燃煤電廠醇胺化學(xué)吸收法捕集和封存CO2全生命周期碳排放分析

王 云, 趙永椿, 張軍營(yíng), 鄭楚光

(華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074)

生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment,LCA)作為一種分析工具現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到各種領(lǐng)域及系統(tǒng)評(píng)價(jià)中,其作為衡量碳減排的評(píng)價(jià)方法近年來(lái)逐步為國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注.Tahara等[4]首先運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法,從CO2減排角度對(duì)可再生能源電廠與常規(guī)礦物燃料電廠進(jìn)行了比較分析;M uram atsu等[5]對(duì)燃煤電廠CO2捕集技術(shù)進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià),提出發(fā)電過(guò)程CO2的排放量對(duì)環(huán)境影響最大;Weisser[6]對(duì)可再生能源、核能等發(fā)電廠進(jìn)行生命周期分析,認(rèn)為上游、下游造成的累計(jì)CO2排放量約占總排放量的25%;Koornneef等[7]對(duì)亞臨界、超超臨界和CCS改造的超超臨界燃煤電廠進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià),結(jié)果表明CCS技術(shù)可使燃煤電廠的CO2排放量減少71%～78%;聶會(huì)建等[8]運(yùn)用LCA對(duì)400 MW級(jí)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)電站的CO2排放量進(jìn)行了計(jì)算,分析結(jié)果表明IGCC運(yùn)行過(guò)程是CO2排放的主體.筆者采用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)安裝醇胺(M onoethanol Am ine,M EA)吸收CO2裝置的燃煤發(fā)電廠及其CCS系統(tǒng)的CO2排放過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)量化評(píng)價(jià)分析.

1 生命周期評(píng)價(jià)及系統(tǒng)邊界選取

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是一種對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及活動(dòng)造成的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行評(píng)價(jià)的客觀過(guò)程.LCA不僅考慮系統(tǒng)形成后從開(kāi)始服役到生命終結(jié)的污染物排放,而且要追溯系統(tǒng)形成時(shí)及形成前其設(shè)備的制造、安裝以及輔助系統(tǒng)所需的各種產(chǎn)品要素從資源獲取到產(chǎn)品成型的歷史過(guò)程污染物排放[9-10],即包括上游和下游的排放.根據(jù)ISO的定義,LCA的技術(shù)框架包括4個(gè)部分[11-12],分別是目標(biāo)與范圍定義、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋.

本文以國(guó)內(nèi)某電廠國(guó)產(chǎn)亞臨界2×300 MW燃煤發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,工程機(jī)組選型按2×300 MW直接空冷供熱凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組配置2×1 065 t/h煤粉爐,采用雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng),加裝煙氣濕法脫硫裝置.對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行CCS技術(shù)改造后其系統(tǒng)邊界包括:①電廠生命周期,即電廠建設(shè)、運(yùn)行和退役三個(gè)階段,包括建材開(kāi)采、建材運(yùn)輸、廠房建設(shè)和廠房解體,燃料開(kāi)采、燃料運(yùn)輸、發(fā)電過(guò)程和電力使用等.②CCS系統(tǒng)生命周期,即CCS系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行和退役三個(gè)階段,包括建材開(kāi)采運(yùn)輸、設(shè)備制造安裝、設(shè)備運(yùn)行使用以及設(shè)備退役等.圖1和表1分別為該燃煤電廠的系統(tǒng)邊界設(shè)定和主要參數(shù).電廠用煤為常規(guī)動(dòng)力煤,設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.LCA評(píng)價(jià)中主要材料單位生產(chǎn)量的CO2排放數(shù)據(jù)[8,13]見(jiàn)表3,運(yùn)輸燃料燃燒的CO2排放量為0.016 2 g/(km?kg),電力生產(chǎn)的CO2排放量為406.8 g/(kW?h),以此為主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算獲得系統(tǒng)生命周期各階段的排放清單.

