低碳經(jīng)濟(jì)下燃煤電廠CO2捕集技術(shù)

殷慶棟，魏穎莉，魏 剛，劉斌杰，劉文獻(xiàn)

(1.河北省電力研究院，河北石家莊 050021;2.河北省電力公司，河北石家莊 050021)

低碳經(jīng)濟(jì)下燃煤電廠CO2捕集技術(shù)

殷慶棟1，魏穎莉2，魏 剛1，劉斌杰1，劉文獻(xiàn)1

(1.河北省電力研究院，河北石家莊 050021;2.河北省電力公司，河北石家莊 050021)

0 引言

在2009年哥本哈根氣候峰會(huì)上，氣候變化和氣溫升高成為討論的重點(diǎn)。全球應(yīng)對(duì)氣候變化的核心是減少溫室氣體排放，主要是減少能源消費(fèi)的CO2排放。CO2等溫室氣體的排放已越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。中國(guó)政府向國(guó)際社會(huì)表明了中方在氣候變化問(wèn)題上的原則立場(chǎng)，明確提出了我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化將采取的重大舉措:到2020年我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40% ～45%。燃煤電廠CO2排放是我國(guó)溫室氣體的最主要排放源，約占總量的50%［1］。近年來(lái)，隨著火電裝機(jī)容量的迅速增多，燃煤電廠CO2排放的絕對(duì)數(shù)量和相對(duì)比例還將進(jìn)一步增加，燃煤電廠CO2減排任重而道遠(yuǎn)。CO2減排技術(shù)的目的是捕獲煙氣中的CO2和將其從儲(chǔ)存的材料中分離出來(lái)，最后將這種氣體壓縮并儲(chǔ)存起來(lái)，從而控制大氣中的CO2含量。技術(shù)路線主要為CO2捕集和封存。近年來(lái)，由于封存技術(shù)容易掌握、且初投資較小，已逐漸應(yīng)用于食品工業(yè)和化工行業(yè)以及石油開(kāi)采行業(yè)。CO2捕集技術(shù)發(fā)展的方向是降低技術(shù)的投資費(fèi)用和運(yùn)行能耗。從分離作用在燃燒的不同階段分，主要有4種［2］，即:燃燒前脫碳、燃燒后脫碳、富氧燃燒等技術(shù)。

1 燃燒前脫碳技術(shù)

1.1 煤預(yù)處理技術(shù)

燃燒前脫碳技術(shù)主要是針對(duì)火電廠燃煤進(jìn)行預(yù)處理(加工、燃燒、轉(zhuǎn)化和污染控制)，以提高燃煤的利用效率。燃煤預(yù)處理技術(shù)具體包括三類:一是煤炭加工技術(shù)，如選煤、型煤、動(dòng)力配煤改質(zhì)、水煤漿技術(shù)等;二是煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)，如煤炭氣化和液化技術(shù)等;三是煤的資源化利用技術(shù)，如煤矸石綜合利用等技術(shù)。發(fā)展燃煤預(yù)處理技術(shù)，改善燃煤的質(zhì)量，可以提高鍋爐的熱效率，節(jié)省煤耗，減少CO2排放。煤炭洗選加工可大大減少煤中的灰分和硫分，提高煤炭的燃燒效率，節(jié)煤約10%［3］。配煤技術(shù)能根據(jù)不同煤種的燃燒特性進(jìn)行合理配比混合，以達(dá)到最高燃燒效率，杭州已經(jīng)建成5Mt配煤中心，可以較原來(lái)節(jié)煤 5% ～8% ，減少 CO2排放量 0.5Mt/a［4］。

