放的 C O。 收 集起来 ， 然后通过 管道运输到 C 0 储存 的地点。 本文主要侧重于 C O 的捕捉技术。 目前 的 C O 捕捉技 术 主要有 3种 燃烧 后捕 捉技术 p o s t c o mb u s t i o n t e c h n o l o g y ， 富 氧 燃 烧 技 术 o x y c o mb u s t i o n t e c h n o l o g y ， 燃 烧 前 捕 捉 技 术 p r e c ombu s t i o n t e c h no l o gy 。 1 燃烧后捕捉技术 燃 烧 后 捕 捉 技 术是 在 燃 烧 后 的烟 气 中 捕 捉 碳 。它是用 一 乙醇胺 ME A 或 其 它溶 液 直 接 吸 收烟气中的 C 0 ， 进行捕捉。ME A 溶液是一种 有机 化学溶 剂 ， 6 O多年前 就 开始被 用来 去 除天 然 气中的酸性气 体杂质 ， 例如 C O 。 ， H。 S等。其 吸 收 C O 属 于 化 学 吸 附 ， 可 在 加 热 情 况 下 ， 释 放 C O 。用 此法来 捕 捉 烟 气 中 的 C O 。 ， 可 以 去 除烟 气 中 7 5 ～9 0 的 C O ， 并 获 得 纯 度 达 9 9 的 C O 2 。其 流程如 图 1 所示 _ 4 j 。 对烟气进行 C O 捕捉， 设备上需增加吸收塔 和再生塔 ， 以吸收 C 0 和释放 c O 。除此之外还 需对蒸汽系统进行改造 ， 以抽取蒸汽加热溶液 ， 收稿 日期 2 0 0 90 61 5 作者简介 肖琨 1 9 8 2 一 ， 男 ， 工学硕士 ， 现主要从事电站锅炉燃烧系统的设计与开发。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 锅 炉 技 术 第 4 1 卷 热M E A 溶液 图 1 烟气捕捉 C O 技术流程 释放 C O 。由于燃烧 产 生 的烟气 压力 低 一 般接 近于大气 压 ， C O 浓 度 低 1 0 ～ 1 5 ， 气体 流 量 巨大 ， 导 致 捕 集 系 统 体 积 庞 大 并 耗 用 大 量 能 量 。燃烧后 捕捉技 术 的主 要能 量损 失 在于 ME A 溶液 的再 生 。据估 计 对 于 新 建 的带 C O 捕 捉 的 机组 ， 与相同参数机组 比较 ， 效率会下 降 2 0 ～ 3 0 左右， 其中 ME A溶液再生所消耗的能量 占 到 了消耗总 能量 的一 半 以上[ 4 捌 。再 生 所需 的能 量通常来 自汽轮机的低压抽汽。Al s t o m 曾对美 国某 ～机组 的 C O 。 捕 捉改造 进 行过 研究 ， 表 明 中 压缸之 后 7 9 的蒸 汽 都 要 被 用 于 ME A 溶 液 的 再生。由于抽汽使机组无法在最佳状况下运行 ， 还会使效率继续下降 ] 。 此 外 烟 气 中 的 S O ， NO 等 酸 性 气 体 会 和 ME A溶液 反应 ， 生成 热 稳定 的盐 ， 造 成 ME A 溶 液的损失 。因此烟气 中酸性气体的含量需控制 在 l O 1 O 左 右 。这 就 要 求对 脱 硫 系 统 进行 改 造 ， 提高脱 硫效 率。至 于 NO ， 由于 烟气 中 的 NO 主要是 N0， N0 只 占 5 左右 ， 普通 的 S C R 系统 即可满 足需要 ] 。 2 富氧燃烧技术 富氧燃烧技术是通过制氧技术 ， 将纯氧和部 分循环烟气通入锅炉燃烧， 使烟气中 C O 浓度达 9 5 以上 ， 可直接进行压缩净化。其流程如 图 2 所 示 。 图 2 富氧燃烧技术 流程 采 用 富氧燃 烧技 术捕 捉 C O 。 ， 设备 上 主要 增 加空气 分离装置 ， 烟气 再循 环装置 ， C 0 。 压缩 净化 装置 。富氧 燃 烧 技 术 的 主要 能 量 损 失 在 于 空 气 分离制 取 氧气 ， 目前 常用 的冷 却 分 离 空 气 技 术 ， 耗能 巨 大 ， 所 需 电能 要 占到 整 个 发 电量 1 8 左 右， 同时 由于烟气流量减小 ， 排烟热损失降低， 锅 炉效率 可升高 3 左 右 ， 综合 下来 ， 整 个 电厂 的效 率会下降 2 O ～3 O E s - l o ； 。目前正在研究新 的 低成本制氧技术 ， 如离子传送膜 o x y g e n a n d i o n t r a n s p o r t me mb r a n e ， OT M 技 术 ， 一 旦 突 破 ， 可 大 幅度降低 富氧 燃烧技术 的成本 。 由于 烟气 不 断循 环 ， 导致 烟气 中的 S O。 浓 度 是空气 燃烧 的 2 ～ 3 倍 ， 如果煤 的含 硫量 较 高 ， 则 烟气当在脱硫 系统 之后抽取 ， 以防止设备腐蚀。 如果不高， 可以取消脱硫设备 。NO 的排放在采 用低 NO 燃烧技术的前提下会大幅降低 ， 一方面 是 因为 烟气 中缺少 N ， 没有 热力 型 NO 生成 ， 另 一 方 面是因为 N 可 以在循 环 时被进一 步还原 。 C O 压缩液化后 ， 不可凝气体 ， 包括过量的氧气， 漏 入锅 炉的空 气 ， S 0 ， NO 等 ， 将会被 分离 出来 ， 其 中 的 污 染 物 可 依 当 地 的 环 保 要 求 进 行 处理 。 