燃煤電廠CO2捕集的減排效率研究與展望

張全斌，周瓊芳

(1.浙江省能源集團有限公司，浙江省杭州市，310007；2.中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江省杭州市，310012)

0 引言

能源領(lǐng)域是最主要的CO2排放來源，2022年全球和我國能源領(lǐng)域CO2排放總量分別達(dá)到368×108t和112×108t，其中燃煤發(fā)電作為高含碳化石能源利用的重要形式，2022年我國燃煤發(fā)電的CO2排放增量達(dá)到3%[1-2]。為了順利實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，降低燃煤電廠的CO2排放強度和排放總量，我國進(jìn)行了大量理論研究和工程實踐，其中CO2捕集作為最直接的控制CO2排放技術(shù)，能有效平衡煤炭利用與CO2減排之間的矛盾，將成為我國未來燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)低碳化的技術(shù)手段之一[3]，預(yù)計2060年CO2捕集技術(shù)對我國碳中和的貢獻(xiàn)度可達(dá)10%[4]。根據(jù)國際能源署(IEA)公布的數(shù)據(jù)，截至2022年，全球CO2捕集能力達(dá)4 590×104t/a，預(yù)測到2050年，CO2捕集能力將達(dá)到76×108t/a。

近年來，我國不斷加大CO2捕獲技術(shù)的研發(fā)力度，通過開展示范項目積累了CO2捕獲技術(shù)的研發(fā)、建設(shè)和運行經(jīng)驗。2021年6月，國能集團錦界電廠CO2捕集項目投運，捕集規(guī)模15×104t/a；2023年6月，亞洲規(guī)模最大的CO2捕集項目在江蘇泰州電廠投運，捕集規(guī)模達(dá)到50×104t/a；華能集團隴東正寧電廠150×104t/a 捕集項目計劃于2024年投產(chǎn)。目前，高能耗、高成本制約著CO2捕集技術(shù)的應(yīng)用和推廣。燃煤電廠增加CO2捕集系統(tǒng)后，機組運行經(jīng)濟性有所下降，主要表現(xiàn)在CO2捕集系統(tǒng)額外的能源消耗，如汽輪機蒸汽熱量損耗、系統(tǒng)設(shè)備運轉(zhuǎn)所需的電力消耗等。有文獻(xiàn)資料顯示，燃煤電廠加裝CO2捕集系統(tǒng)需增加1.6～4.2 GJ/t CO2(即發(fā)電煤耗增加10%～20%)的能源消耗[5-6]，增加50%～100%的投資成本，每kWh成本升高29%～32%[7]。燃煤電廠CO2捕集技術(shù)是國內(nèi)研究領(lǐng)域關(guān)注的重點，鑒于CO2捕集技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用尚處于初始階段，研究主要停留在CO2捕集率、運行機理和技術(shù)經(jīng)濟性的探討層面；從研究內(nèi)容看，CO2捕集技術(shù)側(cè)重于工藝流程和技術(shù)經(jīng)濟分析[8-9]，如CO2捕集技術(shù)方案、運行機制、運行優(yōu)化以及捕集系統(tǒng)投資、能耗和度電成本分析等。目前已有的公開文獻(xiàn)多為CO2捕集技術(shù)基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)方面綜述性的研究，較少涉及CO2捕集技術(shù)減排效率分析方面的研究。

基于我國“雙碳”目標(biāo)和能源消費結(jié)構(gòu)特點，為了評價不同CO2捕集技術(shù)的能耗水平，判別CO2捕集技術(shù)的有效性和經(jīng)濟性，筆者提出了CO2捕集的減排效率概念并構(gòu)建了評價模型，以期為我國燃煤電廠CO2捕集技術(shù)的評價體系建設(shè)提供思路。

1 燃煤電廠CO2捕集技術(shù)及能耗水平分析

CO2捕集技術(shù)是將CO2進(jìn)行富集、分離和收集的技術(shù)手段，燃煤電廠CO2捕集技術(shù)一般分為燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集[10]。燃燒前捕集技術(shù)主要應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)以及煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)(IGFC)，燃燒中捕集技術(shù)主要包含富氧燃燒技術(shù)和化學(xué)鏈燃燒技術(shù)，燃燒后捕集技術(shù)以吸收分離法最為典型。CO2捕集技術(shù)分類示意如圖1所示。

