燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠實(shí)施碳捕集的可行性研究

孫路長，沈煜暉，齋滕聰，莫莉萍，牛建宇，田利娟

(1.中國華電科工集團(tuán)有限公司 環(huán)保分公司，北京　100160； 2.株式會社東芝電力系統(tǒng)社，橫濱　2220033；3.廣西師范學(xué)院 環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，南寧　530001)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠實(shí)施碳捕集的可行性研究

孫路長1，沈煜暉1，齋滕聰2，莫莉萍3，牛建宇1，田利娟1

(1.中國華電科工集團(tuán)有限公司 環(huán)保分公司，北京100160； 2.株式會社東芝電力系統(tǒng)社，橫濱2220033；3.廣西師范學(xué)院 環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，南寧530001)

摘要：以杭州某電廠390 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為對象，研究了增設(shè)碳捕集裝置的可行性。針對燃?xì)廨啓C(jī)排煙進(jìn)行了吸收液篩選，選定了一種低能耗吸收液。根據(jù)回收規(guī)模的不同，制訂了全捕集、捕集量為0.5 t/h和捕集量為1.0 t/h 3個典型方案，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。結(jié)果表明，捕集能力為1.0 t/h的方案具有可行性，且經(jīng)濟(jì)性最佳，故為推薦方案。

關(guān)鍵詞：燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)；燃汽輪機(jī)；碳捕集；二氧化碳；可行性研究

0引言

20世紀(jì)以來，隨著大規(guī)模工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境問題逐漸顯現(xiàn)，尤其是以氣候變暖為主要特征的全球性氣候變化受到廣泛關(guān)注。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報告(AR5)認(rèn)為，21世紀(jì)末期及以后的全球變暖主要是由于CO2累積排放，而化石燃料燃燒是大氣中CO2含量劇增的主要原因。2010年全球人為排放的溫室氣體中，能源供應(yīng)占34.6%，其中電氣和熱力生產(chǎn)直接排放的溫室氣體占25.0%，因此，發(fā)電部門的脫碳是實(shí)現(xiàn)2050年全球碳減排的重要組成部分[1-3]。我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤為主，發(fā)電用煤燃燒排放的CO2約占我國CO2排放總量的82.0%[4]。CO2的捕集與封存(CCS)技術(shù)是電力碳減排的主要措施。預(yù)計(jì)到2050年，燃煤電廠的發(fā)電量所占比重將大幅下降至12%，且超過90%的燃煤電廠配備CCS裝置，燃?xì)獍l(fā)電廠的比例將上升至15%，其中1/3安裝CCS設(shè)施[5]。由于CCS技術(shù)的前景廣闊，各國紛紛投入巨資開展研究。燃煤機(jī)組增設(shè)CCS裝置的較多，但燃?xì)廨啓C(jī)則很少，目前世界上僅1套燃?xì)廨啓C(jī)CCS裝置投運(yùn)，還有2個燃?xì)廨啓C(jī)CCS項(xiàng)目處于前期階段。

以杭州某電廠F級燃?xì)廨啓C(jī)煙氣機(jī)組為對象，采用技術(shù)參數(shù)對比、GT MASTER軟件流程模擬、經(jīng)濟(jì)成本核算等方法，對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(NGCC)機(jī)組增設(shè)的碳捕集裝置備選方案進(jìn)行可行性研究。

1碳捕集技術(shù)路線論證

1.1研究對象

杭州某電廠共有6臺390 MW NGCC機(jī)組，配9F燃?xì)廨啓C(jī)。以機(jī)組余熱鍋爐排煙為原料，選用合適的煙氣CO2捕集工藝，生產(chǎn)出適合地質(zhì)儲存和驅(qū)油(EOR)所需的高壓粗CO2氣體，或可回用的食品級液體CO2[6]。本項(xiàng)目燃?xì)廨啓C(jī)排煙主要成分見表1。