一 。 3 燃烧前捕捉技术 燃 烧 前 捕 捉 技 术 主要 和 I GC C技 术 联 用 。 I GCC I n t e g r a t e d Ga s f i c a t i o n Co mb i n e d Cy c l e 是将 煤气化 技术 与联 合 循环 相结 合 的先 进 技术 。 图 3是 I G C C脱 除 C O 。 的流 程 图 ， 虚线框 内是增 加捕 捉系统后 增加 的部 分 。I GC C 系统进 行 C o 。 捕捉 ， 需要添 加变换 反应 器 ， C O 。 的分 离及压 缩净 化装置。煤在汽化炉内高温高压富氧的环境下 ， 转变 为 C O 和 H 为 主 的合 成 气 ； 在 变 换 反 应 器 中， 合成气中的 C O和水蒸气在催化剂的作用下， 生成 C O 和氢 气。因为此时气体 的压力 较高， C 0 的 浓 度 也 较 高 ， 可 以 用 聚 乙二 醇 二 甲 醚 法 S e l e x o 1 吸收 C O 。 。此法属物理吸收法， 降低溶 液 压力 ， 就 可 以释放 C 0 ， 使溶 液再 生 ， 其 能耗 比 图 3 I G C C脱除 C O 流程 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 肖琨 ， 等 火力发 电厂 C O z 捕捉技术 ME A法小的多。同时由于气体 压力 较高， 也降 低 了后续 C O 压缩流程 的能耗 l 6 ’ ” ] 。 有学 者对 5 0 0 Mw 的 I G C C系 统进 行 分析 ， 认为安 装 C O 捕 捉 系统后 ， I GC C 的效率 会 由 3 8 ． 4 ％ HHV 下降为 3 1 ． 2 oA HHV 。其中， 变 换反应器和 C O 的压缩影响最大 ， 分别使效率下 降 了 4 ． 2 和 2 ． 1 。此 法 的 C O 脱 除成 本 大约 在 2 O ／ t 左右 l_ 6 ] 。 4 3种技术前景 燃 烧 后 捕 捉 技 术 是 目前 最 为 成 熟 的技 术 ， 已投人 应用 。我 国首 个燃 煤 电 厂 C O。 捕集 装 置一华 能北 京 热 电 厂 3 0 0 0 ～ 5 0 0 0 t ／ 年 C O 捕集示范装置就是采用的这种技术 。富氧燃烧 技术 目前是一个研 究热点 ， 但技术 还不是很 成 熟 ， 多停 留在 实 验 室 和 中试 阶 段 。 目前 世 界 上 最大的富氧燃烧项 目是德 国 2 0 0 8年 9月建 成 的 3 0 MW 的 v a t t e n f a l l 项 目， 该 项 目采 用 AI s t o m 技 术 。此 外 ， B l a c k Hi l l s公 司联 合 B w ， Ai r L i q u i d e 等公司将在美 国怀俄 明州 建设 1 O 0 MW 的富 氧 燃 烧 电 站 ， 该 项 目计 划 2 0 1 5年 建 成。燃烧后捕捉技术和富氧燃烧技术均可用 于 现 有 电厂 的 改造 ， 富 氧 燃烧 技 术 成 本 相对 低 廉 。 但如果只选择捕捉部分 C O ， 则 燃烧后 捕捉技 术更加适合 ． 9 l 。I G C C是世界上最干净 的燃煤 技术 ， 但过 高的成本 ， 不成熟的技术限制了它 的 应 用 。但 是 ， 安装 C O 捕 捉 后 ， 它 的成 本 增 加 最 少 ， C O 。 脱 除 费 用 也 最 低 ， 随 着 技 术 的 发 展 ， I GC C在将 来 会 得 到 广 泛 的 应 用 。缺 点 就 是 该 技 术 只能 用 于新 建 电 厂 ， 无 法 对 现 有 的 电厂 进 行技术改造 。 无论 哪种 技 术 都对 场 地 有 一 定 的要 求 。因 此新设 计 的 电厂 ， 应 必须 考 虑 C O 。 的捕 捉 ， 预 先 想好采用何种技术 ， 为 C O 。 脱 除设备 预留空 间， 并就近 寻找合 适 的储存 地点 。 5 C O 2 捕捉技术的推广 虽然 C O 。 捕捉技术已成为研究热点， 但仍未 在世界 上获得 推广 ， 这 主要受 以下 因素影 响 1 经 济性方 面的考虑 进行 C O 捕捉 之后 ， 整个电厂的效率会下降 2 0 ～3 O ， 发电成本因 此大幅上升。已盈利 为 目的企业没有动力进行 C O 捕捉 。 2 国家 政策 的 影 响 进 行 C O。 捕 捉必 须 依 靠国家政策推动。政府可 以考虑采用征收 C O 排放税 等 形 式 ， 推 动 C O 捕 捉 和储 存 技 术 的 应用 。 3 技 术上 的 问题 目前 C O 捕 捉 技 术 还没 有进行大规模应用 ， 技术上存在许 多不确定性。 但这点会随着技术的进步加以解决。 4 公 众认 知 度 采用 C O 捕 捉技 术后 ， 电价 必然 大幅 上升 ， 无论 是 上 调 电价 还 是 征 收 碳 税 ， 都 需要得 到公 众的认 可和支持 。 建设示 范 电厂 是 推 动 C O 捕 捉 技 术 推 广 的 有效 措施 。欧盟 已计划 到 2 0 1 2年 建设 1 2 座 大型 C O 。 