燃煤電廠碳捕集技術(shù)及節(jié)能優(yōu)化研究進(jìn)展

郭宇紅

（國家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保股份有限公司，重慶 401122）

0 引言

根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)顯示，2018年全球CO2排放總量為33 143×106t，其中我國CO2排放量為9 481×106t，占全球總量的28%。為應(yīng)對(duì)氣候變化，減少以CO2為主的溫室氣體排放，中國在2020年的第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布，將力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在我國，燃煤電廠是溫室氣體排放的主要來源，約占全國溫室氣體排放總量的50%[1]，對(duì)此類CO2進(jìn)行捕集和封存是應(yīng)對(duì)氣候變化和減少溫室氣體排放的重要技術(shù)手段。因此，研究燃煤電廠CO2捕集技術(shù)，并降低其能耗和成本，對(duì)于早日實(shí)現(xiàn)“3060目標(biāo)”具有重要意義。

1 燃煤電廠CO2捕集技術(shù)

燃煤電廠CO2捕集技術(shù)大致可分為燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集，其中燃燒后捕集又包括化學(xué)吸收法、物理吸收法、膜分離法和低溫分離法等[2]。

燃燒前CO2捕集技術(shù)，一般應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC（integrated gasification combined cycle）電廠，工藝流程如圖1所示。即煤經(jīng)過氣化裝置生成由CO和H2組成的合成氣，隨后CO在變換裝置中與蒸汽反應(yīng)生成CO2和H2，再通過物理或化學(xué)的分離工藝將CO2分離，進(jìn)一步壓縮儲(chǔ)存，富氫燃料進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)。燃燒前捕集一般會(huì)降低電廠發(fā)電效率約7～10個(gè)百分點(diǎn)。

圖1 燃燒前CO2捕集流程

燃燒前CO2捕集技術(shù)在我國已有工程應(yīng)用，坐落于天津的華能IGCC電廠碳捕集裝置是我國首套燃燒前CO2捕集裝置，該裝置年捕集CO2能力10萬t，CO2捕集率達(dá)90%以上。

燃燒中CO2捕集技術(shù)即富氧燃燒，工藝流程如圖2所示。即空氣先在空氣分離裝置分離出氧氣，燃料在高純度氧氣氛圍中燃燒，燃燒生成的煙氣成分主要為CO2和H2O，經(jīng)冷凝可將CO2分離，一部分煙氣通過再循環(huán)進(jìn)入鍋爐起到控制燃燒溫度的作用。由于在燃燒時(shí)采用高純度氧替代空氣作為氧化劑，所以提高了煙氣中CO2濃度，降低了CO2捕集的能耗，但由于通過空分裝置制氧會(huì)增加相應(yīng)的能耗，這樣就會(huì)使燃煤電廠發(fā)電效率降低10～12個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 燃燒中CO2捕集流程

富氧燃燒技術(shù)多處于試驗(yàn)和示范階段。華中科技大學(xué)牽頭承擔(dān)的“35 MWth富氧燃燒碳捕獲關(guān)鍵技術(shù)、裝備研發(fā)及工程示范”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目在2016年通過驗(yàn)收。該示范工程在富氧干循環(huán)條件下干煙氣CO2體積分?jǐn)?shù)可穩(wěn)定在80%以上。華中科技大學(xué)的趙海波[3]等通過建立模型，對(duì)2×300 MW富氧燃燒機(jī)組進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，得出單位功率CO2捕集量為0.737 5 t/（MW·h），CO2捕集成本為135.06元/t。

燃燒后CO2捕集技術(shù)流程如圖3所示。即煤粉與空氣在鍋爐內(nèi)燃燒，燃燒后的煙氣經(jīng)過脫硝、除塵、脫硫后進(jìn)入CO2捕集裝置，分離后的CO2壓縮儲(chǔ)存。由于燃燒時(shí)以空氣作為氧化劑，所以煙氣中含有大量的N2，CO2的濃度低，分離能耗高，一般會(huì)降低發(fā)電效率8～13個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 燃燒后CO2捕集流程

燃燒后捕集技術(shù)不改變?cè)腥紵绞剑窃谀壳皯?yīng)用最廣泛的技術(shù)，已有多個(gè)工程應(yīng)用。燃燒后CO2捕集一般采用化學(xué)吸收法，即通過將煙氣中CO2與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將CO2吸收，再通過對(duì)吸收劑加熱，將CO2分解出來。國家電投合川雙槐電廠CO2捕集裝置于2010年投運(yùn)，是我國首套萬噸級(jí)CO2捕集系統(tǒng)，該CO2捕集系統(tǒng)由國家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)建設(shè)，設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，項(xiàng)目總投資1 235萬元，與國外同等規(guī)模的裝置相比，單位投資成本下降40%左右，系統(tǒng)捕集成本約為394元/t[4]。

