火力發(fā)電廠碳捕集技術(shù)探討

郭江源，張志勇，姜 冉，吳 宇

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

1997 年，《京都協(xié)議書》成功簽訂，旨在通過(guò)促進(jìn)各國(guó)的CO2減排事業(yè)從而將全球平均溫度上升控制在危險(xiǎn)值以下，包括中國(guó)在內(nèi)的將近200 個(gè)國(guó)家簽署了該協(xié)議。為了緩解全球氣候的急劇變化，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》締約方于2015 年12 月在巴黎氣候變化大會(huì)上達(dá)成《巴黎協(xié)定》，目的是遏制全球氣溫的上升，盡早使CO2等溫室氣體排放量達(dá)到峰值，遠(yuǎn)期目標(biāo)是與前工業(yè)化時(shí)期相比，將全世界平均氣溫上升幅度控制在2 ℃的范圍內(nèi)，并盡可能將溫度上升幅度控制在1.5 ℃以下。2020 年9 月，在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，中國(guó)承諾努力使CO2排放量在2030 年前達(dá)到峰值，并且在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1-2]?；貧w當(dāng)下，作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，要在2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和，碳減排的壓力還是非常大的。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，發(fā)電企業(yè)是溫室氣體最大的排放源，而且也將是2050 年之前增速最快的排放源，而燃煤發(fā)電廠作為發(fā)電行業(yè)中碳排放的最重要來(lái)源，CO2的捕集勢(shì)在必行[3]。

1 碳捕集與利用

CCS（Carbon Capture and Storage，碳捕集與封存）是指將排放煙氣中的CO2進(jìn)行提純壓縮，將其運(yùn)送至適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)進(jìn)行封存，避免直接將CO2排入大氣，實(shí)現(xiàn)化石燃料的低碳利用。

CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage，碳捕集利用與儲(chǔ)存）技術(shù)是我國(guó)結(jié)合CCS 技術(shù)與實(shí)際提出的一項(xiàng)新概念，就是在CCS 基礎(chǔ)上增加了CO2的利用環(huán)節(jié)，是CCS 技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。將提純的CO2投入到新的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行利用，而不僅僅是簡(jiǎn)單地封存。與CCS 相比，CCUS 可以將CO2資源化，能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，具有更強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)操作性。目前CCUS 的概念已被廣泛接受[3]。

碳捕集技術(shù)主要包括燃燒前捕集技術(shù)、燃燒后捕集技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)，3 種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。碳捕集成本一般會(huì)占到整個(gè)CCUS 全產(chǎn)業(yè)鏈成本的70%，碳捕集的效率及其經(jīng)濟(jì)效益對(duì)CCUS 至關(guān)重要，因此，CCUS 的核心是CO2捕集，同時(shí)考慮到碳捕集技術(shù)的實(shí)用性。本文將主要介紹燃燒后CO2捕集過(guò)程中涉及的相關(guān)技術(shù)[3-4]。

表1 3 種碳捕集技術(shù)比較

2 碳捕集技術(shù)

火力發(fā)電廠煙氣燃燒后碳捕集技術(shù)主要可以分為吸附法、吸收法、膜分離法和低溫分離法等，本文就這4 種方法進(jìn)行介紹與分析。

2.1 化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法是指化學(xué)溶劑通過(guò)與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)CO2進(jìn)行吸收，而當(dāng)吸收溶劑外部條件（如溫度或壓力）發(fā)生改變時(shí)，被吸收的CO2會(huì)發(fā)生逆向解析，使吸收劑能夠循環(huán)再利用。CO2捕集流程如圖1 所示：煙氣從底部進(jìn)入脫碳吸收塔，同時(shí)吸收劑從吸收塔的頂部噴淋而下，煙氣和吸收劑在吸收塔內(nèi)接觸并發(fā)生反應(yīng)，吸收劑吸收煙氣中的CO2變成含有大量CO2的富液，富液被富液泵泵送到再生塔，被再沸器加熱至100 ℃以上，使富液分解而解析出被吸收的CO2而再次變成貧液，貧液再次進(jìn)入脫碳吸收塔進(jìn)行新一輪的循環(huán)，最終達(dá)到CO2分離與回收的目的。當(dāng)前，在研究及應(yīng)用過(guò)程中給予更多關(guān)注的化學(xué)吸收劑包括醇胺溶液、氨水和氧化鈣等。目前，化學(xué)吸收法碳捕集技術(shù)在我國(guó)燃煤電廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用[5-6]。

