全球碳捕集与封存发展现状及未来趋势.pdf

全球碳捕集与封存发展现状及未来趋势 王键杨剑王中原宋宝华 中节能六合天融环保科技有限公司，北京 100084 摘要 温室气体过量排放严重威胁着人类的生存和发展， 但是现有二氧化碳捕集与封存技术不成熟导致各国对温室气 体减排技术的选择、 开发和应用都非常慎重。从燃烧前、 富氧燃烧、 燃烧后捕集技术和封存技术介绍全球二氧化碳捕 集与封存技术发展现状及示范项目实施情况。针对传统二氧化碳捕集与封存技术的不足， 介绍了目前最具发展潜能 的新兴的二氧化碳捕集与封存技术。 关键词 碳捕集与封存;经济性;IGCC;微藻 THE PRESENT STATUS AND FUTURE TRENDS OF GLOBAL CARBON CAPTURE AND STORAGE Wang JianYang JianWang ZhongyuanSong Baohua CECEP Liuhe Talroad Environmental Technology Co． ，Ltd，Beijing 100084，China AbstractExcess emissions of greenhouse gases are a serious threat to human survival and development，but existing carbon capture and storage technology is not mature，which has led to a situation where the selection，development and application of technology to reduce emissions of greenhouse gases are very carefully． This article from pro-combustion，oxygen-enriched combustion，post-combustion capture and storage technologies describes the global carbon capture and storage technology development and implementation of demonstration projects．For the defects of traditional carbon capture and storage technology，it is described the current emerging carbon capture and storage technologies with the most development potential． Keywordscarbon capture and storage;economy;IGCC;microalgae 0引言 自 2009 年哥本哈根世界气候大会以来， 全球气 候变暖、 温室气体减排得到了更为广泛的关注。多数 发达国家及部分发展中国家纷纷做出承诺， 即截止到 2020 年温室气体排放量在现有基础上大幅度的减 少。一时间低碳生活方式、 低碳经济成为了大家推崇 和追逐的目标。遗憾的是哥本哈根会议最终未能达 成具体协议。可能是考虑到温室气体减排对经济发 展的影响， 导致之后的坎昆世界气候大会只艰难的通 过了两项决议而无实质性全球范围的协议。值得欣 喜的是， 在刚刚结束的德班气候大会最终决议实施 京都议定书 第二承诺期并启动数百亿美元的绿色 气候基金， 以协助发展中国家减排。众所周知温室气 体过量排放严重威胁着人类的生存和发展， 但是为何 各国政府对于开展温室气体减排项目都普遍缺乏积 极性呢现有的二氧化碳捕集与封存技术发展现状 是导致这种结果的主要因素。现有化学吸附法的二 氧化碳捕集技术捕集效率都很高， 但是捕集二氧化碳 的成本仍然居高不下。二氧化碳捕集下来封存也是 一个难题， 会遇到诸如压缩液化、 管道运输、 选址、 注 入、 泄露等方面的问题。尽管对温室气体减排的要求 迫在眉睫， 但是各国对温室气体减排技术的选择、 开 发和应用都非常慎重。 1全球二氧化碳捕集与封存技术发展现状 目前按燃烧工艺划分二氧化碳捕集技术可以有 燃烧前、 富氧燃烧、 燃烧后等三个主要发展方向。二 氧化碳封存技术可分为陆上咸水层封存、 海底咸水层 封存、 CO2驱油、 CO2驱煤层气、 枯竭气田注入、 天然 气生产酸气回注等六个方向。现有二氧化碳捕集与 封存技术各具特点同时也都有其发展的局限性， 每个 发展方向都有与之对应的大规模集成示范项目。如 图 1 所示， 目前全球很多地方都开展了二氧化碳捕集 与封存的大规模集成示范项目， 其中也不乏一些成功 运行的案例。