燃煤电厂二氧化碳捕集与封存技术

李焕君 刘吉 杨志斌 林兆宁 薄辉

【摘要】由于燃煤电厂粉尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳的减排问题,所以一直被人们称作“环境杀手”，加强对燃煤电厂二氧化碳捕集与封存技术的研究和运用具有重要意义。文章分别介绍了二氧化碳捕集和封存技术及其应用问题等。

【关键词】燃煤电厂；二氧化碳捕集；封存技术

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：

引言

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60%的温室效应由CO2产生,因此控制CO2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CO2排放量最大的一部分来自于燃煤发电,在我国,占到了CO2总排放量的50%左右,因此想要大规模减轻CO2排放量,必须着力于从燃煤电站中捕获CO2。

1二氧化碳捕集技术

二氧化碳的捕集不适用于大量分散的移动排放源,而只适用于大型固定的排放源,只有把从大型固定排放源捕集到的二氧化碳集中输送到储存地点的运输系统,才是结构简单且经济可行的。目前有关二氧化碳捕集的大部分研究与试验都集中在燃煤电厂。二氧化碳捕集能够应用于所有的现代的发电厂,包括使用先进的整体煤气化联合循环机组的发电厂。二氧化碳捕集一般有3种工艺路线:燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集。其中每个工艺路线都包括从气流中分离二氧化碳。目前有五种主要的二氧化碳分离技术,如化学溶剂吸收、物理溶剂吸收、吸附、膜分离和低温分离。选择哪一种技术取决于要捕集的二氧化碳的状态,即浓度、压力和流量。

1.1燃烧后捕集

燃烧后捕集是从烟气中分离二氧化碳。该工艺路线是以成熟的化学溶剂胺吸收法为基础。胺与二氧化碳产生化学反应后形成一种含二氧化碳的化合物。然后对溶剂加温,化合物分解,分离出溶剂和高纯度的二氧化碳。对燃煤电站而言,燃烧产生的烟气含有很多污染物等杂质,杂质的存在会增加捕集的成本。因此,烟气进行吸收处理前要进行冷却处理,去除其中的活性杂质,如硫、氮氧化物和颗粒物等,否则这些杂质会优先与溶剂发生化学反应,消耗大量的溶剂并腐蚀设备。吸收剂在温度100~140℃和比在标准大气压略高的压力下得到再生。在目前的工艺条件下,溶剂再生和为便于运输压缩二氧化碳,都需要消耗大量的能量,因而大大折减了净发电量。燃烧后捕集二氧化碳工艺流程简图见图1。

图1燃烧后捕集工艺流程简图

燃烧后二氧化碳捕集可以分离出高压高浓度的二氧化碳气流,但是能耗较高。如果在提高溶剂效率、降低溶剂再生所需的能量等方面进行改进和开发新技术,将可大大降低捕集成本,提高能源效率和发电效率。

1.2燃烧前捕集

燃烧前捕集主要应用在以气化炉为基础(如联合循环技术)的发电厂,通过燃料与氧或空气发生反应,产生主要由一氧化碳和氢气组成的混合气体。待混合气体冷却后,在催化转化器中与蒸汽发生反应,其中的一氧化碳转化为二氧化碳,并产生更多的氢气。然后,二氧化碳被分离出来,氢气则作为燃气联合循环系统的燃料送入燃气轮机,进行燃气轮机与蒸汽轮机联合循环发电。另外,需要加装去除硫化物和颗粒物等杂质的设备。和燃烧后分离相比,燃烧前分离产生的需要处理的气体较少,这些气体在高压下富含更多的二氧化碳,这就降低了二氧化碳分离的投资成本。另外,二氧化碳浓度较高,可以采用选择性不强的气体分离技术如物理溶剂吸收、吸附等技术来分离二氧化碳,从而减少能量消耗。燃烧前捕集二氧化碳工艺流程简图见图2。

图2 燃烧前捕集工艺流程简图

1.3 富氧燃烧捕集

富氧燃烧捕集是指燃料在氧气和二氧化碳的混合气体中燃烧,燃烧产物主要是二氧化碳、水蒸汽以及少量其他成分。产生的二氧化碳纯度较高,浓度高达80%~98%。通常,氧气由空气分离方法产生,少部分烟气再循环与氧气按一定比例进入燃烧室。使用氧气和二氧化碳混合气的目的是为了控制火焰温度。如果燃烧发生在纯氧中,火焰温度就会过高。