2 碳捕集節(jié)能優(yōu)化技術(shù)研究進(jìn)展

對(duì)于燃煤機(jī)組，基于單乙醇胺MEA（monoethanolamine）吸收劑的碳捕集技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的，但是MEA吸收劑也存在再生能耗大、吸收劑損失大、對(duì)設(shè)備腐蝕性高以及易降解產(chǎn)生污染物等問題。為了降低CO2捕集能耗，我國科研人員開展了眾多研究，研究的路線主要包括系統(tǒng)工藝參數(shù)的優(yōu)化、吸收劑的改進(jìn)、工藝流程的改進(jìn)以及新能源耦合等方式。

在系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化方面，白亞開[5]利用Aspen Plus軟件對(duì)基于MEA吸收劑的二氧化碳捕集技術(shù)進(jìn)行了能耗分析，研究了CO2捕集率、貧液負(fù)荷、吸收劑濃度、貧液入口溫度以及解吸塔壓力等因素對(duì)碳捕集系統(tǒng)能耗的影響。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)能耗隨著CO2捕集率的增高而增高；能耗隨著貧液負(fù)荷的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，并在0.24 mol/mol附近達(dá)到最小值；系統(tǒng)能耗隨著MEA吸收劑濃度的增高而降低，但考慮到設(shè)備腐蝕的問題，吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%是最佳選擇；隨著解吸塔壓力的升高，系統(tǒng)能耗逐漸減少，考慮到設(shè)備承壓能力的因素，0.19 MPa為最佳壓力；貧液入口溫度越低解吸能耗越小，但是貧液入口溫度降低會(huì)增加冷卻水量，綜合考慮40℃脫碳成本最低。通過參數(shù)優(yōu)化后，與常規(guī)參數(shù)碳捕集系統(tǒng)相比，發(fā)電效率提高了0.17%，碳捕集成本降低了4.3元/t。

在吸收劑改進(jìn)方面，主要有單一吸收劑、混合吸收劑和相變吸收劑的研究。林海周[6]等對(duì)單乙醇胺、甲基二乙醇胺MDEA（methyldiethanolamine）、2-氨基-2-甲基-1-丙醇AMP（2-amino-2-methyl-1-propanol）和哌嗪PZ（piperazine）等單一胺類吸收劑的CO2吸收特性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。研究顯示，甲基二乙醇胺具有較低的吸收反應(yīng)熱，哌嗪由于其具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，CO2吸收速率較快，同時(shí)CO2吸收容量較高。

表1 胺類吸收劑CO2吸收特性

由于單一胺類吸收無法同時(shí)滿足較高的吸收容量、較高的吸收速率以及較低的反應(yīng)熱，因此，將不同特性的吸收劑按比例混合，從而得到吸收速率、吸收容量和反應(yīng)熱俱佳的混合吸收劑是主要的研究方向之一。如國家電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司和重慶大學(xué)[7]公開了一種二氧化碳復(fù)合胺吸收劑，即在一乙醇胺（MEA）中加入活化劑，活性劑一般為哌嗪、N-（2-羥乙基）乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺或四乙烯五胺中的一種或多種混合物，得到復(fù)合胺吸收劑吸量可達(dá)0.65～1.3 mol/mol，且具有較高的吸收速率和較低的腐蝕性。

相變吸收劑在與CO2反應(yīng)或加熱后，會(huì)形成兩個(gè)不相容的液相，只有CO2捕集率超過90%的富相需要通過解吸，貧相則可直接進(jìn)吸收塔循環(huán)，可有效降低解吸能耗。張藝峰[8]通過實(shí)驗(yàn)得到了DETA/PMDETA/環(huán)丁砜相變?nèi)軇┑淖罴褜?shí)驗(yàn)配比。吸收劑和CO2反應(yīng)后，溶液分成上下2層，上層為PMDETA/環(huán)丁砜，下層為含有CO2的DETA/PMDETA/環(huán)丁砜。與傳統(tǒng)的MEA吸收劑相比，該相變吸收劑的再生顯熱和潛熱分別降低了49.4%和80.1%，再生能耗降至2.48 GJ/t，降低了35%。周小斌[9]利用DETA和PMDETA研發(fā)了新型相變胺吸收劑。通過實(shí)驗(yàn)，確定了0.5MDETA+1.5AMP+3MPMDETA（0.5D1.5A3P）的最佳配比。通過建模對(duì)再生能耗進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，改相變吸收劑再生能耗可降至1.83 GJ/t，與傳統(tǒng)MEA吸收劑相比降低了52%。