圖1 CO2捕集技術(shù)分類示意

一般而言，CO2濃度越高捕集能耗越低。根據(jù)行業(yè)特性，水泥行業(yè)捕集CO2濃度為10%左右，其捕集能耗較高，最高超過6.0 GJ/t CO2；電力行業(yè)次之，捕集能耗為1.6～4.2 GJ/t CO2；煤化工和石油化工行業(yè)的CO2濃度處于85%～95% 之間，其捕集能耗可低至0.65～0.70 GJ/t CO2[6]。對于燃煤發(fā)電行業(yè)而言，燃燒后捕集技術(shù)的煙氣CO2濃度較低(9%～15%)，分壓小、體積流量大，捕集設(shè)備體積龐大、能耗較高，導(dǎo)致電廠發(fā)電效率下降8%～13%[11]；燃燒前和燃燒中捕集技術(shù)的煙氣CO2濃度高達(dá)80%～85%，有利于CO2的提純和收集，克服了燃燒后捕集技術(shù)煙氣流量大、CO2濃度低等缺點，但是富氧燃燒和IGCC均需要增設(shè)空分系統(tǒng)等耗能設(shè)備，使得燃煤電廠發(fā)電效率下降7%～12%[11-13]。

我國首套燃燒前CO2捕集裝置于2016年在華能集團天津250 MW等級IGCC示范項目試驗成功，捕集裝置采用化學(xué)吸收法，捕集單位能耗1.907 GJ/t CO2[14]；我國富氧燃燒技術(shù)尚處于研究示范階段，2015年1月華中科技大學(xué)35 MW富氧燃燒工業(yè)示范項目完成點火試驗，捕集單位電耗382.9 kWh/t CO2[15]；我國首個燃燒后CO2捕集項目于2008年在北京華能熱電廠投入使用，目前國內(nèi)90%以上的燃煤電廠CO2捕集項目采用燃燒后捕集技術(shù)[16]，其中吸收分離法的能耗水平為3～4 GJ/t CO2[17-18]。

2 CO2捕集的減排效率模型研究

根據(jù)熱力學(xué)原理，CO2捕集是一個吉布斯自由能變ΔG>0的過程，捕集過程需要消耗額外的能量，即CO2捕集會導(dǎo)致更多的CO2排放[19]。為了明晰和判斷CO2捕集技術(shù)的經(jīng)濟性，提出CO2捕集減排效率的概念。減排效率特指CO2捕集系統(tǒng)捕集單位CO2所發(fā)生的CO2有效減排量，減排效率反映捕集單位CO2需要付出的CO2增量，其值越大表明減排效果越佳。CO2捕集的減排效率計算見式(1)：

(1)

式中：α——CO2捕集的減排效率，%；

E0——CO2減排總量，t；

E1——CO2有效減排量，t；

E2——CO2排放增量，t。

CO2捕集的減排效率一般為0～1，當(dāng)α>0說明CO2捕集技術(shù)具有正效應(yīng)，若α≤0表示捕集單位CO2為無效技術(shù)。若CO2捕集系統(tǒng)的單位CO2能源消耗以標(biāo)煤耗形式進(jìn)行表示，即單位CO2捕集的噸 CO2標(biāo)煤耗通過CO2排放系數(shù)換算成單位CO2捕集的CO2排放增量，可以得到CO2捕集的減排效率，計算過程見式(2)：

(2)

式中：β——單位標(biāo)煤CO2排放系數(shù)，取2.77 25 t/t CO2(單位標(biāo)煤CO2排放系數(shù)數(shù)據(jù)來源于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》；

bf——發(fā)電標(biāo)煤耗，g/kWh；

Nt——單位CO2捕集的總能耗，kWh/t CO2；

Nq——單位CO2捕集的再生能耗，kWh/t CO2；

Nd——單位CO2捕集的電耗，kWh/t CO2；

Qq——單位CO2捕集的再生蒸汽熱耗，GJ/t CO2；

qf——汽輪機熱耗率，kJ/kWh。

其中，發(fā)電標(biāo)煤耗計算見式(3)：

(3)

式中：bg——供電標(biāo)煤耗，g/kWh；

Lfcy——廠用電率，%；

ηb——鍋爐燃燒效率，取93.5%；

ηgd——管道效率，取99%。

根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2022》，2021年我國燃煤發(fā)電機組的平均供電標(biāo)煤耗bg為301.5 g/kWh，廠用電率Lfcy為4.36%，可以計算得出平均發(fā)電標(biāo)煤耗bf為288.4 g/kWh，平均汽輪機熱耗率qf為7 822.8 kJ/kWh。