表1　燃?xì)廨啓C(jī)排煙主要成分　%

1.2吸收方法

目前CO2捕集技術(shù)主要有燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒3大類型，本項(xiàng)目只能采用燃燒后捕集技術(shù)。燃燒后捕集技術(shù)大致可以分為溶劑吸收法、變壓吸附法、膜分離法、低溫精餾法及催化燃燒法5種[7-13]。由于燃?xì)廨啓C(jī)排煙中CO2體積分?jǐn)?shù)很低，低溫蒸餾法無法使用；由于原料氣是常壓，故變壓吸附法也不合適；膜分離法技術(shù)尚不成熟；催化燃燒法能耗又過高；而化學(xué)吸收法選擇性強(qiáng)、提濃效果好，其中醇胺是最常用的CO2吸收劑，吸收效果顯著，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，故本項(xiàng)目選用醇胺吸收法。

圖2　三川電廠中試裝置改造流程

1.3凈化方法

吸附凈化是生產(chǎn)高純度食品級CO2的關(guān)鍵技術(shù)。針對電廠煙氣以醇胺捕集后生成的粗CO2氣體的特點(diǎn)，采用了以脫氧、脫NOx、脫水等多級凈化與淺低溫精餾提純相結(jié)合的工藝路線。主要工藝流程為：緩沖→除濕→壓縮→凈化塔→分子篩脫水→冷卻→精餾提純。

1.4精脫水方法

為保證CO2輸送和深井注入的順利、安全實(shí)施，驅(qū)油和地質(zhì)儲存所需的CO2產(chǎn)品氣需要進(jìn)行深度脫水，使氣體的露點(diǎn)降至-40 ℃以下。原料氣脫水主要方法有冷卻脫水法、溶劑吸收法及固體吸附法等。三甘醇(TEG)因脫水露點(diǎn)降低幅度大、運(yùn)行成本低、運(yùn)行可靠而得到廣泛應(yīng)用。因此，本項(xiàng)目選用TEG進(jìn)行深度脫水。

2吸收液的篩選

吸收技術(shù)是CCS技術(shù)的核心，其中吸收液的選擇又是吸收技術(shù)的關(guān)鍵。針對本項(xiàng)目，中國華電科工集團(tuán)有限公司與日本東芝集團(tuán)合作，首先進(jìn)行了吸收液小試，然后在碳捕集中試裝置上進(jìn)行了1個多月的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

2.1吸收液

吸收液為日本和光純藥工業(yè)株式會社生產(chǎn)的純度大于98%的工業(yè)級胺液。為進(jìn)行吸收劑吸收篩選，根據(jù)已有研究經(jīng)驗(yàn)首先優(yōu)選出TS-1和Absorbent-2兩種醇胺吸收劑，并選用目前應(yīng)用最為廣泛的一乙醇胺(MEA)作為參比。

2.2小試試驗(yàn)

建造了1套汽液平衡(VLE)試驗(yàn)裝置，研究胺液對體積分?jǐn)?shù)較低的CO2的吸收特性，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。吸收液中CO2的負(fù)荷通過進(jìn)、出口氣體中的CO2體積分?jǐn)?shù)差來計(jì)算，胺液與CO2的反應(yīng)熱用SETARAM DRC 演化型熱量計(jì)測量。

圖1　VLE試驗(yàn)裝置

2.3中試試驗(yàn)

碳捕集示范裝置位于日本福岡市(Fukuoka)東芝集團(tuán)旗下的三川電廠，其CO2額定捕集量為0.5 t/h。該示范裝置原料氣是電廠燃煤機(jī)組脫硫后的凈煙氣，由于燃煤機(jī)組排煙中的CO2體積分?jǐn)?shù)比燃?xì)廨啓C(jī)排煙高3倍左右，故對原中試裝置進(jìn)行改造，將原料氣中CO2體積分?jǐn)?shù)稀釋到4%左右。改造流程如圖2所示。

2.4試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1小試試驗(yàn)結(jié)果

對吸收液TS-1，Absorbent-2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的 MEA進(jìn)行了VLE試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由于單位體積吸收液所吸收的CO2量由吸收液在40 ℃(視為富液)和120 ℃(視為貧液)下的CO2載荷差決定，故分別測試了吸收劑在40 ℃和120 ℃時VLE試驗(yàn)曲線。