但是由于资金短缺等方面的原因， 很多 811 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 项目处于停滞或休眠状态。 图 1截止 2011 年 7 月全球开展的二氧化碳捕集与 封存大规模集成项目数量 1. 1燃烧前捕集 燃烧前捕集技术主要应用于整体煤气化联合循 环系统 IGCC 上。与传统的燃煤电厂不同， IGCC 电 厂以纯氧为氧化剂， 原料煤被气化为 CO 和 H2O， 该 煤气化产物在催化剂的作用下经水煤气反应转化成 CO2和 H2的 混 和 气， 混 和 气 中 的 CO2浓 度 较 高 35 ～ 45 ， 可在燃烧前除掉 CO2， 从而转化成不 含碳的燃料。其优势在于处理的烟气量少， CO2浓度 较高， 有利于降低运行费用。目前煤气化联合循环项 目发展较为迅速， 在中国就有 5 个示范项目在运作过 程中。包括有华能天津 200MW IGCC 电站示范工 程、 中科院连云港 IGCC 示范工程、 华电杭州 200MW IGCC 水煤浆四喷嘴气化 电站示范项目、 广东东莞 天明 电 厂 120MW IGCC 改 造 项 目 和 太 阳 洲 4 200MW IGCC 新建项目， 其中天津项目已经通过初步 调试。目前国外已建成投运 IGCC 电站约 50 余座， 总装机约2 000 万 kW。这些电站主要分布在美国、 欧洲、 日本等发达国家， 像澳大利亚、 韩国、 印度也在 积极推动 IGCC 的发展。 1. 2富氧燃烧 富氧燃烧技术 又被称为 O2/CO2燃烧技术或空 气分离 /烟气再循环技术 是针对燃煤电厂特点所发 展的 CO2减排技术。该技术利用空气分离获得的高 纯氧和部分再循环烟气混合物代替空气与燃料组织 燃烧， 从而提高了排烟中的 CO2浓度。通过循环烟 气来调节燃烧温度， 同时循环烟气又替代空气中的 N2来携带热量以保证锅炉的传热和锅炉热效率。富 氧燃烧技术是一种既能直接获得高浓度 CO2， 又能综 合控制燃煤污染物排放的新一代煤粉燃烧技术。目 前世界上建成的采用富氧燃烧技术的中试规模以上 的电站已经超过 10 个， 日本石川岛播磨， 法国阿尔斯 通和英国巴布库克都已经建成了煤粉炉 O2/CO2燃 烧的示范电站。但是富氧燃烧技术的发展主要受空 气分离氧气能耗大、 燃烧后尾气污染物的产生和控制 等一些技术问题的制约。 1. 3燃烧后捕集 燃烧后二氧化碳捕集技术是针对燃料燃烧后烟 气中 CO2的分离路线， 该技术适用性强， 发展相对成 熟。但是燃烧后二氧化碳捕集技术由于处理气体量 大， 烟气 CO2浓度低等造成运行成本高、 工艺流程复 杂、 项目投资大等方面的根本性问题尚未解决。燃烧 后二氧化碳捕集技术主要包括化学吸收法、 吸附分离 法、 膜分离法等。 1 目前化学吸收法是最普遍采用二氧化碳捕集 工艺， 其主要采用 K2CO3和乙醇胺类水溶液 MEA、 DEA、 MDEA 等 作 为 吸 收 剂 在 反 应 塔 内 烟 气 中 的 CO2发生反应， 使 CO2被捕集下来， 吸收了 CO2的富 液进入再生塔， 在高温作用下吸收剂获得再生并得到 纯度很高的气态 CO2。从再生塔排出 CO2通过压缩、 脱水等一系列工艺用于封存处理。虽然化学吸收法 捕集效率高， 但是其溶剂成本高、 再生能耗大等劣势 制约化学吸收法在二氧化碳捕集领域的进一步推广 和应用。 2 吸附分离法主要是基于吸附剂对 CO2的选择 性和可逆吸附作用来分离回收烟气中 CO2。吸附剂 主要为多孔的活性碳、 沸石、 分子筛和类水滑石化合 物。在 CO2捕集过程中主要采用变压吸附的物理吸 附过程。变压吸附的吸附过程可分为升压、 吸附、 顺 放、 逆放、 冲洗等五个步骤。日本最早利用变压吸附 技术分离 CO2， 该应用主要集中在日本电厂 如东京、 Kansai、 Tohoku 和 Hokuriku 电业公司等 和制造业 如三菱重工和新日铁等 。中石化在胜利油田拥有 一套采用吸附分离法100 t/d示范项目。吸附分离法 的发展受到吸附剂研发速度缓慢的严重制约。一旦 有新的吸附容量大、 选择性强、 机械强度高、 热 /化学 稳定性好、 价格低廉的吸附剂被研发出来， 吸附分离 法也将会有长足的发展。 3 膜法气体分离的基本原理是根据混合气体中 各组分在压力的推动下透过膜传递速率不同， 而达到 分离的目的。CO2膜分离法是当今世界上发展迅速 的一项 CO2分离技术。膜分离法具有装置简单、 操 作容易、 投资费用低等优点。膜分离技术基于混合气 体中 CO2与其他组分透过膜材料的速度不同而实现 911 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 混合气体分离的。常用的 CO2分离膜主要有无机膜 碳膜、 硅膜、 铝膜、 分子筛膜 和致密膜等。