圖1 生命周期評(píng)價(jià)的系統(tǒng)邊界Fig.1 Boundary of the life cycle assessment sy stem

表1 2×300MW燃煤電廠主要參數(shù)表Tab.1 M ain parameters o f the coa l-fired power p lant

表2 設(shè)計(jì)煤種的工業(yè)分析和元素分析Tab.2 Proximateand u ltimateanalysis of coal

表3 主要建材的CO2排放量Tab.3 CO2 em ission from production of constructionmaterials and energy resources

2 全生命周期排放量計(jì)算

2.1 燃煤電廠全生命周期排放量計(jì)算

電廠建設(shè)過(guò)程的CO2排放主要包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)排放、電廠設(shè)備制造安裝排放以及相關(guān)建材運(yùn)輸排放.①電廠建設(shè)階段的排放清單主要來(lái)自于建設(shè)材料的生產(chǎn)過(guò)程,數(shù)據(jù)收集過(guò)程中建材需求量較大的數(shù)據(jù)(如鋼材、鋁材、鐵、混凝土和水泥)分別按照電廠工程設(shè)計(jì)報(bào)告估算[8,14-16].②電廠設(shè)備的制造和安裝排放,考慮計(jì)算的可行性只計(jì)算燃煤鍋爐、電廠磨煤機(jī)和蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組等大型設(shè)備安裝制造過(guò)程的排放,并將其歸結(jié)為設(shè)備制造所需原材料的生產(chǎn)過(guò)程排放,生產(chǎn)所需主要材料鋼的量按設(shè)備重量估算.③建材運(yùn)輸階段的CO2排放主要來(lái)自于燃料燃燒的排放、運(yùn)輸工具的制造以及退役排放.運(yùn)輸消耗燃料產(chǎn)生的CO2量取決于運(yùn)輸距離、貨物運(yùn)輸量、運(yùn)輸工具的重量和單位質(zhì)量單位距離燃料燃燒的排放量.為了便于計(jì)算,筆者假定建材、煤炭及廢物等的運(yùn)輸工具均使用同一種火車運(yùn)輸,每列火車有85節(jié)車皮,每節(jié)可以承載77 t煤,服役年限為30年.火車制造過(guò)程的CO2排放可以估算為制造所需主要材料鋼和鋁生產(chǎn)過(guò)程的排放量,根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]計(jì)算獲得火車生產(chǎn)過(guò)程中每節(jié)車廂需要的鋼材量為6 713 kg、鋁材量為45 kg,火車退役排放量假定為建造的10%,為不重復(fù)計(jì)算僅在煤炭運(yùn)輸階段計(jì)算一次.對(duì)于建造中排放量較小的建設(shè)原料、安裝制造過(guò)程等在本文計(jì)算排放時(shí)忽略不計(jì).電廠建設(shè)的主要建材需求量和運(yùn)輸量見(jiàn)表4.

表4 2×300 MW電廠建設(shè)的主要建材需求和運(yùn)輸量[8,14-16]Tab.4 Material demand and transport for construction of a 2×300 MW power p lant t

煤炭開(kāi)采加工階段的排放包括自身開(kāi)采加工過(guò)程的排放和能源輸入間接帶來(lái)的排放.①煤炭采掘過(guò)程CO2排放主要來(lái)源于開(kāi)采工具的制造過(guò)程和開(kāi)采過(guò)程所需石灰石及電的生產(chǎn)過(guò)程,因而排放可估算為生產(chǎn)鋼材、電和石灰石導(dǎo)致CO2排放的和,同樣排放量較少的忽略不計(jì).②煤炭加工過(guò)程CO2排放主要產(chǎn)生于洗煤過(guò)程中所耗電生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)生固體垃圾運(yùn)輸過(guò)程的排放.可按參考文獻(xiàn)[16]進(jìn)行相關(guān)折算,制造采掘工具所需的鋼材量為5 265 t,服役期限為30年,采用長(zhǎng)壁法每年開(kāi)采萬(wàn)噸煤炭所需的石灰石為180 t,電量為141 000 kW?h.由干燥無(wú)灰基DAF(d ry ash free)煤量和參考文獻(xiàn)[16]中的數(shù)據(jù)計(jì)算,DAF煤制備和洗煤過(guò)程需要的電量為790 k J/t,固體垃圾產(chǎn)量為0.35 t/t,DAF煤量為開(kāi)采量的60%.