富氧燃烧的有利条件是,能产生富含二氧化碳的烟气,这样,原则上可以使用简单且成本低的二氧化碳提纯方法。另外,由于燃烧发生在低氮环境中,因而大大降低了氮氧化合物的生成量。该工艺的不利条件是,需要空气分离装置供给富氧,费用昂贵,能量消耗大。目前,这种方案没有太多的运行经验,而且,在该工艺完全商业化应用以前,需要考虑和研究运行过程中存在的问题,如锅炉性能的不稳定性、最少的掺气量、二氧化碳捕集前所需的烟气净化程度、烟气温度较低会引起设备腐蚀加速以及磨煤机出口温度较高带来的进料系统的相应变化,等等。

以上三种工艺都可用于新建电站或经改造后的现有电站。如果用于新建电站,其优势在于,可以将二氧化碳捕集设备最大限度地容纳到电站中,对电站的整体发电效率有利。用于新建电站,可避免在原有设施中加装新设备带来的空间限制问题,同时还可建在距离二氧化碳储存地点较近的地方,从而减少运输成本。对现有电站的改造,成本可能会比较低,但如果为了延长电厂的使用寿命而进行大规模改造,则该优势就会减弱。另外,对燃煤电厂进行改造还会增加烟气脱硫和氮氧化物控制技术方面的投资。目前,电厂应用二氧化碳分离和捕集的技术还没有达到商业化。一些发达国家,如美国、加拿大和英国等都计划在今后几年内建设示范电厂。

2 二氧化碳封存技术

电厂捕集产生的CO2气体量非常巨大，化工、食品和材料等行业的需求相对是非常少的，大量的气体只能通过地质封存和海洋封存来处理。

海洋封存通过海上管道或者轮船输送到封存地，然后经过高压注入到海洋中。海洋封存主要有浅海（200～300m）溶解封存、深海（>500m）笼形包合物封存、深海（>3000m）笼形水合物封存。深海储存是有可能实现大规模长期储存二氧化碳的理想方式，但涉及技术经济、环境影响等一系列复杂的问题有待解决，故目前尚处于探索阶段。

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CO2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。此外还有森林和陆地生态储存，但一个功率为500MW的燃煤电站约需2000km2的森林来捕集其所排放的二氧化碳，故此方式不可能作为主要储存方式。目前工业界认为CO2-EOR技术是现阶段比较可行的CO2地质封存技术，CO2-ECBM技术是具有一定潜力的CO2地质封存技术。

实际上，全球各区域都存在可能适合封存CO2的沉积盆地，包括沿岸和沿海地区，也包含了油田、煤层等区域。有研究表明，全世界的地质封存能力巨大，其中深盐水层可能有近10000Gt的封存潜力，油气田和深海则分别有1000Gt～4000Gt的潜力，而目前全球人为二氧化碳排放每年约30Gt。

目前全球几个规模化的二氧化碳封存项目有北海的斯莱普内尔（Sleipner） 项目、加拿大的韦本（Weyburn）项目和阿尔及利亚的萨拉赫（Salah）项目。此外，澳大利亚在Otway启动了CO2地质封存示范试验项目，共注入30000吨CO2，该项目对注入的CO2进行监测，关注地下变化、CO2在地下的扩散、各种工程设计参数、各种设备的适应性等等。

3 结束语

目前全世界每年二氧化碳排放总量约30Gt,很明显,二氧化碳的捕集与封存对于温室气体减排具有全球性的深远意义。一些发达国家为实现《京都议定书》的承诺目标,已经在考虑将二氧化碳捕集和封存作为减少二氧化碳排放的措施,并就此开展了一系列的研究与开发工作,取得了不少成功的经验。如果通过反复试验改进技术,建立更大规模的示范项目,并克服目前存在的障碍,那么,燃煤电厂二氧化碳捕集与封存技术将会成为减少二氧化碳排放的主要手段之一,这对全球温室气体减排和缓解全球气候变化将裨益良多。因此,借鉴国际经验,在我国大力开发二氧化碳捕集和封存技术更具有其重要性和紧迫性。

参考文献

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