1.2 IGCC 技術(shù)

IGCC技術(shù)也屬于燃燒前脫碳，IGCC技術(shù)把高效的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與潔凈的煤氣化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，既有高發(fā)電效率，又有極好的環(huán)保性能。IGCC的最大特點(diǎn)是:在碳基燃料燃燒前，將其化學(xué)能從碳轉(zhuǎn)移到其他物質(zhì)中(主要為H2)，然后再將其進(jìn)行分離。這種燃燒方式可以大大提高CO2的捕集程度。IGCC技術(shù)在CO2減排方面有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是可以實(shí)現(xiàn)CO2在燃燒前捕集分離。由于IGCC電站氣化爐內(nèi)多采用氣體作為氣化介質(zhì)，煤氣化產(chǎn)物主要是CO和H2，經(jīng)進(jìn)一步的水煤氣化反應(yīng)后，容易轉(zhuǎn)化成CO2和H2。由于煤氣壓力及CO2濃度較高(一般為35% ～45%)，因而比煙氣中更容易脫除CO2;二是IGCC電站的熱效率高，可達(dá)42% ～46%，而目前國(guó)內(nèi)電站的熱效率大多維持在35%左右，通常電站效率每提高1個(gè)百分點(diǎn)，CO2排放將減少2%，相對(duì)常規(guī)電站而言，CO2可以減排1/5［5］;三是煙氣脫硫工藝也可以分離 CO2。近年來(lái)，由于投資和運(yùn)行費(fèi)用大大降低，使IGCC電站成為未來(lái)電力行業(yè)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)選。美國(guó)的未來(lái)電力、中國(guó)的綠色煤電、日本的鷹計(jì)劃以及澳大利亞的零排放發(fā)電等技術(shù)均計(jì)劃采用IGCC作為基礎(chǔ)，進(jìn)行燃燒前的脫碳(見(jiàn)表1)。

表1 IGCC商業(yè)運(yùn)行可行

2 富氧燃燒技術(shù)

富氧燃燒技術(shù)也被稱作O2/CO2燃燒技術(shù)或空氣分離/煙氣再循環(huán)技術(shù)。該方法用空氣分離獲得的氧氣和一部分鍋爐排氣構(gòu)成的混合氣體代替空氣作為燃燒時(shí)的氧化劑，燃燒排氣中CO2含量大于70%，其余為水，其量(CO2)的70% ～75%循環(huán)使用，余下的經(jīng)干燥脫水后可得濃度為95%的CO2，壓縮后可用管道輸送為商業(yè)利用。

與傳統(tǒng)煤粉爐燃燒方式向比，富氧燃燒技術(shù)在環(huán)境保護(hù)方面有著不可比擬的優(yōu)點(diǎn)［6］:

(1)富氧燃燒技術(shù)具有捕集CO2的能力，燃燒產(chǎn)物中CO2的濃度高達(dá)95%，無(wú)需進(jìn)行分離就可以直接進(jìn)行回收;廢氣排放量大幅減少，廢氣排放控制設(shè)備和費(fèi)用主要依賴于廢氣排放流量，所以富氧燃燒技術(shù)可以大幅節(jié)省費(fèi)用。

(2)富氧燃燒(O2/CO2)技術(shù)因氮?dú)饬繙p少，空氣量及煙氣量均顯著減少，故火焰溫度和黑度隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高，進(jìn)而提高了火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱;同時(shí)由于溫度提高了，將有利于燃燒反應(yīng)完全，降低燃料的燃點(diǎn)溫度和減少燃盡時(shí)間。

(3)O2/CO2燃燒過(guò)程中，高濃度CO2和H2O的存在使得混合氣體具有較高的比熱和輻射特性;大比例的煙氣循環(huán)使得鍋爐排放煙氣量降低75%左右，鍋爐的排煙熱損失大大降低。

(4)在液化處理以CO2為主的煙氣時(shí)，煙氣中的SO2首先被液化并回收，可以省去復(fù)雜昂貴的煙氣脫硫設(shè)備。

富氧燃燒技術(shù)既適合新建鍋爐，又適合舊鍋爐的改造，容易實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，部分中試規(guī)模的電廠已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)行階段。瑞典能源集團(tuán)Vattenfall已建設(shè)了世界上第1臺(tái)使用O2/CO2循環(huán)燃燒技術(shù)的燃煤示范電廠，該電廠于2008年投入運(yùn)行［7］。阿爾斯通富氧燃燒技術(shù)的火電廠試驗(yàn)項(xiàng)目——德國(guó)勃蘭登堡州黑泵電廠(Schwarze Pumpe)的30MW試驗(yàn)裝置已正式于2008年9月投入運(yùn)行。日本石川島播磨公司也建立了一個(gè)使用O2/CO2燃燒系統(tǒng)的100MW的示范電站。

