燃煤電廠煙氣CO2捕集技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

(重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053)

據(jù)中國(guó)科學(xué)院發(fā)布的2010年我國(guó)行業(yè)CO2排放量名單，其中電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)所占比例最大，達(dá)到40.1%。因此，降低電廠CO2的排放對(duì)于降低我國(guó)總CO2排放量具有重要的意義。近年來電廠CO2捕集與封存技術(shù)(CCS)已經(jīng)被政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)視為未來減少溫室氣體排放和應(yīng)對(duì)氣候變化的重要手段[1]。電廠CO2捕集系統(tǒng)需要增加電廠基建成本，消耗大量的能量，降低凈輸出功率，然而目前CO2捕集技術(shù)并沒有在實(shí)際電廠中大量運(yùn)用[2]。因此，有必要對(duì)燃煤電廠煙氣CO2捕集系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，為CO2捕集系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用的推廣提供理論依據(jù)。

目前，許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)CO2捕集技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性展開了研究。Gambini M.等對(duì)燃油電廠(OSC)、燃煤電廠(CSC)、聯(lián)合循環(huán)電廠(CC)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠(IGCC)、先進(jìn)混合循環(huán)電廠(AMC)這5種電廠配備CO2捕集系統(tǒng)后的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，在不考慮加壓CO2的存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)那闆r下，采用傳統(tǒng)化學(xué)吸收法將CO2加壓到150 bar時(shí)電廠的凈點(diǎn)效率下降了6%～13%，發(fā)電成本則增加了20%～42%；美國(guó)Bechtel電力公司的Ram G.Narula等對(duì)超臨界煤粉循環(huán)電廠(PCSC)、天然氣循環(huán)電廠(NGCC)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠(IGCC)和核電廠4種不同電廠進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果表明，PCSC、NGCC、IGCC在配備了CO2捕集系統(tǒng)并對(duì)CO2進(jìn)行儲(chǔ)存以后，PCSC電價(jià)由4.08 cents/kW·h上升到8.08 cents/kW·h，上升了98%。

本文選取華能北京熱電廠, 重慶合川發(fā)電有發(fā)責(zé)任公司雙槐電廠和華能上海石洞口第二電廠這3家現(xiàn)運(yùn)行的燃煤電廠CO2捕集示范裝置為研究對(duì)象，對(duì)燃煤電廠煙氣CO2捕集系統(tǒng)展開經(jīng)濟(jì)性分析。這3套CO2捕集的示范裝置均采用以乙醇胺為主的化學(xué)吸收法，這也是目前最成熟、利用范圍最廣的CO2捕集方法。

1 華能北京熱電廠CO2捕集系統(tǒng)

華能北京熱電廠是熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，包括4臺(tái)機(jī)組，選用神華低硫煤，總裝機(jī)量為845 MW，采暖供熱總量為4 900 GJ/h，可對(duì)外供應(yīng)的工業(yè)蒸汽量為500 t/h。CO2捕集系統(tǒng)煙氣來自1、2#機(jī)組濕法脫硫系統(tǒng)之后，CO2捕集規(guī)模為3 000 t/a。該CO2捕集系統(tǒng)全部采用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，投資約2 800萬，其中捕集裝置約2 400萬，精制裝置約400萬[3-4]，主要工藝流程如圖1所示。

表1中標(biāo)識(shí)了CO2捕集系統(tǒng)中主要子系統(tǒng)造價(jià)，其中煙氣吸收系統(tǒng)和CO2再生系統(tǒng)所占比例較大，分別為36.5%和47.2%；煙氣吸收系統(tǒng)中的吸收塔造價(jià)為647萬元，達(dá)到該子系統(tǒng)的63%；CO2再生系統(tǒng)的再生塔造價(jià)為820萬元，達(dá)到該子系統(tǒng)的62%。

表1 華能北京熱電廠CO2捕集系統(tǒng)主要子系統(tǒng)價(jià)格

圖1 華能北京熱電廠CO2捕集系統(tǒng)工藝流程

CO2捕集系統(tǒng)的運(yùn)行成本主要有再生蒸汽消耗、電量消耗、吸收液消耗、冷卻水等其他消耗。這些消耗帶來的成本見表2。由于人工費(fèi)、系統(tǒng)維修費(fèi)等其他費(fèi)用不會(huì)隨著系統(tǒng)容量和種類的變化有太大的變化，所以在計(jì)算運(yùn)行成本時(shí)不計(jì)在內(nèi)。由表2可知，捕集1 t CO2的運(yùn)行成本約為180元，其中再生蒸汽最高，為95元/t。根據(jù)計(jì)算，CO2捕集系統(tǒng)的投入使電價(jià)成本增加了約0.14元/kW·h。

