燃煤电站C02捕集与处理技术的现状与发展.pdf

2 0 ∞年5 月 第9 卷第5 期 电力设备 日e c I c a | E q u j p m | 针1 l M a y ．2 0 0 8 V o I ．9N O ．5 燃煤电站C 0 2 捕集与处理技术的现状与发展米 黄斌1 ，刘练波1 ，许世森1 ，丰镇平2 1 西安热工研究院，陕西省西安市7 1 0 0 3 2 ；2 西安交通大学能动学院，陕西省西安市7 1 0 0 4 9 摘要文章首先介绍了燃煤电站碳捕集的技术发展路线，c 0 2 捕集技术分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧技术 3 务路线，主要的捕碳技术有化学吸收法、物理吸收法、物理吸附法和膜分离法等。同时，还介绍了国内外燃煤电站的捕 碳项目情况和未来发展，我国电力行业也开展了绿色煤电计划，并在传统燃煤电站建立了燃烧后捕碳的中试系统，全面 开始了电厂捕碳的研究开发。 关键词温室气体；绿色煤电；C 0 2 糍集；c 0 2 封存；c 0 2 输运 中图分类号X 5 l l ； 3 8 3 气候变暖是近年来国际政治、经济、科学和环境 等领域最为关注的课题。据报道，约6 0 ％的温室效 应由c O 产生，因此控制C 0 的排放已成为应对气候 变暖的最重要的技术路线之一。人类活动产生的 c O ，排放量最大的一部分来自于燃煤发电，在我国，占 到了C 0 总排放量的5 0 ％左右，因此想要大规模减轻 c O 排放量，必须着力于从燃煤电站中捕获c O 。 1 燃煤电站C 0 2 捕集的技术路线 煤基电站主要有三类一是传统的燃煤电站；二是 整体煤气化联合循环电站 1 G c c ；再就是富氧燃烧电 站。现在，绝大多数商业运行的燃煤电站是传统的燃 煤电厂，只在欧美等有极少几个商业运行的I G c c 电站 和中试的富氧燃烧电站。c O 捕集主要有 1 燃烧后捕集。C O 捕集是将低浓度的c O 进行富集，这样更容易进行封存和利用。燃烧后捕 集，即在燃烧排放的烟气中进行捕碳。理论上讲，该 技术路线适合于任何一种火力发电。但是，通过燃烧 系统产生的烟气通常压力接近于大气压，而且c 0 的 浓度低 1 0 ％～1 5 ％ ，含有大量的氮气，产生的气体 流量巨大，捕集系统庞大，需耗费大量的能源。 2 燃烧前捕集。燃烧前捕集主要运用于I G c C 系统中。由于I G C C 一般为高压富氧气化 2 0 1 0 5 P a ，产生的煤气经过水煤气变换后，主要含有H 和 c O ，气体压力和c O 的浓度都很高。在此时对c O 进行富集，捕集系统小、能耗低，加上在其他污染物控 制以及效率上的潜力，这种路线得到了广泛关注。近 年来，很多国家都重新提出并开始了I G c C 发电的项 目。国内除了国家电网公司的烟台I G c C 项目外，华 能、大唐、中电投等发电集团也开始在实质性推进 I G C c 项目。但I c c c 发电技术仍存在投资成本高、可 国家科技部国际科技合作项目2 0 0 7 D F B 6 0 4 3 0 。 靠性还有待提高等问题。 3 富氧燃烧技术。富氧燃烧仍采用传统燃煤电 站的技术流程，只是通过制氧技术，将空气中大比例的 N ，脱除，直接采用高浓度的氧气与抽回的部分烟气的 混合气体来替代空气，这样烟气中将直接得到高浓度 的c 0 气体，可以直接进行处理和封存。现在，在欧 洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧的项目。该 技术路线遇到的最大的困难是制氧技术的投资和能 耗太高，现在还没找到一种廉价低耗能动技术。 2 适合燃煤电站的捕碳技术 燃烧前和燃烧后捕碳技术所需处理的气体在压力 和成分上差别很大，不同的捕碳路线有不同的捕碳技术。 2 ．1 化学吸收法 化学吸收法是利用c 0 的酸性特点，采用碱性溶 液进行酸碱化学反应吸收，然后借助逆反应实现溶剂 的再生。强碱如k C O ，等，虽然也能作为溶剂且可以 进行加热再生，但这种溶剂存在的最大问题是对系统 腐蚀严重。现在关注最多的还是醇胺法，该技术利用 带有羟基和胺基的碱性水溶液作为溶剂，利用吸收塔 和再生塔组成系统对C O 进行捕集。