加工后的煤炭用火車運(yùn)輸?shù)诫姀S,煤炭運(yùn)輸量按電廠負(fù)荷率進(jìn)行計(jì)算,假設(shè)煤礦與電廠間距離為500 km,根據(jù)火車額定裝載量、煤炭年運(yùn)輸量及電廠負(fù)荷率等因素,估算30年內(nèi)火車在煤礦與電廠之間往返次數(shù)約11 290次.電廠運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生大量的CO2等廢氣和固體灰渣,固體灰渣需運(yùn)輸至特定地點(diǎn)進(jìn)行埋存,假定埋存地點(diǎn)到電廠的距離為50 km,運(yùn)輸過(guò)程消耗燃料產(chǎn)生的CO2量同樣取決于運(yùn)輸距離、貨物運(yùn)輸量及單位質(zhì)量單位距離燃料燃燒的排放量.依據(jù)年耗煤量和煤的干燥基成分計(jì)算獲得灰渣年產(chǎn)量約251 187 t.第1年和第30年的煤炭運(yùn)輸量分別按年負(fù)荷率為80%來(lái)折算.電廠在運(yùn)行中燃燒制粉、循環(huán)水、熱力系統(tǒng)及脫硫脫硝裝置等將消耗大量電能,造成的間接CO2排放可按廠用電率6%計(jì)算.電廠運(yùn)行過(guò)程排放的CO2是煤炭燃燒后直接排放CO2,取決于煤炭種類(主要是煤的含碳量)、煤消耗量、鍋爐效率及脫硫脫硝過(guò)程中對(duì)CO2的吸收等因素,同時(shí)有一部分來(lái)源于空氣分離裝置提供氧氣中攜帶的CO2[17].假設(shè)電廠退役發(fā)生在第30年,依據(jù)文獻(xiàn)[18]退役過(guò)程的CO2排放為建設(shè)時(shí)的10%.

2.2 CCS全生命周期排放計(jì)算

CCS技術(shù)由碳捕集和碳封存兩個(gè)部分組成,其中碳捕集技術(shù)大致分為3種:燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集.我國(guó)的熱電廠絕大部分屬于煤粉電廠,煙氣具有壓力低和CO2濃度低(12%～15%)等特點(diǎn),要在燃煤電廠進(jìn)行CO2捕集,比較適合采用醇胺(M EA)化學(xué)吸收法進(jìn)行燃燒后CO2捕集.MEA化學(xué)吸收法具有吸收速度快、吸收能力強(qiáng)、處理量大及回收CO2純度高等優(yōu)點(diǎn),對(duì)捕集煙氣中低濃度CO2具有一定優(yōu)勢(shì),也是目前CO2捕集研究和運(yùn)用最主要的技術(shù)[19-20].

筆者擬對(duì)2×300 MW 電廠進(jìn)行改造,通過(guò)CCS技術(shù)利用MEA化學(xué)吸收法來(lái)捕集電廠煙氣中的CO2.CO2捕集(包括壓縮)系統(tǒng)由煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、填料吸收塔、填料再生塔、排氣洗滌系統(tǒng)、溶液煮沸器、胺回收加熱器、產(chǎn)品氣處理系統(tǒng)(包括凝汽器、氣液分離器、壓縮機(jī))以及系統(tǒng)水平衡維持系統(tǒng)組成.CO2封存系統(tǒng)由運(yùn)輸系統(tǒng)和注入系統(tǒng)組成,捕集壓縮后的CO2經(jīng)由管道運(yùn)輸送到封存地,然后通過(guò)注入系統(tǒng)高壓封存到地下深部適宜地層,如煤層或鹽水層等.

為保證壓實(shí)度，混凝土碾壓采用平推碾壓，施工中自卸汽車倒退直接入倉(cāng)，下料應(yīng)從遠(yuǎn)端開(kāi)始，在完成三層薄層均勻攤鋪?zhàn)鳂I(yè)后，將81cm的厚度碾壓為75cm。以條塊攤鋪方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，使用型號(hào)為BW200的設(shè)備進(jìn)行碾壓，此過(guò)程應(yīng)遵循先2遍無(wú)振、后8遍有振，最后再次2遍無(wú)振的順序，碾壓速度不大于1.1km/h，最后再用BW75型手扶震動(dòng)碾找平，使表面平整。在高溫天氣下作業(yè)時(shí)，碾壓過(guò)程中要根據(jù)氣溫與蒸發(fā)量適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)水處理。

CCS系統(tǒng)建造過(guò)程的CO2排放計(jì)算與電廠建設(shè)一樣,主要包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)排放、設(shè)備制造安裝排放以及相關(guān)建材運(yùn)輸排放.建設(shè)階段的排放主要來(lái)自于建材的生產(chǎn)過(guò)程以及能量消耗,相關(guān)數(shù)據(jù)估算參照文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[21].同樣,CCS系統(tǒng)退役階段CO2排放量按建造階段的10%計(jì)算.MEA技術(shù)改造中CO2吸收塔和再生塔建造、CO2壓縮設(shè)備建造、CO2運(yùn)輸管道以及地質(zhì)封存井的建設(shè)所需主要建材和能耗見(jiàn)表5.

