淺談燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集工藝的近零排放

張啟陽（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,山東　東營　257026）

淺談燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集工藝的近零排放

張啟陽
（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,山東東營257026）

摘要：胺化學(xué)吸收法已廣泛應(yīng)用在燃煤電廠燃燒后捕集工藝中。有機(jī)胺吸收CO2的最佳溫度在40-50℃，且與煙氣中SO2、NOx等酸性氣體可以發(fā)生反應(yīng)，生成熱穩(wěn)定性鹽，帶來二次污染。全球幾種先進(jìn)、典型的CO2捕集工藝包中增加了對煙氣的降溫、精脫硫、吸收劑再生等環(huán)節(jié)，為碳捕集的近零排放提供工藝優(yōu)化和改進(jìn)提供導(dǎo)向。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠;二氧化碳捕集;脫硫;零排放

我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，燃煤電廠煙氣的碳捕集是CO2減排的重要對象，因此，需要在碳減排的同時(shí)，盡量減少工藝的二次污染，實(shí)現(xiàn)碳捕集的近零排放。對于燃煤電廠煙氣燃燒后捕集技術(shù)來說，有機(jī)胺化學(xué)吸收法最為成熟。吸收劑對煙氣中的酸性氣體（CO2、NOx、SOx）不專一的選擇性導(dǎo)致了藥劑的額外損耗，與此同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生熱穩(wěn)定性鹽[1]，如氨基硫酸鹽等，帶來的二次污染無法實(shí)現(xiàn)碳捕集的近零排放；此外，SO2還會(huì)影響吸收劑的降解率。相關(guān)的研究表明：對于目前研發(fā)的吸收劑來說，煙氣中SO2的濃度控制在10mg/ m3[2]。盡管我國在全球范圍內(nèi)對火力電廠大氣污染物制定的排放標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)格，SO2的排放濃度在50-200mg/m3，煙氣中SO2的濃度仍然不滿足碳捕集的要求。此外，考慮到吸收劑的最佳反應(yīng)溫度通常在40-50℃，高于電廠煙氣溫度。綜上所述，需要對燃煤電廠的煙氣進(jìn)行除硫、降溫的預(yù)處理。

殼牌康索夫、德國西門子、美國ΡowerSpаn開發(fā)的碳捕集工藝在全球處于領(lǐng)先水平。通過文獻(xiàn)調(diào)研，本文對幾種典型的碳捕集工藝的近零排放進(jìn)行簡單的闡述，為碳捕集的近零排放提供工藝優(yōu)化和改進(jìn)提出一些想法。

1　殼牌康索夫（Consolv）

殼牌康索夫(ShellCаnsolv)是SO2和CO2回收領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，其開發(fā)的吸收藥劑為可再生的有機(jī)胺溶液。殼牌的Cаnsolv作為合作伙伴參與了全球幾個(gè)著名的碳捕集與封存項(xiàng)目，如加拿大的Weyburn MidаleCO2驅(qū)油項(xiàng)目，加拿大從1990年起至今共實(shí)施了43個(gè)注CO2提高采收率項(xiàng)目，Weyburn油田的項(xiàng)目是其中最成功的例子；澳大利亞的Otwаy項(xiàng)目，這是澳大利亞第一個(gè)完整的從源到匯的碳封存研究項(xiàng)目，儲(chǔ)層為枯竭氣田和地下咸水層；英國擬建的Ρeterheаd項(xiàng)目和加拿大在建項(xiàng)目Quest，碳捕集技術(shù)采用Cаnsolv工藝；挪威蒙斯塔德碳捕集研究中心測試的工藝中也有Cаnsolv工藝。它的碳捕集工藝包中提出：電廠煙氣先脫硫，再脫碳。該工藝已于14年10月在加拿大SаskΡower燃煤電廠煙氣燃燒后碳捕集（百萬噸CO2/年）示范工程中成功應(yīng)用[3]，圖中兩個(gè)方形塔，其中較矮的為脫硫吸收塔。在工藝流程中，燃煤電廠煙氣經(jīng)除塵、脫硫、脫硝處理后的煙氣首先進(jìn)入脫硫吸收塔，煙氣中的SO2濃度進(jìn)一步降低，剩余煙氣進(jìn)入脫碳吸收塔。在脫硫吸收塔形成的富液進(jìn)入脫硫再生塔，在高溫下對SO2進(jìn)行釋放。脫碳工藝與脫硫相似，但需要強(qiáng)調(diào)的是加拿大SаskΡower碳捕集示范工程中對能量進(jìn)行了梯級利用，即脫硫再生塔頂部排除的高溫、純的SO2的熱能經(jīng)過換熱器對脫碳再生塔所需的部分蒸汽進(jìn)行了加熱，以降低工藝的運(yùn)行成本。純的SO2轉(zhuǎn)化為硫酸，進(jìn)行外售。SаskΡower碳捕集示范工程每天可產(chǎn)生60噸的硫酸。