工业中常用的 几种醇胺的碱性为 M E A D E A D I P A M D E A T E A 1 其中，M E A 的分子量小，吸收酸性气体能力强，所以 对捕集燃烧后烟气中的低浓度c o 最具优势，这也是 被研究和运用的最主要技术。用醇胺法进行捕碳的 主要问题是富液中的c o 和溶剂降解产物对系统的 腐蚀，以及由于氧化、热降解、发生不可逆反应和蒸发 等原因，造成溶剂的损失和溶液性能的改变。一般每 吨C O ，需消耗吸收剂为O ．2 ～1 ．6k g 。现有的几个商 业化溶剂，如K e r r M c C e e ／A B BL u m m u s 、n u o rD a n i e l 万方数据 4 电力设备第9 卷第5 期 的E c o N A M I N EM d z ，以及三菱开发的l s 系列，都 是基于M E A 溶液进行的。不管是哪种化学吸收法， 再生都是耗能最大的部分。所以，开发再生能耗低、 吸收容量大、对设备腐蚀少的溶剂是研究开发的重 点；另外，提高M E A 溶剂的浓度，优化吸收系统，从而 减少系统体积也是发展的重要方向。 2 ．2 物理吸收法 物理吸收法不像化学吸收法那样依靠强化学键 对c o 进行捕集，这样避免了再生时需要投入巨大的 能耗。但也由于这个原因，这种技术更适合于具有高 压和高C O ，浓度的I G c C 电站。 分离c O ，的典型物理吸收法是聚乙二醇二甲 醚法 s e l e x o l 法 和低温甲醇法 R e c t i s o l 法 。这2 种方法都属于低温吸收过程，S e l e x 0 1 法的吸收温 度一般在一1 0 ～1 5 ℃；R e c t i s o l 法的吸收温度一般在 一7 5 ～O ℃。另外，这2 种技术能够同时脱除c 0 ，和 H s ，且净化度较高，这可以在系统中减去脱硫单元，但 相应需要采用耐硫变换技术。S e l e x o l 法的溶剂由美国 N o n o n 公司开发，一些商业应用的数据尚没有公开，其 成本以及投资和操作费用较高。我国南化公司开发了 新的聚乙二醇二甲醚型溶剂N H D ，在国内已有多个工 厂规模运行的业绩。低温甲醇法在化工行业已得到了 多年的应用，其主要缺点是工艺流程庞大，而且吸收过 程中甲醇蒸汽压较高，致使其溶剂损失较大。前几年 提出的基于I G c c 进行碳捕捉及封存技术 c c s 的研 究计划大多数选择S e l e x o l 法进行物理吸收。 2 ．3 物理吸附法 吸收法捕碳大多都属于湿法技术。湿法脱碳运 用于电厂c c s 有几个方面的问题①系统依靠液体 作为捕碳介质，大规模的溶剂循环消耗大量能量； ②系统运行陨性大，对电厂快速负荷调整的响应速度 不够；③捕集的C O 中含有大量的水，为了进行压缩 和输运，可能需要增加专门的脱水系统。据介绍，欧 洲I G C C 电站近年就S e l e x o l 法脱碳的实验研究发现， 对于电厂负荷的快速变化，该技术难以稳定运行。在 这种情况下，物理吸附法显示出其竞争力。而且，随 着吸附剂的发展，物理吸附法不仅能使用于高浓度的 I G c c 变换气，也同样适用于电厂的烟气捕碳。 物理吸附法有变压吸附法 P S A 、变温吸附法 髑A 以及变电吸附法 V s A ，以及它们之间相互耦 合的技术等。相对来说，由于髑A 热惯性较大，所以 系统庞大。P s A 是更适合于电厂捕碳的物理吸附技 术，原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差 异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性 的压力变换过程实现气体的分离或提纯。P S A 技术 的能耗主要在压缩过程，工艺条件容易调节，适合于 电厂快速的负荷变化；吸附剂使用周期长，一般可以 使用1 0 年以上；不存在溶剂损失、溶剂回收和腐蚀问 题。据I P C C 报告，现有的P s A 脱碳技术，已能将每 吨C O ，的能耗降到5 6 0k w ．h 以下。 P S A 运用在电厂c c s 中存在最大的两个问题是 一①大型化后，占地面积太大，电厂无法接受；②对于非 产品的c 0 2 气体，捕集的能耗和成本使电厂难以接受。 因此提高吸附剂的性能，开发紧凑有效的吸附系统是 解决以上问题的主要途径。与化学吸收法受到化学当 r 量比的理论限制不同，P s A 吸附分离技术是借助多孔 材料大的表面积和适宜的表面极性对吸附质进行选择 性吸附来到达吸附分离的目的。