圖1 吸收法碳捕集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于CO2的酸性特征，最開(kāi)始研究和使用的化學(xué)吸收劑基本都是有較強(qiáng)堿性的無(wú)機(jī)溶劑，如碳酸鉀溶液和氨水。但是，在試驗(yàn)和使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)碳酸鉀溶液解析CO2時(shí)所需的溫度比較高，而且碳酸鉀溶液堿性太強(qiáng)，會(huì)對(duì)設(shè)備造成比較嚴(yán)重的腐蝕，并且伴有嚴(yán)重的發(fā)泡現(xiàn)象；氨水雖然對(duì)煙氣中的CO2有非常高捕集效率，可以達(dá)到95%以上，而且反應(yīng)過(guò)程中還可以獲得氮肥等有用的副產(chǎn)品，但是由于氨水容易揮發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有比較大的溶劑損耗，經(jīng)濟(jì)性差[7]。因此，研究人員逐步將目光轉(zhuǎn)向有機(jī)醇胺類吸收劑的開(kāi)發(fā)與研究工作，并取得了不錯(cuò)的研究成果，催生出許多醇胺法脫碳工藝，常見(jiàn)的有MEA（乙醇胺）、DEA（二乙醇胺）、MDEA（甲基二乙醇胺）及DIPA（二異丙醇胺）等工藝技術(shù)，圖2 為醇氨法脫碳的原理[7-8]。

圖2 氨醇法脫碳原理

2.2 吸附法

吸附法碳捕集技術(shù)在20 世紀(jì)90 年代早期作為化學(xué)吸收法的替代技術(shù)被提出，在30 多年來(lái)有了巨大的發(fā)展。通過(guò)分子間弱相互作用或范德華力，在一定條件下對(duì)CO2氣體進(jìn)行選擇性的吸附，再通過(guò)提升或降低溫度（壓力）的方法，將捕集的CO2解吸出來(lái)，以達(dá)到從煙氣中分離和捕集CO2的目的。吸附法一般分為變壓吸附法（PSA）、變溫吸附法（TSA）和變溫變壓吸附法（PTSA）3 類。變壓吸附法是在高壓條件下吸附CO2，低壓狀態(tài)下對(duì)CO2進(jìn)行解吸；變溫吸附法是在低溫條件下進(jìn)行CO2吸附，高溫條件下將吸附的CO2解吸釋放[9]。變壓吸附工藝是目前工業(yè)上應(yīng)用較多的工藝，由吸附、漂洗、降壓、抽真空和加壓等5個(gè)工藝流程組成[10]。

吸附過(guò)程能夠通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)，最常見(jiàn)的2 種方法是填充床法和流化床法（圖3）。填充床法是將吸附劑固定裝入塔中，煙氣在流過(guò)固定的吸附劑顆粒間的空隙時(shí)，CO2被選擇性地吸附捕集。而流化床法是當(dāng)煙氣以相對(duì)較高的流速通過(guò)吸附劑時(shí)，使吸附劑顆粒懸浮在氣流中，從而完成對(duì)CO2選擇吸附。相同的是，相對(duì)于其他成分吸附劑都選擇性地吸附更多的CO2。

圖3 吸附途徑

吸附劑是吸附法捕集CO2技術(shù)可行性的最關(guān)鍵因素。在選擇吸附劑時(shí)，需要綜合考慮吸附能力、機(jī)械強(qiáng)度、選擇吸附性、孔徑分布、溫度和壓力敏感性等因素。在工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還需要結(jié)合吸附等溫線來(lái)確定吸附劑的使用效果，利用吸附劑的動(dòng)力學(xué)特性確定循環(huán)周期的長(zhǎng)短等。常用的吸附劑有天然沸石、活性氧化鋁、分子篩、硅膠和活性炭等。

