我國(guó)煤基電廠CO2捕集技術(shù)發(fā)展的探討

莊亮亮王萬(wàn)福陳濤于笑丹李穎

（1.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院；2.華北石油工程建設(shè)有限公司；3.中國(guó)石油大慶煉化分公司安全環(huán)保處）

我國(guó)煤基電廠CO2捕集技術(shù)發(fā)展的探討

莊亮亮1王萬(wàn)福1陳濤2于笑丹1李穎3

（1.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院；2.華北石油工程建設(shè)有限公司；3.中國(guó)石油大慶煉化分公司安全環(huán)保處）

介紹煤基電廠CO2排放的特征，并從燃燒前、燃燒后和富氧燃燒三個(gè)方面介紹了CO2捕集技術(shù)的特點(diǎn)。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外煤基電廠CO2捕集技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出我國(guó)煤基電廠CO2捕集的主要問(wèn)題，指出適合中國(guó)國(guó)情的電廠CO2捕集發(fā)展方向。最后對(duì)我國(guó)全面開(kāi)展煤基電廠CO2捕集技術(shù)基礎(chǔ)研究和工業(yè)研究提出建議。

煤基電廠；CO2捕集；整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；富氧燃燒；煙道氣

0 引 言

隨著CO2的大量排放，溫室效應(yīng)產(chǎn)生的全球氣候變暖問(wèn)題已成為當(dāng)今世界主要環(huán)境問(wèn)題之一。經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織（OECD）和國(guó)際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示［1］，現(xiàn)有電廠CO2年排放量約106億t，占全世界CO2排放總量的40.6%，其中煤基電廠76億t，占發(fā)電行業(yè)排放量的72%。因此，欲大規(guī)模降低CO2排放量，必須著力于煤基電廠。

1 煤基電廠CO2產(chǎn)排放特征分析

國(guó)內(nèi)外典型煤基電廠可分為傳統(tǒng)燃煤電廠和煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠（IGCC）。傳統(tǒng)燃煤電廠是利用煤粉燃燒加熱鍋爐使水變?yōu)樗魵馔苿?dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，其CO2為煤粉在空氣中燃燒產(chǎn)生，以煙道氣排放。煤粉燃燒煙道氣具有壓力低（接近于常壓）、CO2濃度低（10%～15%）、含有大量N2、氣體流量大的特點(diǎn)［2］，如一臺(tái)50 MW雙抽供熱機(jī)組的煙氣排放量約400 000 m3／h。傳統(tǒng)的IGCC電廠是煤在氣化爐中與氣化劑（空氣、蒸汽、氧氣）反應(yīng)形成富含CO2、CO和H2的合成煤氣，經(jīng)除塵、脫硫等凈化處理進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電［3］，其CO2為合成煤氣在空氣中燃燒產(chǎn)生，以煙道氣排放。燃燒室燃燒煙道氣與常規(guī)燃煤鍋爐比，SOX、NOX和固體顆粒的排放量低，但是其CO2排放量與超臨界燃煤電廠相比改善不大。據(jù)EPRI數(shù)據(jù)顯示［4］：IGCC單位發(fā)電排放量為719 gCO2／（k W·h），超臨界燃煤電廠單位發(fā)電排放量為774 gCO2／（k W·h），且由于都是燃燒后排放煙氣，壓力接近于常壓，排放煙氣中CO2被空氣稀釋使其濃度只有約9%［5］。

2 煤基電廠CO2捕集技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 IGCC系統(tǒng)的CO2捕集