2　德國西門子（Seimens）

德國西門子碳捕集工藝包中，吸收劑為氨基酸鹽。西門子曾經(jīng)為挪威、荷蘭、阿聯(lián)酋的CO2捕集項(xiàng)目做過氨基酸鹽捕集工藝的可行性研究。該工藝在煙氣進(jìn)入吸收塔之前也是進(jìn)行了降溫和脫除SO2和NOx的預(yù)處理，通常使用NаOH溶液作為吸收劑。對SO2引起的額外的吸收劑的損耗，而是采用了氨基酸鹽的再生技術(shù)，產(chǎn)生硫酸鹽類的化肥作為副產(chǎn)品進(jìn)行銷售以及氨基酸鹽吸收劑的再生[4]。

圖1　加拿大SaskPower燃煤電廠燃燒后捕集（100萬噸CO2/年）示范項(xiàng)目

圖2　德國西門子氨基酸鹽捕集CO2的工藝

3　美國PowerSpan

美國ΡowerSpаn研發(fā)的ECO2工藝采用的是液氨捕集CO2。該工藝于2008年在美國俄亥俄州的20t/d的中試試驗(yàn)裝置上得到過驗(yàn)證，并與2012年與華能集團(tuán)在北京密云建成了2.5t/d的試驗(yàn)平臺(tái)，對該工藝進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。由于液氨也能夠捕集其他的酸性氣體，圖3給出了ΡowerSpаn開發(fā)的除塵、脫硫、脫汞和脫CO2聯(lián)合處理工藝，其中也是將脫硫工藝（ECO-SO2）安排在脫碳工藝之前。由于ECO-SO2工藝脫硫效果高于98%，煙氣經(jīng)過除塵、脫硫和脫汞后無需再進(jìn)行精脫硫。工藝過程中的副產(chǎn)品硫酸銨可以作為化肥進(jìn)行銷售[5]。

4　結(jié)語

綜上所述，對于燃煤電廠煙氣燃燒后捕集工藝來說，吸收劑不能專一的吸收煙氣中的CO2，為了減少吸收劑的消耗量，保證更少的熱穩(wěn)定鹽產(chǎn)生，需要對煙氣中的SOx進(jìn)行預(yù)處理。目前，典型的碳捕集工藝包開發(fā)商均研制過煙氣脫硫工藝，因此，采用脫硫和脫碳串聯(lián)流程以減少吸收劑的額外損耗，并降低熱穩(wěn)定性鹽的產(chǎn)生。此外，有些工藝還會(huì)對熱穩(wěn)定鹽的再生中增加硫的回收利用和吸收劑的再生工藝，實(shí)現(xiàn)資源化利用。無論是碳捕集的脫硫預(yù)處理，還是對吸收劑的再生，均會(huì)增加碳捕集工藝的運(yùn)行成本。然而，電廠在滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）的前提下又無法滿足碳捕集吸收劑對SO2和NOx的要求。因此，我國的碳捕集工藝開發(fā)商應(yīng)加速新型吸收劑的研發(fā)和優(yōu)化碳捕集工藝流程，最大限度的降低煙氣中SO2和NOx對吸收劑的影響，提升吸收劑的競爭力，真正實(shí)現(xiàn)碳捕集的近零排放。

圖3　美國PowerSpan的ECO2工藝

參考文獻(xiàn)：

[1]J.Thompson, et al.Heat stable salt accumulation and solvent degradation in a pilot-scale CO2capture process using coal combustion flue gas.Aerosol and Air Quality Research,2014(14)550-558.

[2]Puxty G.et al.A novel process concept for the capture of CO2and SO2using a single solvent and column. Energy Procedia,2014(63):703-714.

[3]K.Stephenne.Start-up of world’s first commercial postcombustion coal fired CCS project:Contribution of Shell Cansolv to SaskPower Boundary Dam ICCS project.Energy Procedia,2014(63):6106-6110.

[4]Jockenhovel T.et al.Towards commercial application of a second-generation post-combustion capture technology-Pilot plant validation of the Siemens capture process and implementation of a first demonstration case.Energy Procedia,2011(04):1451-1458.

[5]McLarnon C,et al.Testing of ammonia based CO2capture with multi-pollutant control technology.Energy Procedia,2009(01):1027-1034.

作者簡介：張啟陽，高級工程師，研究方向：煙道氣脫硫脫碳處理技術(shù)以及油田地面工程技術(shù)。