2.3 膜分離法

膜分離法是利用混合氣體中各組分在膜中溶解擴(kuò)散的速率差異，在膜兩側(cè)分壓差的作用下促使氣體進(jìn)行分離，由高壓側(cè)經(jīng)過(guò)薄膜進(jìn)入低壓側(cè)的氣體稱為滲透氣，仍留在高壓側(cè)的氣體稱為剩余氣。氣體膜分離過(guò)程如圖4 所示：混合氣中各組分在分壓的推動(dòng)下透過(guò)薄膜，滲透速率高的滲透氣在低壓側(cè)富集，滲透速率低的剩余氣在高壓側(cè)富集。對(duì)于優(yōu)先滲透CO2的分離膜而言，CO2為滲透氣，其他混合氣體均為剩余氣。

圖4 膜法分離氣體的原理

因膜法分離具有較高接觸面積、模塊性較好、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，被學(xué)者普遍認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ奶疾都夹g(shù)。膜分離法的關(guān)鍵就是膜的選擇，依據(jù)原理的不同，通常可以將膜分為吸收膜和分離膜。一般膜分離技術(shù)需要吸收膜和分離膜兩者配合，共同完成[9]。按照膜材料的不同，可以將膜分為聚合體膜和無(wú)機(jī)膜。其中聚合體膜的工作溫度不能超過(guò)150 ℃，且不耐腐蝕，因而大大限制了其在電廠碳捕集領(lǐng)域的使用。無(wú)機(jī)膜具有耐高溫、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，但存在裝配難度大的問(wèn)題[11]。

2.4 低溫分離法

低溫分離法是基于混合氣體中不同組分的溶沸點(diǎn)差異實(shí)現(xiàn)氣體分離的方法。依據(jù)CO2被捕集時(shí)的不同狀態(tài)，低溫碳捕集技術(shù)分為2 種：①液化分離法，即通過(guò)低溫冷凝或精餾，利用CO2與混合氣體中其他組分的沸點(diǎn)差異，將CO2液化并分離出來(lái)；②凝華分離法，它主要是利用CO2與混合氣體中其他組分凝華溫度的差異，降低溫度將CO2固化并分離出來(lái)。理論上，CO2低溫分離技術(shù)簡(jiǎn)單易行，但是由于在分離過(guò)程中CO2分壓會(huì)不斷減小，使CO2分離變得越來(lái)越難以進(jìn)行，最終影響CO2的回收率。對(duì)于CO2濃度較高的混合氣體，通常采用液化法進(jìn)行分離，而CO2濃度相對(duì)較低時(shí)，則可采用凝華法進(jìn)行分離。液化分離法和凝華分離法由于所需的溫度區(qū)間和分離后CO2狀態(tài)差異，所以相應(yīng)的捕集流程、制冷系統(tǒng)和分離后的處理都有著很大的不同。圖5 為CO2的三相圖。

圖5 CO2 的三相圖

低溫分離法分離得到的CO2純度高，便于運(yùn)輸，能夠在食品加工等行業(yè)直接使用，但由于需要在冷凝壓縮過(guò)程中耗費(fèi)大量能量，同時(shí)工藝設(shè)備投資費(fèi)用較高，一定程度上限制了該技術(shù)的發(fā)展（表2）。目前，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在開(kāi)展捕集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究以此來(lái)降低捕集系統(tǒng)的能耗[12]。

表2 4 種碳捕集技術(shù)的特點(diǎn)比較

3 結(jié)論

目前各項(xiàng)碳捕集技術(shù)都處在發(fā)展階段，技術(shù)都不成熟，均存在不小的技術(shù)壁壘和實(shí)際問(wèn)題，真正應(yīng)用于火力發(fā)電廠的碳排放控制還有很長(zhǎng)的路要走。取長(zhǎng)補(bǔ)短進(jìn)行技術(shù)融合或發(fā)展新技術(shù)，找出一種能耗低、占地面積小、投資費(fèi)用低、捕集效率高、CO2純度高的捕集措施，對(duì)于我國(guó)乃至世界碳捕集的研究將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。