表2 華能北京熱電廠CO2捕集系統(tǒng)消耗的成本 元/t

2 重慶合川發(fā)電有限責(zé)任公司雙槐電廠CO2捕集系統(tǒng)

該火電廠一期工程為2×300 MW發(fā)電機(jī)組，于2006年建成發(fā)電。2008年9月，在原來機(jī)組脫硫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行CO2捕集系統(tǒng)的建造，并于2010年1月投入正式運(yùn)行。該CO2捕集系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首套萬噸級(jí)CO2捕集系統(tǒng)，主要用于研究開發(fā)適合中國(guó)燃煤電廠煙氣特點(diǎn)的低成本、低能耗CO2捕集技術(shù)；開發(fā)電廠大規(guī)模CO2捕集與封存技術(shù)以及CO2資源化利用等技術(shù)的研究[7]。

該CO2捕集系統(tǒng)由原中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司自主設(shè)計(jì)建設(shè)，全部設(shè)備均為國(guó)產(chǎn)設(shè)備，系統(tǒng)總投資1 235萬元，比國(guó)外同等規(guī)模的CO2捕集系統(tǒng)單位投資成本下降40%左右，很大程度上降低了投資成本。目前這套CO2捕集系統(tǒng)年煙氣處理量3.5×107～5×107 Nm3，CO2捕集成本約為394元/t。工藝流程如圖2所示。

圖2 重慶合川雙槐火電廠CO2捕集系統(tǒng)工藝流程

該系統(tǒng)CO2捕集及液化裝置主要包括煙氣再脫硫系統(tǒng)、吸收與再生系統(tǒng)、壓縮/干燥系統(tǒng)和制冷液化系統(tǒng)(一些非標(biāo)設(shè)備如反應(yīng)塔、換熱器、各類溶液槽)、定型設(shè)備(如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、制冷設(shè)備等)及相應(yīng)連接管道組成。煙氣經(jīng)再脫硫系統(tǒng)后進(jìn)入吸收再生系統(tǒng)，所得CO2氣體經(jīng)過壓縮、干燥、液化后可得到高純度液體CO2。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 重慶合川雙槐電廠CO2捕集系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 華能上海石洞口第二電廠CO2捕集系統(tǒng)

2009年，華能上海石洞口第二電廠二期2×660 MW超超臨界機(jī)組同步建設(shè)10萬噸級(jí)CO2捕集裝置，工藝流程如圖3所示。該廠CO2捕集技術(shù)與華能北京熱電廠CO2捕集技術(shù)相同，都是采用華能所屬西安熱工研究院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的捕集技術(shù)，是目前世界規(guī)模最大的燃煤電廠CO2捕集工程。該項(xiàng)目總投資1.5億元，系統(tǒng)設(shè)備全部國(guó)產(chǎn)化，處理鍋爐煙氣量66 000 Nm3/h，約占單臺(tái)機(jī)組額定工況下煙氣總量的4%，設(shè)計(jì)年運(yùn)行時(shí)間為8 000 h，年產(chǎn)食品級(jí)CO2氣體10萬t。運(yùn)行過程中的消耗主要是再生蒸汽、電量、吸收液、冷卻水等，每捕集1 t CO2所消耗的蒸汽量和電量分別為3.5 GJ和90 kW·h，設(shè)計(jì)的CO2捕集成本是376元/t[3-4]。捕集系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

圖3 華能上海石洞口第二電廠CO2捕集系統(tǒng)工藝流程

表4 華能上海石洞口第二電廠CO2捕集系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)

4 總結(jié)

目前國(guó)內(nèi)外CO2捕集系統(tǒng)的CO2捕集量都不大，仍然處在研究試驗(yàn)階段，工業(yè)應(yīng)用還不成熟[6]。以上電廠CO2捕集系統(tǒng)都存在著設(shè)備造價(jià)高、蒸汽耗量大、電耗量大、煙氣處理量低等問題，這些是CO2捕集系統(tǒng)大規(guī)模工業(yè)運(yùn)用的主要障礙[7-8]。通過以上3個(gè)電廠CO2捕集系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析，得到以下結(jié)論。

1)CO2捕集系統(tǒng)設(shè)備投資方面，吸收塔和再生塔的設(shè)備造價(jià)最高，約占了設(shè)備總投資的一半。要降低設(shè)備投資就需要強(qiáng)化氣液接觸工藝、提高反應(yīng)速率，同時(shí)通過合理設(shè)計(jì)使設(shè)備緊湊，降低材料使用量。

2)通過CO2捕集系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行分析，以捕集1 t工業(yè)級(jí)(99.5%)CO2的運(yùn)行消耗成本為例，其中蒸汽消耗最多，其次是電耗和溶液消耗。開發(fā)廉價(jià)、低再生熱的溶液，進(jìn)行低品位熱的回收，降低蒸汽、溶液和電耗是降低電廠捕集CO2的重要路線。