表5 CCS各系統(tǒng)建造基本數(shù)據(jù)[7,21]Tab.5 Material demand,energy consump tion and service time of various components in CCSsystem

CCS系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中CO2排放主要由運(yùn)行能耗以及所耗原料的制造排放所產(chǎn)生,主要取決于化學(xué)吸收劑的消耗量,加熱再生吸收液用蒸汽所消耗的熱能,壓縮、運(yùn)輸以及地下壓注消耗的機(jī)械能或電能等.CCS各主要設(shè)施基本運(yùn)行參數(shù)根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[7,21]估算,具體見(jiàn)表 6.

表6 CO2壓縮、運(yùn)輸和儲(chǔ)存相關(guān)基本參數(shù)[7,21]Tab.6 Basic parameters for CO2 compression,transportand storage

采用MEA吸收分離法捕捉煙氣中CO2所消耗的原料和能量主要有:MEA消耗量和吸收液再生所需蒸汽消耗的熱能以及風(fēng)扇等相關(guān)設(shè)備的用電.根據(jù)文獻(xiàn)[7],吸收1 t CO2消耗的MEA約為2.34 kg,加熱再生吸收液用蒸汽所消耗的熱能大約為4 GJ,加熱蒸汽轉(zhuǎn)換成電能的等價(jià)因子為0.20,CO2捕捉過(guò)程中風(fēng)機(jī)和泵的電耗約為23.6 kW?h/t,CO2的捕捉效率可達(dá)到90%.

CO2的壓縮、運(yùn)輸以及儲(chǔ)存過(guò)程消耗的能量主要包括壓縮機(jī)械消耗能量、克服管道阻力損失以及儲(chǔ)層壓力所需的能量,其中壓縮和注入所需電能根據(jù)Damen[22]推導(dǎo)出的公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:W為實(shí)際做的功,k J/kg;E為所需要的電能,kW?h/kg;Z為壓縮因子,0.994 2;R為通用氣體常數(shù),8.314 5 J/(mol?K);T為入口氣體溫度,313.15 K;γ為熱力系數(shù)(cp/cv),1.293 759;M 為CO2的摩爾質(zhì)量,44.01 g/mol;ηis為等熵效率,80%;ηm為機(jī)械效率,99%;Nγ為壓氣機(jī)級(jí)數(shù)(運(yùn)輸時(shí)為4,儲(chǔ)存時(shí)為2);p2為出口壓力,運(yùn)輸時(shí)為11 MPa,儲(chǔ)存時(shí)為15 MPa;p1為入口壓力,運(yùn)輸時(shí)為0.101 325MPa,儲(chǔ)存時(shí)為10.7MPa.

3 結(jié)果與分析

通過(guò)綜合產(chǎn)品和過(guò)程(電力和CCS)各階段所計(jì)算的排放數(shù)據(jù),匯總各子系統(tǒng)的生命周期CO2排放清單見(jiàn)表7和圖2.

表7 2×300MW CCS技術(shù)改造的燃煤電廠各階段CO2排放計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculated resu lts of CO2 em ission in various stages of a 2×300 MW power p lant with CCS t/d

圖2 全生命周期各階段排放量所占比重Fig.2 Share of CO2 em ission in various stages of a life cycle

筆者在對(duì) 2×300 MW 燃煤電廠系統(tǒng)進(jìn)行MEA吸收CO2技術(shù)改造基礎(chǔ)上,以LCA方法為工具,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了全生命周期CO2排放計(jì)算.全生命周期分別體現(xiàn)在電廠和CCS系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行和退役三大過(guò)程,過(guò)程涉及到各種生產(chǎn)要素(如設(shè)備、原料和活動(dòng)等)所排放的CO2,從而獲得了整個(gè)系統(tǒng)全生命過(guò)程CO2排放的詳細(xì)情況.計(jì)算表明:全生命周期燃煤電廠CO2排放量為7 374.82 t/d,其中電廠運(yùn)行排放所占比重約為98.82%(其中電廠運(yùn)行因燃料燃燒造成的直接排放約為7 066.49 t/d,比重約為95.82%;其他設(shè)備電耗、廢物運(yùn)輸造成的間接排放約為220.68 t/d,比重約為2.99%);燃料開(kāi)采排放的CO2約為47.29 t/d,所占比重約為0.64%;燃料運(yùn)輸排放的 CO2約為 32.31 t/d,所占比重約為0.44%;電廠建造和退役排放的CO2約為7.5 t/d,所占比重僅為0.1%.