許朋江等[20]對燃煤電廠的煙氣CO2捕集系統(tǒng)進(jìn)行了能耗研究，煙氣主要組成成分為N2、CO2和O2，各組分摩爾占比分別為79%、17%和4%，排煙溫度為120 ℃，通過核算法對煙氣CO2捕集的極限能耗進(jìn)行測算，得出煙氣CO2捕集的理論極限能耗(火用)計算值為1 488.1 kJ/kmol，考慮100%的CO2捕集率，折合捕集能耗為198.9 MJ/t CO2。利用式(2)計算得出α為98%，即CO2捕集的減排效率理論極值為98%。這里需要說明的是文獻(xiàn)研究所采用的鍋爐煙氣成分及組分占比存在一定局限性，不同煤種對應(yīng)的煙氣成分及組分占比會有所不同；減排效率理論極值與發(fā)電標(biāo)煤耗正相關(guān)，隨著燃煤發(fā)電技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新，理論極值將呈現(xiàn)逐步下降的趨勢；文獻(xiàn)計算分析的理論極限能耗采用了火用的概念，火用與熱量不能一概等同。盡管火用與熱量不能簡單進(jìn)行等價替換，但從機理上測算了CO2捕集的理論極限能耗，具有較強的參考意義。

近年來，我國針對燃煤電廠CO2減排技術(shù)，開展了大量CO2捕集技術(shù)的項目示范，綜合文獻(xiàn)資料，我國各類燃煤電廠CO2捕集項目的減排效率差異較大，燃煤電廠CO2捕集的減排效率見表1。

表1 燃煤電廠CO2捕集的減排效率

由表1可以看出，從減排效率指標(biāo)看，燃燒前捕集技術(shù)減排效率最高，超過80%；燃燒后捕集技術(shù)減排效率最低，為58%～68%；燃燒中捕集技術(shù)介于二者之間。需要注意的是，近幾年燃燒后捕集技術(shù)與2008年北京華能熱電廠項目的減排效率相比有一定幅度的提升，說明燃燒后捕集技術(shù)有明顯的技術(shù)進(jìn)步。目前，我國大型燃煤電廠CO2捕集項目絕大多數(shù)采用燃燒后捕集技術(shù)的吸收分離法，如國能集團錦界電廠、國能集團泰州電廠以及正在建設(shè)中的華能集團隴東正寧電廠CO2捕集項目，吸收分離法具有工藝簡單、適用范圍廣、易于大型化和適合現(xiàn)有電廠改造實施等優(yōu)點，但存在設(shè)備投資高、再生能耗高、電耗高、運行成本高等缺點[24]。實際運行過程中，吸收分離法的再生能耗一般會高于設(shè)計值，以江油電廠300 MW機組胺溶液(MEA)吸收法CO2捕集項目為例，當(dāng)CO2捕集率為90%、吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，吸收劑再生理論計算能耗為4 GJ/t CO2，在現(xiàn)場實際測試中，當(dāng)CO2捕集率達(dá)到90%，其再生能耗遠(yuǎn)高于4 GJ/t CO2，部分時段超過了10 GJ/t CO2[25]。

開放域的自然答案生成模型的學(xué)習(xí)需要大規(guī)模學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)需要與知識庫進(jìn)行對齊(即，關(guān)聯(lián)問句和答案與特定事實三元組)。每條訓(xùn)練數(shù)據(jù)為(問句，答案，匹配事實三元組)(表示為(Q，A，T))形式的元組數(shù)據(jù)(如，Q：“詩人泰戈爾有什么成就？”，A：“印度作家，諾貝爾文學(xué)獎獲得者?！?，T：“泰戈爾，主要成就，諾貝爾文學(xué)獎”)。

以燃燒后捕集技術(shù)為例，再生能耗占總能耗的比例一般超過75%，吸收劑再生降耗提效將是吸收分離法技術(shù)創(chuàng)新的主要研發(fā)和攻關(guān)方向，隨著化學(xué)吸收劑性能、吸收解吸工藝的不斷優(yōu)化和改良，吸收分離法的減排效率逐步提高，其效率將接近和超過燃燒中捕集技術(shù)。對于燃燒中捕集技術(shù)，降低空分系統(tǒng)和CO2壓縮純化裝置的能耗，或采用多能耦合工藝降低捕集電耗將是技術(shù)研發(fā)的主要方向[26]。

