火電廠 CO2捕集與封存技術(shù)探討

要建軍

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司能源動力總廠,山西太原 030003)

火電廠 CO2捕集與封存技術(shù)探討

要建軍

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司能源動力總廠,山西太原 030003)

火電廠 CO2減排技術(shù)主要包括燃燒前處理、燃燒中減排及燃燒后捕集三類。介紹了 IGCC、富氧燃燒、胺吸收法、生物法等 CO2捕集與封存技術(shù),分析其存在問題及應(yīng)用前景。

CO2捕集和封存;胺吸收法;生物法

1 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 (IGCC)技術(shù)是一種清潔煤利用技術(shù)。IGCC發(fā)電系統(tǒng)是將煤氣化,在合成氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前進(jìn)行脫碳。系統(tǒng)工藝流程:將空氣分離制得的氧氣輸送至煤氣發(fā)生爐內(nèi)生成煤氣,煤氣經(jīng)除塵、脫硫、吸收 CO2后制得純凈煤氣。煤氣加壓后用于發(fā)電燃燒;對 CO2吸收液進(jìn)行解析,獲取純凈 CO2(見圖 1)。

圖1 IGCC工藝流程

目前,德國、荷蘭、英國以及澳大利亞和美國都有在建 IGCC項目,其中最大的是德國 RWE Power在科隆附近的 Godenberg in Huerth電廠,機(jī)組容量為450MW,年捕集CO2280萬 t。IGCC技術(shù)的主要優(yōu)勢是可以減少 CO2的排放量,與沒有采用 CO2捕集技術(shù)的電廠相比較,IGCC電站的建設(shè)成本昂貴。IGCC的缺點是技術(shù)不夠成熟,可靠性有待進(jìn)一步提高;操作不夠靈活,一般只能用作基本負(fù)荷電站。在國內(nèi),華能天津 IGCC示范工程將在 2011年底投運。目前我國 IGCC電站的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備均依靠進(jìn)口,如果要降低 IGCC電站建設(shè)成本,需進(jìn)一步發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù),實現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化。

2 富氧燃燒

富氧燃燒具有以下特點:燃燒充分,火焰溫度高,充分利用燃燒生成物,最大限度地減小了排煙損失;能夠獲得純度較高的 CO2,便于下一步捕存;減少NOx的排放。基本工藝流程為:空氣經(jīng)分離制得純氧,純氧被輸送到鍋爐與煤燃燒,產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電;煙氣經(jīng)除塵、脫硫脫硝、CO2壓縮等工序后獲得純凈 CO2。在德國、法國、意大利和西班牙該法已成為 CO2捕集技術(shù)的一個研究方向。

3 燃燒后脫碳

3.1 胺吸收法

一般情況下,從煙氣中分離 CO2的工藝多采用化學(xué)溶劑吸收法,該法似于燃煤電廠的煙氣脫硫,適合于現(xiàn)役燃煤電廠的 CO2捕集?；瘜W(xué)吸收法 CO2捕集技術(shù),具有 CO2捕集速度快、能力強(qiáng),煙氣處理量大、回收 CO2純度高等優(yōu)點,是比較適合的煙氣CO2捕集方法。吸收劑以胺基為主,常用的有MEA、DEA和MDEA等。盡管所使用吸收藥劑有差異,但基本原理都是相同的(見圖 2)。工藝流程為:燃煤煙氣經(jīng)冷卻塔降溫、初步吸收 CO2后,進(jìn)入胺液吸收塔,在塔內(nèi)煙氣中 CO2被二次吸收后凈煙氣經(jīng)煙囪排出;粗胺液經(jīng)過解析塔將 CO2分離出來,獲得高純度 CO2,還原的胺液再次循環(huán)。該法生產(chǎn)CO2是氣態(tài)的,需經(jīng)吸附精餾進(jìn)一步提純凈化、精餾液化,才能進(jìn)行液態(tài)儲存和運輸。