所以，可通过提高吸 附剂的孔隙率和相应的比表面积，以及调节表面性质 的手段，来提高对c O ，的吸附容量和选择性；通过调 控孔道结构和表面性质促进吸附速度和脱附能力。另 外吸附是放热过程，若能将吸附热应用到脱附过程， 利用热促进的P S A 进行C O 的脱附，不仅可降低能 耗、提高效率，还能压缩系统的体积；同时P s A 的床层 结构，使得其容易与脱除其他杂质气体的吸附床复合， 省去多余的系统，减少系统占地和能耗；结合电厂脱碳 效率要求不高的要求 8 5 ％ ，通过P S A 灵活的控制 程序，获得高效节能的c O 捕获回收技术；另外，通过 改变化工系统布置方式为电厂布置模式，也具有提高 系统紧凑性的巨大潜力。因此P s A 脱碳技术降低能耗 与占地的潜力较大。 2 ．4 膜分离法 膜分离法技术还处于发展阶段，但却是公认的在 能耗降低和设备紧凑方面具有相当潜力的技术。膜 分离法按材料主要分为无机膜和有机膜。根据I G c c 处理气体具有高压的特点，无机膜技术将更具优势， 而有机膜也是可能进行烟气捕碳的技术。目前各种 用于气体分离的无机膜都正在被开发，其中无机膜以 钯基膜产品的开发得到最迅速的发展，我国大连化物 所已开发出具有非常可观分离参数的钯基膜，该产品 已得到了电力行业的关注，现正与西安热工研究院针 对电厂情况进行进一步考察研究。钯基膜一个比较 大的问题是其分离的气体是H 2 而非c O ，尾气中除富 集了c 0 外，还有N 和H 等气体，这将对下一步气体 的处理带来一定的困难；另外就是近期内仍有一些工 程化过程中的问题没有解决，很难达到工业级规模； 有利的一方面是，c O 产品气仍保持高压，这减少了 下游气体的压缩耗功。对于无机膜技术，据报道国内 开发的技术近期在海南进行天然气捕集的规模试验， 得到了浓度8 0 ％以上的c O 气，这给膜技术在燃烧 后的烟气进行捕集增添了新的选择。 3 C 0 2 的压缩与输运 一般来说，电厂捕集的C 0 2 量非常巨大，必须经过 压缩干燥后，再长距离输运到目的地。输运方式一般 根据距离、输运量以及封存地来进行选择。管道轮船 万方数据 火电厂C 0 排放和控制专题 黄斌等燃煤电站c 0 捕集与处理技术的现状与发展 5 输运一般成本较低，但是，必须是在输运量很大的情况 下才适合；而公路和铁路的输运更为灵活，成本却比管 道和轮船昂贵，大致来说，铁路运输是水运和管道输运 的2 5 倍，而公路的运输成本达到了火车运输的3 4 倍。输运要求的压力一般在1 0 1 5M P a ；如果C 0 2 中 有水分存在，那么当温度小于l O ℃、压力大于1M P a 时，容易形成类似冰的固体颗粒，这将就会造成管道 输送的堵塞，所以必须在输运前进行干燥脱水；除此之 外，输运对气体成分的要求 I P c c c O ，含量不小于 9 5 ％、总硫含量的体积分数 30 0 0m 笼形水合物封存。地质封存利用类似自 然界中地质封存天然气等气体的原理对c O 进行封 存，主要有盐水层封存、增强石油开采封存和增强煤 层气开采封存。预计世界可封存c O 的容量见表I 。 表1预计世界可封存C o 。的容量 5 燃煤电厂捕碳项目的发展情况 5 ．1 以I G C C 为基础的燃烧前捕碳项目 2 0 0 3 年，I G C C 技术在经过美国和欧洲近l O 年的 示范运行后，美国首先提出了建立基于I G c c 的燃烧 前捕碳的近零排放电站的“未来发电”计划。项目计 划用1 0 年时间，设计、建设并运行一套装机容量 2 7 5M w 、以煤为燃料、采用c 0 存储技术、达到接近 零排放的制氢和发电的示范电厂。我国政府以及中 国华能集团公司也参与了项目的投资。“未来发电” 项目已确定伊利诺斯州为最终厂址。该项目计划于 2 0 0 9 年开始建设，2 0 1 2 年投产运行。2 0 0 8 年1 月2 9 日，美国能源部忽然宣布由于过高的投资增加，决定 退出对“未来发电”计划的资金支持。欧盟提出了相 似的H y p o g e n 计划。项目计划建立一套4 0 0M w 的 I G c c 电站，利用变换将气化的合成气变换成H 2 和 c o ，分离后的c O 进行封存，而H 则进行燃料电池 和燃机循环发电。 日本进行的相似计划是新阳光计划中的“鹰” 煤的气液电多联产 项目。