3 CO2捕集的工程實踐與減排效率分析

為了突破化學(xué)吸收法再生能耗困境，篩選低能耗的吸收劑是研究重點，如液-液相變吸收劑，其與CO2反應(yīng)后產(chǎn)生富/貧液分相現(xiàn)象，CO2富液進(jìn)行再生解吸，再生能耗可降至2.1～2.3 GJ/t CO2[27]。浙能集團蘭溪電廠600 MW超臨界燃煤機組CO2捕集與礦化利用技術(shù)研發(fā)示范項目采用新型CO2液-液兩相吸收劑捕集系統(tǒng)，首次將兩相吸收劑應(yīng)用于CO2捕集工程實踐，吸收劑配方選用吸收速率和吸收容量均較好的羥乙基乙二胺與二乙二醇二甲醚，摻入一定比例的乙醇胺(MEA)以改善吸收劑再生性能，吸收劑配方實驗室理論再生能耗為2.688 GJ/t CO2[28]，設(shè)計CO2捕集能力為1.5×104t/a，CO2捕集率≥90%，CO2純度≥99%，再生能耗≤2.4 GJ/t CO2，CO2捕集電耗≤115 kWh/t CO2，CO2捕集減排效率設(shè)計值為66.3%。該CO2捕集項目于2022年3月動工，建設(shè)占地面積2 675 m2，工程總投資1 658×104元，設(shè)計運行時間5 000 h/a，項目預(yù)期年收入約766×104元，生產(chǎn)總成本約736×104元/a，收益近30×104元/a。CO2捕集系統(tǒng)設(shè)置1座吸收塔、1座水洗塔和1座再生塔，CO2捕集工藝流程示意如圖2所示。

圖2 CO2捕集工藝流程示意

由圖2可以看出，燃煤鍋爐排放的煙氣經(jīng)電廠煙氣超低排放處理系統(tǒng)和預(yù)處理系統(tǒng)處理后，由引風(fēng)機送入吸收塔，煙氣經(jīng)CO2貧液洗滌后通過水洗塔排空，CO2貧液吸收煙氣中的CO2后從塔底送入貧/富液分相器，CO2富液經(jīng)泵回收熱量后送入再生塔，CO2貧液循環(huán)至吸收塔。CO2富液在再生塔內(nèi)通過汽提和沸騰器解吸CO2，解吸出的CO2從再生塔頂排出至加氣混凝土礦化系統(tǒng)。解吸后的CO2貧液自再生塔底流出，經(jīng)CO2貧/富液換熱器換熱降溫后返回吸收塔。

2023年6月，浙能集團蘭溪電廠CO2捕集項目經(jīng)試運行后正式投運，CO2捕集系統(tǒng)實測的再生能耗為2.45 GJ/t CO2，CO2捕集電耗為112 kWh/t CO2，減排效率為66.0%。CO2捕集項目的減排效率設(shè)計值為66.3%，實際運行減排效率為66.0%，從減排效率分析來看還有一定上升空間，如調(diào)整和優(yōu)化吸收劑配方，進(jìn)一步改良吸收塔級間冷卻、富液分流、高效填料、高效換熱器和余熱梯級利用等節(jié)能技術(shù)。另外，與國內(nèi)同類型項目相比較，CO2捕集減排效率相對偏低，這與CO2捕集規(guī)模較小有關(guān)，其CO2捕集量僅1.5×104t/a，與常規(guī)600 MW燃煤機組250×104t/a(按5 000 h/a運行時間測算)的排放量存在較大差距，下一階段需進(jìn)行CO2捕集技術(shù)大型化研究。

4 CO2捕集技術(shù)減排效率展望

CO2捕集技術(shù)是我國燃煤發(fā)電行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)重要的支撐手段和技術(shù)途徑，其與先進(jìn)的超超臨界發(fā)電技術(shù)、可再生能源耦合技術(shù)配合可幫助燃煤機組實現(xiàn)CO2近零排放，預(yù)計2040年CO2捕集技術(shù)商業(yè)應(yīng)用有望得到普及，2060年全部覆蓋燃煤電廠[29-30]。以近幾年我國燃煤電廠CO2捕集的減排效率為例，CO2捕集技術(shù)減排效率為65%～80%，即現(xiàn)有CO2捕集技術(shù)需要消耗20%～35%的能源，減排效率低下影響到CO2捕集技術(shù)的應(yīng)用與推廣。為了降低CO2捕集技術(shù)的能耗水平，科研技術(shù)人員進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，如工藝流程改進(jìn)、工藝參數(shù)優(yōu)化、吸收劑改良、煙氣余熱利用以及新能源耦合等節(jié)能降耗措施。