美国等 世界发达国家已于 20 世纪 70 年代开始， 积极开展利 用膜技术脱除 CO2可行性的研究。 1. 4二氧化碳封存技术 现有的二氧化碳封存技术中以 CO2驱油的应用 项目最多。所谓 CO2驱油就是把二氧化碳注入油气 层用以提高原油采收率。由于二氧化碳是一种在油 和水中溶解度都很高的气体， 当它大量溶解于原油 中， 可以使原油体积膨胀、 黏度下降， 还可以降低油水 之间的界面张力。二氧化碳驱油适用范围广、 驱油成 本低、 原油采收率提高显著。到 1998 年美国就有 70 余个 油 田 采 用 二 氧 化 碳 强 化 采 油， 采 油 量 高 达 180 000 桶 /d， 占美国原油产量的 23 ， 占全球总二 氧化碳强化采油产量的 90 以上。 2新兴的二氧化碳捕集与封存技术 传统的二氧化碳捕集与封存技术由于其运行成 本高， 捕集的二氧化碳封存难度大， 项目投资巨大等 因素只能局限于小范围内的示范项目无法在全球范 围内应用。近些年如微藻二氧化碳捕集生产生物质 能源等一些新兴二氧化碳捕集工艺正孕育而生， 为二 氧化碳捕集技术的发展开辟了新的方向。这种海洋 微藻捕集二氧化碳技术主要是利用燃煤电厂排放二 氧化碳来培育微藻， 使微藻被转化为生物柴油和其他 高价值产品。中国科学院南海海洋研究所 SCSIO 向文洲研究员正在从事这方面的研究， 并取得了进展 培育出适合用于生产生物柴油和高价值产品的藻类 “超级藻类” MC- 1。澳大利亚墨尔本的 MBD 能 源公司使用50 m 3. 5 m的塑料袋装满微藻， 用来捕 集二氧化碳并生产具有成本效益的生物燃料和动物 食物。美国肯塔基大学在藻类捕集燃煤电厂二氧化 碳方面也取得了进展， 获得了肯塔基州能源与环境局 和东肯塔基电力合作公司拨款 130 万美元用于深入 开展其在藻类方面的研究。 加拿大蒙特利尔市麦吉尔大学的研究人员试图 将二氧化碳固化到混凝土的制作中。二氧化碳能与 水泥反应生成一种具有碳酸钙和硅酸钙混合的微结 构的水化粉末， 碳化的混凝土具有与蒸汽养护混凝土 一样的强度， 另外具有更高的抗收缩、 抗吸收、 抗硫化 侵蚀及抗反复冻融的优点。这项研究为二氧化碳的 封存开拓新的方向。 3结论 全球在二氧化碳捕集与封存技术方面的研发从 没有放慢脚步， 各领域的专家也在积极推出最新的二 氧化碳捕集与封存技术研发成果。但是， 至今还没有 一项二氧化碳捕集与封存技术适合在全球范围内推 广应用， 它与现有技术应用的经济性有直接关系。目 前全球二氧化碳捕集工艺最低成本也要近 20 美元 / t， 以 2011 年平均工业电价 0. 75 元 / kWh 、 平均供 电煤耗 324. 5g/ kWh 、 平均燃煤含碳量以 50 来 计算， 捕集1 t二氧化碳的成本需要燃烧0. 0553 t标准 煤， 并排放出0. 1015 t二氧化碳。由于传统的二氧化 碳捕集与封存技术成本一直居高不下， 一些运行成本 低的新兴的实验室级别技术应运而生， 推动着二氧化 碳捕集与封存技术不断向前发展。各国首脑、 从事温 室气体减排的环保团体以及全人类都在盼望着最具 经济性、 最行之有效的二氧化碳捕集与封存技术展现 在我们面前， 为人类提供一个更美好的生存空间。 参考文献 ［1］赵毅， 沈艳梅， 倪世清， 等． 燃煤电厂 CO2捕集分离技术研究现 状及其展望［J］． 热力发电， 2011， 40 6 9- 12． ［2］张建府． 碳捕集与封存技术 CCS 成本及政策分析［J］． 中外能 源， 2011， 16 3 22- 23． ［3］黄觉仁． 利用石灰窑尾气制取液体二氧化碳［J］． 环境工程， 1993， 11 4 46- 47． ［4］刘嘉， 陈文颖， 刘德顺． 碳封存技术对我国发展低碳经济的潜在 作用［J］． 环境与可持续发展， 2010 6 46- 47． ［5］宋坚民． 探讨钢渣吸附二氧化碳的可行性［J］． 环境工程， 2010， 28 S1 214- 217， 337． ［6］王晓亮， 吴家桦， 赵庆． 燃煤电站 CO2捕集技术研究现状及前 景展望［J］． 东方电气评论， 2011， 25 98 1- 6． ［7］郭庆杰． 温室气体二氧化碳捕集和利用技术进展［M］． 北京 化 学工业出版社， 2010． ［8］尹辉． 中压 法 回 收 二 氧 化 碳 气 体 优 势 分 析［J］． 环 境 工 程， 2009， 27 S1 316- 318． 作者通信处王中原100085北京市海淀区上地三街 9 号嘉华大 厦 E 座 6 层中节能六合天融环保科技有限公司 电话 010 62966600 － 8071 E- mailtang． li talroad． com． cn 2011 － 12 － 15 收稿 021 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期