捕 捉示 范 电厂 ， 为 2 0 2 0年 向全世 界大 规模 推 广做 好准备 。 6 结 论 介绍 了 3种燃 煤 电厂 C O 捕 捉技 术 ， 比较 了 各种 技 术 的优 缺 点 及 成 本 ， 并 对 C O 。 捕 捉 技 术 的推广进行 了分 析， 成 本过高仍 然是制 约 C O 。 捕捉技术发展 的主要 因素。要综合 考虑 ， 合理 设计 集 成 系统 以降 低 成 本， 例 如 利用 生 成 的 C O 。 提高油 田的采油率 ， 在富氧技术 中， 利用进 口液化天然 气的冷 能进 行空气分离 ， 降低制 氧 成 本 等 。 参 Ⅲ 嘲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 锅 炉 技术 第 4 1 卷 c a l c o n f e r e n c e o n c o a l u t i l i z a t i o n a nd f u e l s y s t e m ，2 0 0 56 9 9 7 08． E 9 ]D ． S i n g h ，E ． C r o i s e t ， P ． L ． D o u g l a s ．Te e h n o ～ e c o n o mi c s t u d y o f CO2 c a p t u r e f r o m a n e x i s t i n g c o a l f i r e d p o we r p l a n t M EA s c r u b bi n g v s ．O2 ／ CO2 r e c y c l e c o mbu s t i o n ．e n e r g y c o n v e r s i o n a n d m a n a ge me n t ，2 0 0 3， 4 4 3 0 7 3 3 0 9 1 ． E I O ]B ． J ． P ． B u h r e ，L ． K ． E l l io t t ．Ox y f u e l c o mb u s t i o n t e e h n o l o g y f o r c o a l f i r e d p o w e r g e n e r a t i o n F J ] ．P r o g r e s s i n E n e r g y a n d Co mh u s t i o n S c i e n c e，2 0 0 5， 3 1 2 8 3 3 0 7 ． r 1 1 ]Ye we n T a n ， E r i c c r o i s t ．E mi s s i o n s f r o m Ox y r u e l C o mb u s t i o n o f C o a l wi t h F l u e Ga s R e c y c l e [ A] ．T h e p r o c e e d i n g s o f t h e 30 t h i n t e r n a t i o n a l t e c h n i c a l c o n f e r e n c e 0 n c o a l u t il iz a t i o n a n d f u e l s y s t e m ，2 0 0 5 5 2 9 ～ 5 3 6 ． r 1 2]Mo b a me d Ka n n i e h e，Ch a k i b Bo u a l l o u ．CO2 c a p t u r e s t u d y i n a d v a n c e d i n t e g r a t e d g a s i f i c a t i o n c o mb i n e d c y c l e [ J ] ．Ap p l i e d Th e r ma l En g i n e e r i n gt 2 0 07 ， 2 7 2 6 9 3～ 2 7 0 2 ． CO2 Ca p t u r e Te c h n ol o g y f or Th er ma l P o we r P l a n t XI AO Ku n， CH EN Na n， ZH EN Fe i q i a n g， CH EN Fe i ， ZHENG Lu S h a n g h a i El e c t r i c Po we r Ge n e r a t i o n Te c h n o l o g y Re s e a r c h a n d De v e l o p me n t Ce n t e r Co mh r s t i o n Te c h n o l o g y I n s t i t a t e ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 1，Ch i n a Ke y wor d s CO2 c a p t ur e； pr e c o m b us t i on t h e r ma l p o we r p l a n t s ； o x y c o mb u s t i o n； p o s t c o mb u s t i o n Ab s t r a ct Gr e e n ho u s e g a s e mi s s i on s，i n whi c h CO2 c on t r i b ut e s mos t ，h a v e ma d e gr e a t i n f l u e n c e s o n t h e wo r l d e c o s y s t e m a n d s o c i a l e c o n o mi c d e v e l o p me n t ．