國(guó)內(nèi)外針對(duì)IGCC系統(tǒng)的CO2捕集技術(shù)研究集中于3個(gè)方向：①燃燒后煙道氣CO2捕集。主要采用化學(xué)吸收法和物理吸收法，兩種方法需要消耗蒸汽熱或壓縮耗功，系統(tǒng)效率低，因此需要研究如何提高排放氣中CO2濃度以減小處理量或開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的捕集方法。②在合成煤氣凈化工藝中增加CO2分離過(guò)程，形成基于IGCC的CO2減排系統(tǒng)，這是目前最主要的研究?jī)?nèi)容［6］。采用物理吸收法對(duì)合成煤氣中CO2進(jìn)行分離的技術(shù)研究較深入，近年來(lái)隨著陶瓷質(zhì)子膜技術(shù)的發(fā)展，大量利用膜分離技術(shù)進(jìn)行合成煤氣CO2分離的研究也正在開(kāi)展［7］。同時(shí)根據(jù)合成煤氣CO2濃度較高（30%～40%）且具有一定壓力的特點(diǎn)，變壓吸附技術(shù)也逐漸引起研究者關(guān)注。③燃燒與CO2分離一體化。Iyer［8］將化學(xué)循環(huán)的概念應(yīng)用在煤氣化工藝中，實(shí)現(xiàn)了燃燒與CO2分離一體化的途徑，分離CO2不需要額外的能耗，可稱之為新一代能源環(huán)境動(dòng)力系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代初，美國(guó)、日本、歐盟等提出了相應(yīng)的IGCC發(fā)電發(fā)展計(jì)劃，IGCC進(jìn)入商業(yè)示范階段。到2004年，IGCC逐步從商業(yè)示范向商業(yè)應(yīng)用階段過(guò)渡，主要以純粹發(fā)電為目的。近幾年，美國(guó)、歐盟等國(guó)開(kāi)始啟動(dòng)建造IGCC系統(tǒng)與CCS一體化的商業(yè)運(yùn)行項(xiàng)目［9］。我國(guó)在IGCC商業(yè)應(yīng)用方面起步較晚，2006年開(kāi)始建立IGCC示范電站，到2012年才初步實(shí)現(xiàn)IGCC煤電化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)完善以及綠色煤電關(guān)鍵技術(shù)的示范研究，預(yù)計(jì)到2016年才能達(dá)到IGCC系統(tǒng)與CCS一體化的綠色煤電總體目標(biāo)。

2.2 富氧燃燒CO2捕集

國(guó)內(nèi)外針對(duì)富氧燃燒CO2捕集技術(shù)研究集中于富氧燃燒技術(shù)的燃燒機(jī)理，煤在O2／CO2環(huán)境下的熱解、燃燒、燃盡及污染物生成的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，O2／CO2氣氛下煤燃燒排放NOX和SO2的特性，采用富氧燃燒方式的鍋爐設(shè)備的改造方向研究預(yù)測(cè)等［10-11］。總結(jié)研究經(jīng)驗(yàn)可知，富氧燃燒技術(shù)具有較高的CO2捕集效率，且對(duì)NOX和SO2的減排有明顯效果，只要對(duì)常規(guī)鍋爐進(jìn)行簡(jiǎn)單改進(jìn)就可以實(shí)現(xiàn)［12］。但由于富氧燃燒需要大量氧氣，空分制氧成本較高，導(dǎo)致整體發(fā)電效率降低。

近期，在CO2商業(yè)利用（主要是Enhance Oil Recovery）的吸引下，加拿大、歐洲、日本、澳大利亞等國(guó)開(kāi)始利用現(xiàn)有的30～50 MW小型機(jī)組進(jìn)行改造，進(jìn)行了大量的商業(yè)示范研究。我國(guó)富氧燃燒技術(shù)起步較晚，目前還沒(méi)有相關(guān)企業(yè)對(duì)富氧燃燒CO2捕集技術(shù)進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用，主要仍處于高校、科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室研究階段，如浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)等。