提高CO2捕集技術(shù)的減排效率將是CO2捕集技術(shù)發(fā)展的重要主題，今后CO2捕集技術(shù)減排效率的研究重點將是提高與燃煤電廠CO2捕集應(yīng)用場景的適配性，通過CO2捕集工藝系統(tǒng)選擇和優(yōu)化，系統(tǒng)設(shè)備選型、吸收劑選擇等工作提升CO2捕集效率，減少蒸汽用量和電耗，促進(jìn)減排效率的提高。結(jié)合CO2捕集的減排效率模型，源頭上通過燃煤電廠節(jié)能降耗，提高煤炭利用效率、降低發(fā)電煤耗將是提高減排效率的重要途徑，節(jié)能提效技術(shù)將成為燃煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)重點，以先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)為例，700 ℃等級超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)比目前主流燃煤發(fā)電機組的每kWh CO2捕集排放量降低10%～13%[31-32]。鑒于燃燒前、燃燒中捕集技術(shù)在節(jié)能方面固有的技術(shù)優(yōu)勢，新建燃煤電廠優(yōu)選IGCC、富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒等CO2捕集技術(shù)。

未來，燃煤電廠CO2捕集技術(shù)建議從政策環(huán)境、科技創(chuàng)新和成本平價入手，通過項目示范和工程實踐不斷提升CO2捕集技術(shù)的減排效率。

(1)明晰燃煤發(fā)電行業(yè)CO2捕集技術(shù)戰(zhàn)略定位和發(fā)展路徑，制定CO2捕集技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的路線圖和時間表。

(2)加強CO2捕集技術(shù)研發(fā)力度，支持CO2捕集技術(shù)關(guān)鍵核心技術(shù)和裝備的研發(fā)與應(yīng)用，超前部署新一代低成本、低能耗CO2捕集技術(shù)示范，推進(jìn)CO2捕集技術(shù)代際更替，不斷提升CO2捕集減排效率。

(3)開展大規(guī)模CO2捕集示范與產(chǎn)業(yè)化集群建設(shè)，把握燃煤電廠CO2捕集技術(shù)應(yīng)用和推廣的最佳窗口期，促進(jìn)CO2捕集技術(shù)與不同碳排放領(lǐng)域及行業(yè)的技術(shù)耦合集成，積累工程經(jīng)驗和技術(shù)數(shù)據(jù)，夯實技術(shù)基礎(chǔ)。

(4)建立健全CO2捕集技術(shù)減排效率的計量和監(jiān)測體系，科學(xué)制定CO2捕集技術(shù)的能耗準(zhǔn)入指標(biāo)，引導(dǎo)CO2捕集技術(shù)向低能耗、低成本方向發(fā)展。

(5)加大CO2捕集技術(shù)相關(guān)技術(shù)攻關(guān)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度，健全激勵機制、政策法規(guī)與商業(yè)模式，提高社會資本參與的積極性，推動CO2捕集技術(shù)商業(yè)化，提升與其他低碳技術(shù)在經(jīng)濟層面的競爭能力。

5 結(jié)語

基于燃煤電廠CO2捕集技術(shù)，筆者提出了CO2減排效率概念，構(gòu)建了相關(guān)評價模型。CO2減排效率可以評價不同CO2捕集技術(shù)的能耗水平，判別CO2捕集技術(shù)的有效性和經(jīng)濟性。利用減排效率模型測算燃煤電廠CO2捕集技術(shù)的減排效率理論極值為98%，燃燒前、燃燒中和燃燒后捕集技術(shù)的減排效率分別達(dá)到80%、70%和58%～68%。經(jīng)工程應(yīng)用實踐發(fā)現(xiàn)，減排效率模型能夠簡單、高效地判別CO2捕集技術(shù)的能耗水平，滿足實際工程的評價要求，結(jié)果符合預(yù)期，具有推廣價值。

最后，筆者對CO2捕集技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望并提出相應(yīng)建議，通過增強CO2捕集技術(shù)適配性，捕集工藝系統(tǒng)選擇、優(yōu)化，系統(tǒng)設(shè)備選型、吸收劑選擇等工作可降低CO2捕集能源消耗，減少蒸汽用量、電耗，進(jìn)而使燃煤發(fā)電碳減排效率有望超過90%，助力我國“雙碳”目標(biāo)順利實現(xiàn)。