3 燃燒后脫碳

燃燒后脫碳是指在燃燒后的煙氣中捕獲或者分離CO2。電廠中產(chǎn)生CO2的系統(tǒng)主要是鍋爐和燃機(jī)，現(xiàn)有的大多數(shù)火力發(fā)電技術(shù)，包括新建和改造，都只能采用燃燒后煙氣捕獲的方法進(jìn)行CO2的分離，因此燃燒后脫碳可使用的范圍非常廣。

燃燒后脫碳技術(shù)主要是利用化學(xué)吸收法，即利用CO2和吸收液之間的化學(xué)反應(yīng)將CO2從排氣中分離出來(lái)的方法。常用的吸收劑主要有:醇胺溶液(MEA)、堿溶液(氨水)、堿金屬基等。

3.1 胺吸收法

胺法吸收是指利用醇胺類溶液(MEA)的弱堿中和CO2的弱酸性的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)生成可溶于水的鹽，隨著溫度變化這一反應(yīng)是可逆的，一般在311K形成鹽，CO2被吸收;在383K反應(yīng)逆向進(jìn)行，放出CO2。MEA是一種具有高pH值的基本胺，在眾多可以得到的胺中，它的分子量是最小的，它完全溶于水并且可以被生物降解。同時(shí)，MEA吸收速度快，對(duì)CO2的吸收能力高，處理得到的CO2濃度可以高達(dá)99.6%［8］;另外，能降低溶液的再生能耗，降低設(shè)備腐蝕，完全可以滿足工業(yè)用途。胺類與CO2反應(yīng)的機(jī)理見(jiàn)公式:

國(guó)內(nèi)首座燃煤電廠煙氣CO2捕集示范工程，坐落在華能集團(tuán)北京熱電廠，共投資2800多萬(wàn)元，是為北京奧運(yùn)會(huì)獻(xiàn)禮的示范性工程。該工程采用MEA捕集燃燒后的CO2，其胺法吸收工藝如圖1所示［9］:經(jīng)過(guò)除塵、脫硫處理的煙氣通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)加壓后直接進(jìn)入吸收塔進(jìn)行吸收。在吸收塔中，煙氣自下向上流動(dòng)，與從上部入塔的吸收液形成逆流接觸，使CO2得到脫除，凈化后的煙氣從塔頂排出。而吸收了CO2的吸收劑富CO2吸收液(簡(jiǎn)稱富液)經(jīng)富液泵抽離吸收塔，在貧富液熱交換器中與貧CO2吸收液(簡(jiǎn)稱貧液)進(jìn)行熱交換后，被送入再生塔中解吸再生。富液中結(jié)合的CO2在熱的作用下被釋放，釋放的CO2氣流經(jīng)過(guò)冷凝和干燥后進(jìn)行壓縮，以便于輸送和儲(chǔ)存。再生塔底的貧液在貧液泵作用下，經(jīng)過(guò)貧富液換熱器換熱、貧液冷卻器冷卻到所需的溫度，從吸收塔頂噴入，進(jìn)行下一次的吸收。

圖1 CO2捕集試驗(yàn)示范裝置工藝流程示意

整套裝置CO2捕集率高達(dá)80% ～85%，捕集后CO2濃度已經(jīng)達(dá)到99.5%，再經(jīng)過(guò)后面的精制系統(tǒng)提純，最后純度達(dá)到99.9%食品級(jí)CO2，可用于飲料、食品行業(yè)。北京熱電廠在運(yùn)行脫碳裝置后，可減少CO2排放量3000t/a。

3.2 噴氨吸收法

氨水呈弱堿性，可以和CO2在不同溫度條件下進(jìn)行反應(yīng)。在室溫、一個(gè)大氣壓和無(wú)水蒸汽參與的反應(yīng)條件下，反應(yīng)生成NH2COONH4，NH2COONH4很容易溶解于水，產(chǎn)物是(NH4)2CO3:

通常情況下電廠煙氣中的CO2含量很高，最大可達(dá)16%，脫除過(guò)程中所需要的氨氣濃度必然很高，如設(shè)計(jì)不合理，很容易引起爆炸，因此推薦采用氨水噴淋的方法來(lái)達(dá)到脫碳的目的。燃煤煙氣氨水噴淋法減排CO2的技術(shù)是可行的，在溫度為30℃可以減排90%以上的CO2，單位質(zhì)量吸收劑吸收CO2的量達(dá)到1.2kgCO2/1kgNH3;在溫度為40℃的條件下，可以減排77%以上的C。

圖2為燃煤電廠噴氨法流程示意。電廠脫硫后的煙氣經(jīng)過(guò)換熱后，直接進(jìn)入碳化塔，省卻了制氨工業(yè)的氣化、脫硫、壓縮等步驟，并且得到的產(chǎn)物是固體NH4HCO3，NH4HCO3可以作為CO2減排過(guò)程中CO2的載體，同時(shí)它也是一種化學(xué)肥料，噴氨的成本可以全部或大部分從銷售出長(zhǎng)效NH4HCO3的利潤(rùn)中收回，十分有利于燃煤電力企業(yè)減少環(huán)境經(jīng)濟(jì)成本，形成可持續(xù)生產(chǎn)模式。吸收的CO2被包含在白色結(jié)晶狀NH4HCO3里，與其他粉末狀物質(zhì)一樣，可以通過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)送到任何地方，甚至可以通過(guò)航運(yùn)送到深海儲(chǔ)存起來(lái)。

圖2 燃煤電廠噴氨吸收法流程示意

與其他技術(shù)相比，噴氨法減排CO2技術(shù)具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也是一種很有優(yōu)勢(shì)的方法:相比于MEA，可使脫碳熱耗下降近兩個(gè)百分點(diǎn)，并且其可以帶壓再生，對(duì)后續(xù)進(jìn)一步壓縮處理更為有利;吸收能力看，氨水溶液的吸收能力為MEA溶液的2.4～3.2倍，而成本僅為MEA溶液的1/6(工業(yè)級(jí));從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度考慮，將碳酸氫氨產(chǎn)品的生產(chǎn)與CO2的脫除相結(jié)合，可以避免再生熱耗，固體碳酸氫氨作為長(zhǎng)效肥料使用生成碳酸鹽，向地下滲透也免去了CO2埋存的問(wèn)題。

3.3 堿金屬吸收法

堿金屬基吸收劑屬于低溫吸收劑，吸收劑由堿金屬(主要指Na和K)的碳酸鹽附著于高比表面積、高孔隙率、吸附性能良好的載體材料上制作而成，其碳酸化溫度為60～80℃，再生溫度為100～200℃。在該溫度下，吸收劑不易失活，多次循環(huán)后仍可保持較高的轉(zhuǎn)化率。

堿金屬基吸收劑的脫碳過(guò)程主要通過(guò)碳酸化和再生兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。

堿金屬基吸收脫碳工藝流程示意如圖3所示。火電廠鍋爐煤燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)脫硫、脫硝裝置后進(jìn)入碳酸化反應(yīng)器，在水蒸汽的參與下，煙氣中的CO2與負(fù)載型Na2CO3/K2CO3發(fā)生反應(yīng)生成NaHCO3/KHCO3，并釋放出一定的反應(yīng)熱，脫除CO2后的凈煙氣經(jīng)煙囪排入大氣;NaHCO3/KHCO3在再生反應(yīng)器中被加熱，分解生成Na2CO3/K2CO3、H2O和CO2，H2O和CO2的混合氣體經(jīng)冷凝后除去水分即可得到高純度的CO2，Na2CO3/K2CO3則重新返回碳酸化反應(yīng)器被重復(fù)利用。