圖3　3種吸收劑VLE試驗(yàn)曲線

由圖3可以看出，假設(shè)40 ℃時吸收塔中CO2分壓為4 kPa，Abosrbent-2和MEA的CO2載荷約為50 L/L(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同)，遠(yuǎn)高于TS-1。假設(shè)再生塔中CO2分壓為100 kPa，此時TS-1，Absorbent-2和MEA的酸氣載荷分別為10，25，40 L/L，由此推算三者對CO2吸收能力分別為15，25，10 L/L，可知Absorbent-2的吸收能力最強(qiáng)，MEA最差。

圖4　3種吸收劑40 ℃下反應(yīng)熱曲線

圖4是40 ℃條件下測得的3種吸收液與CO2的反應(yīng)熱曲線。由圖4可知，TS-1的反應(yīng)熱最小，Absorbent-2次之，MEA最大，這表明TS-1再生熱耗最低。但需要特別指出的是，Absorbent-2的CO2負(fù)荷有效范圍更大，對于運(yùn)行工況波動的適應(yīng)性更強(qiáng)。

由以上分析可知，相對MEA而言，TS-1和Absorbent-2吸收性能更好，故將這2種吸收液分別用于中試試驗(yàn)，以測試其在實(shí)際運(yùn)行條件下的性能。

2.4.2中試試驗(yàn)

TS-1在燃煤煙氣(CO2體積分?jǐn)?shù)約為12%)碳捕集中表現(xiàn)優(yōu)異，回收能耗低至2.6 GJ/t[14]。為對比其與Absorbent-2在燃?xì)廨啓C(jī)排煙中對CO2的吸收能力，首先對中試裝置運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，然后進(jìn)行性能測試，結(jié)果見表2。由表2可知，Absorbent-2的CO2吸收性能及能耗優(yōu)于TS-1。

圖5為2種吸收液在CO2體積分?jǐn)?shù)為4%的煙氣中的回收能耗。由圖5可知，Absorbent-2的顯熱不到TS-1的一半，這是因?yàn)槠湟簹獗鹊?，吸收液流量小，相?yīng)貧、富液熱交換熱損失小。

表2　試驗(yàn)性能測試結(jié)果

圖5　CO2回收能耗對比

圖6是CO2回收率與能耗的關(guān)系，由圖6可知，Absorbent-2在CO2捕集率為60%～100%的條件下，回收能耗明顯小于TS-1，因此，更適用于CO2較低的燃?xì)廨啓C(jī)煙氣。CO2回收能耗與捕集效率基本呈正相關(guān)直線關(guān)系，捕集效率越高，能耗就越大，同時吸收液消耗也越大，裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用就越高。

圖6　CO2捕集效率與回收能耗關(guān)系

根據(jù)上述分析，本項(xiàng)目選用Absorbent-2為吸收液，確定的CO2捕集效率為70%，此時其回收能耗約為3.0 GJ/t。

3碳捕集方案的確定及主要設(shè)備

3.1碳捕集方案

按煙氣CO2捕集規(guī)模的不同，分別設(shè)計(jì)了3個方案，見表3。方案1考慮處理1臺390 MW機(jī)組全部煙氣，即全捕集方案，方案2和方案3對CO2的回收量分別為0.5，1.0 t/h，稱為小規(guī)模捕集方案。由于機(jī)組多為調(diào)峰運(yùn)行，對于全捕集方案年利用小時數(shù)取3500，對于小規(guī)模捕集方案年利用小時數(shù)取7 000。