在此基礎(chǔ)上采用MEA技術(shù)對(duì)電廠進(jìn)行改造.按CO2捕集效率90%計(jì)算,CCS可直接捕集和封存的CO2約為6 359.84 t/d,由CCS技術(shù)改造(包括CCS系統(tǒng)建造、運(yùn)行以及退役三個(gè)階段)而增加的CO2排放量為960.93 t/d,最終經(jīng)CCS技術(shù)改造后燃煤電廠排放的CO2為1 975.91 t/d.從全生命周期來(lái)看,采用CCS技術(shù)改造后電廠CO2的直接減排率可達(dá)86.24%左右;考慮CCS建造、運(yùn)行以及退役而造成的間接CO2排放增加的情況下,改造后電廠CO2的實(shí)際減排率約為73.21%,有效地控制了溫室氣體的排放.

結(jié)果分析還表明,改造后燃煤電廠與CCS運(yùn)行過(guò)程造成的CO2排放所占比重較大,分別占全生命周期總排放量的46.96%和47.62%.其中,運(yùn)行中燃料燃燒并經(jīng)捕集后的直接排放約占全生命周期總排放量的35.76%,電廠設(shè)備運(yùn)行、捕集中吸收劑再生、CO2壓縮以及儲(chǔ)存等耗能過(guò)程造成的間接排放約占全生命周期總排放量的58.78%.并且,CCS運(yùn)行中捕集和壓縮環(huán)節(jié)的能耗排放量分別高達(dá)29.07%和14.53%;其次為燃料的開(kāi)采階段和運(yùn)輸階段,分別占全生命周期排放量的 2.39%和1.64%;電廠建造和退役階段分別占全生命周期排放量的0.35%和0.03%;CCS建造和退役階段分別占全生命周期排放量的0.92%和0.09%.

依據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(剔除煤氣化發(fā)電站和天然氣聯(lián)合循環(huán)電站等其他CO2減排成本影響因素,見(jiàn)表8)分析,采用現(xiàn)有技術(shù)改造和新建的煤粉電站,利用MEA技術(shù)來(lái)捕集CO2,捕集環(huán)節(jié)的成本約為23～35美元/t,運(yùn)輸環(huán)節(jié)成本約為0.004～0.032美元/(t?km),地質(zhì)封存環(huán)節(jié)成本約為0.6～1.1美元/t.按CO2捕集封存率90%來(lái)計(jì)算,該 2×300 MW燃煤電廠CCS系統(tǒng)的成本范圍約為151 364.19～285 556.80美元/d,全生命周期CCS改造燃煤電廠共直接減排CO2為6 359.84 t/d,則CO2全生命周期減排成本(包括捕集、運(yùn)輸以及封存的減排成本)約為23.80～44.90美元/t.

表8 CCS各部分成本估算[23]Tab.8 Cost estimation of various components in CCSsystem

4 結(jié) 論

(1)采用全生命周期評(píng)價(jià)方法,以單位材料CO2排放數(shù)據(jù)庫(kù)和M EA吸收CO2改造燃煤電廠系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過(guò)計(jì)算全面詳盡地展現(xiàn)了燃煤電廠CO2產(chǎn)生、捕捉、運(yùn)輸以及封存過(guò)程中各個(gè)階段的排放量.

(2)改造前燃煤電廠全生命周期CO2排放量為7 374.82 t/d,其中電廠運(yùn)行排放所占比重約為98.82%,其他階段排放所占比重僅占1.18%,燃煤電廠運(yùn)行階段是全生命周期控制CO2排放量的重要環(huán)節(jié).

(3)在全生命周期內(nèi),采用MEA吸收法的CCS技術(shù)改造后燃煤電廠CO2排放量約為1 975.91 t/d,CO2直接減排率可達(dá)86.24%左右,實(shí)際減排率約為73.21%,有效地控制了溫室氣體的排放.

(4)CCS系統(tǒng)在CO2捕捉和壓縮環(huán)節(jié),因吸收液再生、風(fēng)機(jī)和泵以及CO2壓縮等耗能造成了較高的排放,約占總排放量的43.60%.按照IPCC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出燃煤電廠CO2全生命周期減排成本約為23.80～44.90美元/t.

(5)改造后整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的CO2排放量約為1 868.75 t/d,比例高達(dá)94.58%,占全生命周期排放量的主導(dǎo)地位;輔助過(guò)程的排放量為107.16 t/d,僅占5.42%,這也說(shuō)明了對(duì)排放量較小的材料和過(guò)程進(jìn)行忽略以及做出的一些假設(shè)不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成顯著的影響.

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