通過對(duì)碳捕集工藝流程的改進(jìn)，同樣可以達(dá)到降低碳捕集能耗的目的，常見的工藝流程改進(jìn)方法有中間冷卻（如圖5所示）和富液分流（如圖6所示）。

圖5 中間冷卻流程圖

圖6 富液分流流程圖

中間冷卻是將貧液分開并分別通過2個(gè)換熱器和冷卻器，然后將貧液送至吸收塔的進(jìn)料點(diǎn)：一個(gè)位于塔頂，另一個(gè)位于吸收塔中部。在塔中部注入較冷的貧液導(dǎo)致溫度降低，從熱力學(xué)方面來看，有利于CO2的吸收。重新注入冷的貧液而不是冷卻部分負(fù)載的溶劑使得熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力增大且進(jìn)一步改善CO2的吸收。

富液分流是基于熱力學(xué)原理，即降低驅(qū)動(dòng)力以減少溶劑再生的蒸汽消耗，同時(shí)降低CO2捕集成本。該過程與傳統(tǒng)MEA法的區(qū)別主要在于：具有分流過程的捕集過程將從吸收塔底部流出的富液分為2股，一股進(jìn)入解吸塔頂部，向下流動(dòng)，從解吸塔中部離開，先經(jīng)過貧富液換熱器與低溫貧液換熱，再經(jīng)過半貧液冷卻器進(jìn)入吸收塔中部；另一股則進(jìn)入解吸塔中部，向下流動(dòng)，從解吸塔底部離開，經(jīng)過貧富液換熱器回到吸收塔頂部。

由于基于MEA吸收劑的捕集方法，吸收劑再生所需熱能一般來自燃煤機(jī)組抽汽，除了對(duì)碳捕集系統(tǒng)自身工藝流程改進(jìn)外，還可以通過改進(jìn)燃煤電廠汽水系統(tǒng)與碳捕集系統(tǒng)的耦合，達(dá)到降低捕集能耗的目的。彭行行[10]以二次再熱機(jī)組為研究對(duì)象，開展了機(jī)組抽汽與碳捕集系統(tǒng)耦合的熱力特性研究，通過對(duì)比分析4種方案，確定了在一次再熱段進(jìn)行抽汽，在5號(hào)、6號(hào)加熱器之間回水的最佳位置，與傳統(tǒng)碳捕集方案相比系統(tǒng)循環(huán)熱效率提高了1.47%，發(fā)電煤耗率降低8.53 g/（kW·h）。

使用清潔能源與系統(tǒng)集成也是一種降低能耗的思路。郭石琪[11]以某660 MW二次再熱機(jī)組作為研究對(duì)象，通過熱經(jīng)濟(jì)性比較，并結(jié)合投資成本，確定了以太陽能系統(tǒng)用于加熱回?zé)嵯到y(tǒng)中的主凝結(jié)水，以汽輪機(jī)中壓缸排汽為捕碳系統(tǒng)中的再生熱源，做功后的蒸汽最終流入凝汽器的集成方案[12]。

3 結(jié)論

a）燃煤機(jī)組是我國碳排放的主要來源，對(duì)燃煤機(jī)組開展碳捕集是減少溫室氣體排放的重要方式。CO2捕集技術(shù)主要包括燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集，其中基于化學(xué)吸收的燃燒后捕集應(yīng)用最廣泛。

b）碳捕集系統(tǒng)能耗較高，為了降低捕集能耗，科研人員在系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化、吸收劑改進(jìn)以及工藝流程改進(jìn)等方面進(jìn)行了節(jié)能研究。單一的節(jié)能優(yōu)化方式對(duì)碳捕集系統(tǒng)降耗的貢獻(xiàn)有限，對(duì)碳捕集系統(tǒng)進(jìn)行多種節(jié)能方式的集成，對(duì)系統(tǒng)降耗十分重要。

c）開發(fā)出低能耗、低成本的碳捕集技術(shù)，是加快碳捕集技術(shù)全面進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營的前提，也是實(shí)現(xiàn)“3060”雙碳目標(biāo)的重要保障。