表3　項(xiàng)目研究方案

圖7　全捕集方案工藝流程

3.2全捕集方案流程及主要設(shè)備

全捕集方案可分為2步，第1步提濃，第2步壓縮脫水，其工藝流程如圖7所示。

3.2.1提濃

來自燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐出口的煙道氣由引風(fēng)機(jī)送往水洗冷卻塔，經(jīng)洗滌、冷卻后進(jìn)入吸收塔，在吸收塔中，煙氣中的CO2被吸收液吸收，尾氣排空。吸收CO2后的富液經(jīng)貧富液換熱后進(jìn)入再生塔，在再生塔底經(jīng)蒸汽加熱，在塔內(nèi)解吸生成富含CO2的再生氣，再經(jīng)冷卻分液，得到體積分?jǐn)?shù)為97%(含飽和水)左右的粗CO2氣體。

3.2.2壓縮脫水

來自再生塔的粗CO2氣體經(jīng)緩沖及冷卻分液后進(jìn)入高壓壓縮機(jī)，經(jīng)三級壓縮加壓至6.0 MPa，經(jīng)級間冷卻分水后進(jìn)入TEG精脫水裝置，精脫水后的氣體再進(jìn)入壓縮機(jī)第4級入口并增壓至10.0 MPa，最后經(jīng)冷凝分液后由高壓管道輸送至地質(zhì)儲存或EOR用氣點(diǎn)。

由于全捕集方案處理的煙氣量和回收的CO2量均較大，為滿足設(shè)備制造的需要，將CO2吸收提濃部分相關(guān)設(shè)備設(shè)為3個單元，每個單元設(shè)備配置相同，并列運(yùn)行。其主要設(shè)備參數(shù)見表4。

表4　全捕集方案主要設(shè)備參數(shù)

表5　小規(guī)模捕集方案主要設(shè)備參數(shù)

3.3小規(guī)模捕集工藝及主要設(shè)備

小規(guī)模捕集方案均生產(chǎn)食品級液體CO2。整個工藝分為吸收提濃、壓縮精制2個工段，其中吸收提濃工藝類同全捕集方案，僅壓縮精制部分工藝與全捕集方案有所不同。其流程如圖8所示。

來自再生塔的粗CO2氣體經(jīng)緩沖、冷卻、分水后進(jìn)入壓縮機(jī)增壓至2.8 MPa左右，再經(jīng)冷卻、凈化和分子篩脫水后降溫到-12 ℃左右液化，然后在精餾塔經(jīng)微沸提純，塔底得到純度為99.9%以上的液體CO2，經(jīng)貯存后裝車或裝瓶出廠回用。小規(guī)模捕集方案主要設(shè)備參數(shù)見表5。

圖8　小規(guī)模捕集方案精制部分流程

續(xù)表

表8　增設(shè)CCS裝置后NGCC機(jī)組性能變化

4經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

4.1投資分析

根據(jù)《電力建設(shè)工程概算定額》《發(fā)電工程裝置性材料綜合預(yù)算價格》及詢價投資估算的結(jié)果見表6。其中，方案1靜態(tài)投資約為53 721萬元，動態(tài)投資為55 236萬；方案2動態(tài)投資為2 630萬；方案3動態(tài)投資為3 117萬。

表6　投資分析　萬元

由表6可知，工藝部分設(shè)備、材料和安裝費(fèi)在總投資中占比最大，約占全捕集方案總投資的58%，占小規(guī)模方案的45%～48%。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量對工藝方案進(jìn)行優(yōu)化，以降低造價。

需要特別說明的是，方案1未計(jì)算土建費(fèi)用，因電廠現(xiàn)有場地狹小也無可拆建場所，無法布置和估算，也未考慮CO2輸送管道費(fèi)用，因無場地可大規(guī)模儲存或使用CO2，無法估算輸送距離。另外，因該電廠“上大壓小”方案未定，也未計(jì)算循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改造費(fèi)用。

4.2運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)水、電、蒸汽、吸收液及填料更換費(fèi)用核算，得到項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用分析見表7。結(jié)果表明，從年運(yùn)行費(fèi)用來說，雖然方案2僅179萬元，最低，方案1為10 293萬元，最高，但從單位運(yùn)行費(fèi)用來看卻正相反，方案1最低，方案2最高。