圖2 CO2胺吸收法工藝流程

3.2 生物固碳

生物 CO2捕集和封存技術(shù)是指利用生物方法減少 CO2排放量。微藻的生長需要大量的 CO2,科研人員將其利用到煙氣脫碳工藝中。在開放式的自然環(huán)境中,微藻生長速度緩慢,受溫度、光照、CO2含量等因素影響。但是在封閉的系統(tǒng)中可以利用系統(tǒng)減少微藻平面面積并加快 CO2的吸收。目前,CO2地質(zhì)封存尚存在質(zhì)疑,生物法捕集 CO2則更為安全可靠。生物法捕集 CO2技術(shù)需要政策扶持才能解決資金和技術(shù)難題。

4 工程應(yīng)用

國外對于 CO2捕集與封存技術(shù)研究較早,部分脫碳項目已投入運行,如美國 Warrior電廠年回收4.5萬 t CO2用于啤酒生產(chǎn);挪威 Statoil殼牌公司從天然氣發(fā)電廠煙氣中回收 CO2用于強(qiáng)化石油開采;澳大利亞 Tarong、Eraring、LoyYang三個電廠進(jìn)行試驗,將火電廠煙囪排出的 CO2作為原料在密閉的生物反應(yīng)器中促進(jìn)富油藻類的生長,再利用這些富油藻類作為動物飼料或者生產(chǎn)油。

華能北京熱電有限公司 3000 t/aCO2捕集示范裝置是我國第一臺工業(yè)級的燃煤電廠煙氣 CO2捕集裝置。該裝置捕集到的 CO2純度為 99.5%,進(jìn)一步精制后 CO2純度為 99.997%,達(dá)到國家食品級標(biāo)準(zhǔn),蒸汽消耗為 3.5 GJ/tCO2,電耗為 250 kW/tCO2,溶液消耗為 1.5 kg/tCO2。合川雙槐電廠煙氣實驗基地 CO2捕集裝置于 2010年 4月投運,CO2捕捉率達(dá) 95%以上,設(shè)計 CO2捕集能力 1萬 t/a。2009年7月,石洞口第二熱電廠 CO2捕集裝置動工,年生產(chǎn)食品級 CO2(純度 99.997%)10萬 t,2009-12-30完成 72 h試運行。目前,國內(nèi)正在施工建設(shè)的 CO2捕集項目有勝利油田發(fā)電廠CO2捕集項目,2009年12月動工,CO2捕集能力 3萬 t/a,CO2經(jīng)提純液化后用于提高石油采集率。

上述所有項目都屬于示范工程,都僅僅捕集排放 CO2很小的一部分,如北京熱電廠的收集量僅為0.7%。但這些示范工程意義在于積累脫碳經(jīng)驗,待條件成熟后大規(guī)模推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

CO2捕集和封存運輸技術(shù)均比較成熟,地質(zhì)存埋和工業(yè)使用亦有先例,但目前為止,世界上還沒有一座大型的完整的 CO2捕集、運輸使用的產(chǎn)業(yè)鏈, CO2捕集封存面臨的不僅僅是技術(shù)困難,成本壓力更大,其能耗高,發(fā)電成本提高 20%～30%,發(fā)電效率降低 8%～10%,這些問題必須依靠政府政策、資金及國際合作,面對日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題,CO2捕集與封存技術(shù)將成為最終選擇。

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Discussion on carbon capture and storage technologies in thermal power plants

The carbon capture and storage techno logies are divided into p re-combustion carbon reduction,carbon reduction during combustion and capture of carbon dioxide after combustion.The IGCC,oxygen-enriched com bust ion,carbon reduction after com bust ion are introduced.Its technical route and typical process are described.The existing problem s and latest development are analyzed.

Carbon Capture and Storage;am ine absorption;b io logicalmethod

X701.7

B

1674-8069(2011)03-025-02

2010-10-08;

2011-04-27

要建軍(1974-),男,山西臨汾人,大學(xué)本科,工程師,從事電廠鍋爐及環(huán)保技術(shù)工作。E-mail:yjj-741228@126.com