该项目也是基于I G C C ， 加上燃料电池与氢气燃机，形成煤气化燃料电池燃机 汽轮机的整体联合循环。在此基础上，再进行C C S ， 通过提高发电效率和捕集c O 来降低碳的排放。项 目首先建成了一个I G C c 系统。现在该项目已建成 了中试系统，其采用深冷空分生产46 0 0N m 3 ／h 的浓 度为9 5 ％的氧气，气化炉为1 5 0 ∥a 夹带流两段式气 化炉，气化压力为2 ．5M P a ；净化部分采用两级水洗 加上M D E A 与石灰石湿法吸收脱除1 48 0 0N m 3 ／h 的 合成气中的颗粒物和硫；发电岛中，项目只配备了l 台 80 0 0k w 的燃机。在2 0 0 9 年以前，该项目除了进一步 对系统进行实验以外，还将从进燃机前的合成气中抽 出1 0 ％的合成气，建设和测试c 0 ，的捕集系统。 另外，国外相似的计划还有澳大利亚的零排放发 电 z e r o G ．e n ；德国R w E 公司的4 5 0M wI G c c 以及 C c S 项目；荷兰N u o n 电厂的二期计划 12 0 0M w ，抽 取2 ．5 ％进行C C S ；另外，还有力拓公司和B P 公司 联合进行的“K 埘n 明a ”项目 5 0 0M w 等。 5 ．2 燃烧后捕集项目 在电厂进行燃烧后捕集c 0 的项目主要在美国、 日本，欧洲和澳大利亚近期也开始了中试规模的实验 研究。国外正在运行的电厂燃烧后捕碳项目见表2 。 在运行的项目中，主要选用的是M E A 化学吸收法，也 有变压变温吸附法。 表2 国外正在运行的电厂燃烧后捕碳项目 5 ．3 富氧燃烧项目 富氧燃烧发展的方向主要是降低制氧的成本和 能耗以及对系统的运行示范。该技术已经在美国、加 拿大、欧洲、日本、澳大利亚和韩国等国家进行了中试 示范研究，这些项目中很多都是利用现有的小型机组 进行改造。美国正在J 锄e S t o n e 电厂示范5 0M W 循 环流化床的富氧燃烧系统，并计划于2 0 1 3 年放大到 4 0 0 一6 0 0M w 。德国从2 0 0 6 年5 月开始动工建造一 个3 0M w 的富氧燃烧电站，据报道该项目已经开始 运行。澳大利亚正在开展C a l l i d e 项目，该项目与日 本等国家进行合作，对一个6 0 年代建造的4 台 3 0M w 的电站进行改造，利用2 台3 3 0L ／a 的空分系 统提供氧气 9 8 ％ ，每天回收7 5tc 0 2 。项目计划4 年完成，现在正处于项目前期。T 0 t a l 公司正准备在法 国L a c q 电厂完成一个3 0M W 的项目，并计划2 0 0 9 年 开始示范运行。三井巴布公司正在建设一个4 0M W 的 富氧燃烧项目，计划在2 0 0 9 年之前进行运行。 5 ．4 我国正在开展的项目 1 绿色煤电计划。绿色煤电计划是由我国8 万方数据 6 电力设备第9 卷第5 期 家电力公司、煤炭和投资公司联合开展的基于I G C C 的近零排放发电计划。绿色煤电计划主要涉及以下 几个关键技术大型高效煤气化技术、煤气净化技术、 氢气轮机发电技术、燃料电池发电技术、膜分离技术、 c o 储存技术、系统集成技术。绿色煤电计划分为3 个阶段。在2 0 1 5 年左右完成。现在项目第一期2 5 0M W I G C C 项目已落户天津滨海新区，正按计划进行前期准 备工作，预计2 0 0 9 年底调试运行，同时进行以上关键 技术的开发。绿色煤电流程简图如图l 所示。 可锗售可销售化工原科利用采收翠 的灰渣的硫磺 图1 绿色煤电流程简图 2 30 0 0 ∥a 燃煤电厂c o 捕集与利用项目。 该项目是中澳领导人签署的联合声明洁净煤领域合 作的第一个项目。项目计划在2 0 0 8 年7 月前在华能 北京热电厂建成一座年捕碳30 0 0t 的中试项目。该 项目由中国华能集团公司、西安热工研究院与澳大利 亚联邦科学与工业研究组织 c s I R O 共同合作，从热 电厂脱硫后抽取20 0 0N m 3 ／h 以上的烟气，采用M E A 化学吸收法，对浓度为1 3 ％左右的烟气进行捕集。 捕集后的C O 经过进一步的精制处理，最终生成食品 级的c o 。截至2 0 0 8 年4 月中旬，该项目的主体设备 已经安装完成，计划今年6 月开始进行调试运行。