表7　運(yùn)行費(fèi)用分析

全捕集方案除了以上直接成本外，還有因抽取大量蒸汽帶來的發(fā)電損失，利用GT MASTER軟件進(jìn)行流程模擬，結(jié)果表明NGCC機(jī)組在增加CCS后，方案1由抽蒸汽引起的發(fā)電損失約為30 431 kW，發(fā)電效率由57.76%降至57.30%；方案2和方案3引起的發(fā)電損失分別為165，330 kW，可忽略?？紤]CCS裝置本身電耗后，方案1的凈發(fā)電量下降了12.17%，方案2和方案3則只分別降低了0.10%和0.18%，性能變化統(tǒng)計(jì)見表8。

表9匯總了各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，考慮折舊費(fèi)后，方案1 CO2生產(chǎn)成本為350.17元/t，最低；方案2生產(chǎn)成本為870.72元/t，最高；方案3生產(chǎn)成本為666.74元/t，居中。

表9　各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

注：(1)運(yùn)行費(fèi)用僅含水、電、蒸汽、藥劑及填料費(fèi)用，不含人

工成本，人員由主機(jī)兼顧。

(2)單位生產(chǎn)成本指運(yùn)行費(fèi)用及折舊費(fèi)之和。

(3)折舊年限按15年計(jì)，只計(jì)固定資產(chǎn)投資。

5可行性評估

由經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析可知，方案1經(jīng)濟(jì)性最佳，方案2經(jīng)濟(jì)性最差。但由于全捕集方案存在設(shè)備布置空間嚴(yán)重不足，成品出路難找，蒸汽系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)以及汽輪機(jī)需要增容改造等難題，實(shí)際上并不具有可行性。而方案3產(chǎn)量比方案2多1倍，且投資僅多487萬元，成品CO2的生產(chǎn)成本比方案2低204元/t，整體經(jīng)濟(jì)性更佳。故綜合考慮，推薦方案3。

市場調(diào)查表明，在以杭州市為中心半徑300 km范圍內(nèi)生產(chǎn)液態(tài)CO2的大型企業(yè)共6家，每年總產(chǎn)能為100.5萬t，基本滿足了該區(qū)域的CO2需求量，其生產(chǎn)成本為300～450元/t,其中江蘇華揚(yáng)液碳有限責(zé)任公司直接自氣田取氣，生產(chǎn)成本僅200多元/t，而優(yōu)選的方案3生產(chǎn)成本達(dá)667元/t，因此，無論是從生產(chǎn)成本、產(chǎn)品種類、品牌還是運(yùn)輸成本上來看，本項(xiàng)目均無優(yōu)勢。在沒有外部政策和資金支持的情況下，長期運(yùn)行比較困難。

6結(jié)束語

對某電廠NGCC機(jī)組排煙進(jìn)行碳捕集的可行性研究過程中，選定了一種適合捕集燃?xì)廨啓C(jī)排煙中CO2的吸收液Absirbent-2，在三川電廠進(jìn)行中試試驗(yàn)，在70%捕集率下，回收能耗僅為3.0 GJ/t。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對全捕集、捕集量為0.5 t/h和1.0 t/h等3種方案進(jìn)行了詳細(xì)核算和可行性評估，得出3個方案的總投資分別為55 236，2 630，3 117萬元，生產(chǎn)成本分別為350.17，870.72，666.74元/t。

經(jīng)濟(jì)技術(shù)對比表明，方案3最佳，但該方案成本比當(dāng)?shù)仄胀–O2企業(yè)的生產(chǎn)成本高200～450元/t。為維持項(xiàng)目長期運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)加強(qiáng)與政府和國內(nèi)外碳減排機(jī)構(gòu)合作，爭取財政補(bǔ)貼、稅收減免、納入清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)和利用碳排放交易市場。

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(本文責(zé)編：弋洋)

收稿日期:2015-11-16；修回日期:2016-04-10

中圖分類號：X 701

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1951(2016)04-0001-07

作者簡介：

孫路長(1976—)，女，河南南陽人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事火電廠大氣污染控制工程設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:sunlc@chec.com.cn)。