C O2 c a p t u r e a n d s t o r a g e t e c h no l o gy h a s be e n pa i d mor e a n d mo r e a t t e nt i o ns ．The r ma l po we r pl a nt s ，t he mos t i mpo r ～ t a n t CO2 e mi s s i o n s o u r c e ，a r e a d a p t a b l e t o a p p l y C O2 c a p t u r e a n d s t o r a g e t e c h n o l o g y ．Th e p a p e r i n t r o d u c e s t h r e e c a t e g o r i e s o f CO2 c a p t u r e t e c h n o l o g y，a n a l y s e s a n d c o mp a r e s t h e me r i t s a n d d r a wb a c k s o f e v e r y t e c h n o l o g y ，d i s c u s s e s t h e f a c t o r s wh i c h c a n a f f e c t t h e d e v e l o p m e nt o f t he t e c h no l o gy ． 上 接 第 7 2页 K e y wo r d s b i o ma s s ； b i o ma s s mi c r o n f u e 1 B M F ； c y c l o n e c o mb u s t i o n Ab s t r a c t B a s e d o n t h e p r o p e r t i e s o f b i o ma s s mi c r o n f u e l B M F ，t h e e x p e r i me n t s o n B M F c v c I o ne c o m b us t i on we r e c a r r i e d ou t ． Und e r t he e xp e r i me n t a l c o nd i t i o ns，wi t h t he e q ui v a 一 1 e n c e r a t i o n ERv a r i e d f r o m 0 ． 9 t o 1 ． 3，t he t e m p e r a t u r e o f d i f f e r e nt s e c t i on s i n t he c h a in b e r c h a n g e d i n t h e s a me t r e n d i n c r e a s i n g a n d t h e n l o we r ， a n d t h e t e mp e r a t u r e b e t we e n s e e t i o ns v a r i e d i n gr a d e ． W i t h ER b e i ng 1 ． 2，t he t e mp e r a t u r e o f di f f e r e nt s e c t i o ns wa s s i mul t a n e i t v ma x i mi z e d a n d u p t o 1 2 0 0℃ ．S ma l l e r p a r t i c l e s r e s u l t e d i n b e t t e r c o mb u s t i o n p e r f o r m a nc e s ． Af t e r e f f e c t i v e c o mbus t i o n o f BM F，t h e c on t e n t s of SO2 ，CO a nd CO2 we r e l owe r ， wh i c h wi l l s l i g h t l y p o l l u t e t h e e n v i r o n me n t ．Th e d e g r e e o f s i n t e r i n g o f B M F wa s e s t i ma t e d by t he p o r t i o n o f a l k a l i t o a c i d a n d t h e v a l ue i s mi d dl i n g． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m