该 项目为我国第一个工业级电厂C O 捕集装置，其c o 捕集与利用流程简图如图2 所示。 6 结束语 燃煤电厂作为最大的c 0 ，排放源，在全球变暖问 题受到日益重视的时候，必将面临巨大的压力。对于 不同的捕碳技术路线，都有其自身的特点，也有各自适 合的捕集技术。国外对3 种技术路线都进行了规划， 煤 裂 馘 岳插 茬肇仁 一， ． 图2 华能北京热电厂C 0 捕集与利用流程简图 并正在开始中试阶段的研究。同样，我国也全面开展了 燃煤电厂捕碳技术的研究，并且已经有了自己燃烧前捕 集的近零排放项目计划，有了电厂燃烧后捕集的工业级 装置。可以说，我国在燃煤C 0 2 捕集方面，不管是基础 研究还是工业研究，与国外的差距并不大，我国已经开始 通过燃煤电厂捕集C 0 来应对气候变化的研究工作。 7 参考文献 [ 1 ]黄斌，刘练波，许世森．二氧化碳的捕获与封存技术进展[ J ] ． 中国电力，2 0 0 r 7 ，4 0 3 1 4 。1 7 ． [ 2 ] 乌若思．未来的燃煤电厂一中国绿色煤电计划[ J ] ．中国电力， 2 0 0 7 ，4 0 3 6 。8 ． [ 3 ] 许世森．I G c c 与未来电力[ J ] ．中国电力。2 0 0 5 ，3 8 2 1 3 。1 7 ． [ 4 ] T h o m 舯c a r b o nd i o x i d ec 印t u r ef o rs t o m g ei nd e e pg e o l o g i cf o 肿a t i o n 8 一r e 鲫l tf r c 胁t h ec 0 2c 印t u r eP m j e c t I [ M ] ．u K ，E L s E Ⅵ E R ．2 0 0 5 ． [ 5 ] 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j n gi nc o a l f i r e dp o w 盯p l 釉t ． T h ep a p 贯f i I s ti n t 刚u o e dt h r ∞w a y sf ．o rt 确p p 访g ∞r b o 璐i nc o a l ．f i r o dp o w 盯p J 觚t p r e - c 0 I n b u s t i o n ，p o s t - c 0 1 1 1 _ b l l s t i o n 锄do 珂g m 。 ∞一c h e dc 0 I n _ b u s t j o n ，t h em a j nt 呷p i n gte c h n i q u 器a r ec h 铷面c a la b s o 币t i o n ，p h y s i c a la b s o r p t i o n ，p h y s i s o r p t i ∞锄dm 锄b m e s e p 狮t i o n ，c t c ．M e a n w h i I e ，t h ep 印e ra l s o 缸t 刚u o 。dt h es i t l l a t i o Ⅱa n dd 础p m 即to ft h ep 删∞to ft 瑚p p i n gc 酬b o ∞i nc o a H i 川 p o w 盯p l 加ta tb o m e 锄da b r o a d ．I nC h j n a p o w 盯e n t e r p r i s 嚣a l s od e v e l o p o d 孽∞np m j e c t ，锄db u m 讪s t 砌- s c a l ep o s t c m l b u s t 帕n u i to nt h eb a s eo ft r a d i t i o n a lc o a l f i r e dp o w 叮p l a n t ，a n ds t a r tR Dt 均p p i n gc a r b o 璐t 幽i q u e “m 】p r e h e n s i v e l y ． K 叼唧o r d s 孽鼬o u s eg 皓；g ∞％c o l a l f i I 。e dp o w 口；C 0 2t r a p p j n gC 0 2m o t h b a l l i n gC 0 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