圖3 堿金屬吸收法工藝流程

該系統(tǒng)可置于脫硫、脫硝設(shè)備之后，避免因硫氧化物、氮氧化物造成吸收劑大量失效。經(jīng)脫硫、脫硝后，煙氣溫度降至200℃左右，該反應(yīng)系統(tǒng)所需能量可完全由煙氣余熱提供。據(jù)報(bào)道，該方法的能耗可比傳統(tǒng)的MEA吸收法下降16%［11］，因此堿基吸收劑具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)CO2減排是一個(gè)逐步發(fā)展的過(guò)程，減排政策的實(shí)施還需要較長(zhǎng)的一段時(shí)間。那么在這段時(shí)間內(nèi)就需要我國(guó)在電力、石化等行業(yè)大力促進(jìn)聯(lián)合循環(huán)和IGCC的發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)大型煤氣化爐、燃?xì)廨啓C(jī)等關(guān)鍵設(shè)備和工業(yè)的國(guó)產(chǎn)化。雖然目前的減排成本還比較高，但隨著各國(guó)的高度重視和研究機(jī)構(gòu)的加入，CO2捕集技術(shù)會(huì)日益完善。

［1］曾憲忠，陳昌和，高保成.煙氣脫碳技術(shù)進(jìn)展［J］.化工環(huán)保，2000，20(6):12 － l7.

［2］Kuuskraa.Reviewand evaluation of the CO2capture project by the technology advisory board［M］.Carbon dioxide capture for storage indeep geologic formations－ result from the CO2capture project I.United Kingdom:Elsevier，2005.

［3］李劍鋒.高效潔凈選煤技術(shù)的應(yīng)用［J］.能源工程，2005，(3):321.

［4］朱書(shū)全，戚家偉.我國(guó)潔凈煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其發(fā)展意義［J］.選煤技術(shù)，2003，(6):47 －51.

［5］洪大劍，張德華.二氧化碳減排途徑［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2006，22(6):5－8.

［6］米翠麗，閻維平，孔凡卓.富氧燃燒技術(shù)在鍋爐節(jié)能方面的應(yīng)用探討［J］.潔凈煤技術(shù)，2009，15(1):63 －66.

［7］Vattenfall.Vatt enfall＇s CO2－ free power plant Project［EB/OL］.http://www.vattenfall.com/en/ccs/vatten falls－ CO2－ free－ power－ pl 8470497.pdf，2007-04-19.

［8］宿 輝，崔 琳.二氧化碳的吸收方法及機(jī)理研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31(8):79 －81.

［9］蔡銘，郜時(shí)旺，劉練波，等.燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集技術(shù)研究［C］.清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)協(xié)作網(wǎng)年會(huì)，昆明:2009.

［10］王陽(yáng)，賈瑩光，李振中，等.燃煤煙氣氨法CO2減排技術(shù)的研究［J］.電力設(shè)備，2009，9(5):17 －20.

［11］Green David A，Gupta Raghubir P，Turk Brian S，et al.Capture of carbon dioxide from flue gas using acyclic alkali carbonate－based process［C］.Proceedings of the Second Annual Conference on Carbon Sequestration.Alexandria:2003.

Ways to trap the emission of CO2in power plants under low－carbon economy

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，溫室氣體排放量大幅增加。溫室氣體中，CO2的排放對(duì)氣候的負(fù)面影響十分巨大，CO2排放已成為燃煤發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一。針對(duì)電力工業(yè)CO2排放狀況，介紹了幾種火電廠CO2排放捕集措施:燃燒前脫碳、富氧燃燒以及燃燒后脫碳技術(shù)，分析了各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和可行性;指出了低碳經(jīng)濟(jì)下火電廠的CO2減排方向。

溫室氣體;減排;捕集;IGCC

With the development of our country，the amount of greenhouse gases is releasing more and more.In all of released gases，CO2has the worst effect on our climate than the others，it has become the biggest obstacle of coal－ burned electronic power plant＇s development.According to CO2＇s emission status in electric power industry，several trapping measures are presented in the article，example:pre － combustion decarburization ，post－ combustion decarburization and oxyfuel combustion.Research deriction of CO2capture is also pointed out.

greenhouse gases;emission reduction;trapping;IGCC

X701.7

B

1674－8069(2011)02－014－04

2010-10-11;

2011-02-12

殷慶棟(1984-)，男，山東東膠人，助理工程師，主要從事電站鍋爐技術(shù)研究工作。E －mail:yqd@hepri.he.sgcc.com.cn