2.3 煙道氣CO2捕集

國(guó)內(nèi)外針對(duì)煙道氣CO2捕集技術(shù)研究集中于：①新型高效吸收溶劑研究，如有機(jī)胺、碳酸鉀、氨水、氨基酸、離子液體等方向，其中有機(jī)胺及其混合物是主要研究方向［13］；②高效傳質(zhì)填料研究，主要針對(duì)不同填料及組合方式的工業(yè)效果［14］；③捕集工藝方面的優(yōu)化，主要研究目的是為了降低能耗。

當(dāng)前幾乎全世界已商業(yè)運(yùn)行的所有電廠排放煙道氣的CO2捕集項(xiàng)目都是采用化學(xué)吸收法［15］，主要原因?yàn)椋孩僭撓到y(tǒng)適用于低濃度的CO2分離；②化學(xué)吸收法的CO2捕集系統(tǒng)能在常溫常壓下運(yùn)行并且符合火電廠的布置規(guī)律；③實(shí)踐證明此方法可行并可商業(yè)應(yīng)用。美國(guó)、日本、歐洲和澳大利亞已經(jīng)開(kāi)展了大量商業(yè)示范研究，我國(guó)電廠燃燒后CO2捕集技術(shù)水平已經(jīng)接近國(guó)外，諸多高校和企業(yè)研究實(shí)力雄厚，已商業(yè)運(yùn)行的裝置的捕集規(guī)模從2 000 t／a到10萬(wàn)t／a，預(yù)計(jì)到2016年有望實(shí)現(xiàn)世界首套百萬(wàn)噸級(jí)裝置的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。

3 我國(guó)煤基電廠CO2捕集的主要問(wèn)題

從目前能源利用上看，中國(guó)將在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間持續(xù)把煤作為主要能源，煤粉電廠也會(huì)由于其低消耗長(zhǎng)時(shí)間被使用，若要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO2減排，發(fā)展煤基電廠CO2捕集技術(shù)很適合中國(guó)國(guó)情。

從技術(shù)發(fā)展角度看，我國(guó)在發(fā)展IGCC系統(tǒng)CO2捕集方面，主體技術(shù)依靠國(guó)外引進(jìn)，各類研究處于發(fā)展初期。目前情況來(lái)看，我國(guó)IGCC發(fā)電技術(shù)主要存在投資大、技術(shù)不成熟、運(yùn)行穩(wěn)定性難保證等問(wèn)題。在發(fā)展富氧燃燒CO2捕集方面，依靠與國(guó)外合作研發(fā)，技術(shù)還不夠成熟，距商業(yè)應(yīng)用目標(biāo)仍有很大差距。在發(fā)展燃燒后煙道氣CO2捕集方面，技術(shù)相對(duì)成熟，且已經(jīng)建立了多套工業(yè)級(jí)規(guī)模捕集裝置，目前技術(shù)可靠性已經(jīng)可以保障，但是捕集成本仍較高，如常規(guī)300～700 MW燃煤電廠CO2捕集成本為40～70美元／tCO2，而我國(guó)在經(jīng)濟(jì)上可以承受的相關(guān)費(fèi)用僅為20美元／tCO2［16-17］。

從國(guó)際壓力角度看［18］，應(yīng)對(duì)全球氣候變化，若要將未來(lái)全球溫升控制在2～3℃，2050年全球CO2排放量需要比1990年減少50%左右，這也就是屆時(shí)全球CO2排放的總空間。即使發(fā)達(dá)國(guó)家承諾減排其中的80%，發(fā)展中國(guó)家整體上也需要比2005年減排36%。中國(guó)正處于CO2排放的上升期，而煤基電廠的排放量仍占主導(dǎo)地位，國(guó)際上可能留給中國(guó)的CO2排放空間已經(jīng)非常小，面臨國(guó)際上對(duì)我國(guó)CO2排放峰值出現(xiàn)時(shí)間和絕對(duì)值的要求（譬如2030年80億t，2035年90億t，2040年100億t等），我國(guó)目前在煤基電廠CO2減排上依然處于被動(dòng)狀態(tài)。

從商業(yè)化模式角度看，目前國(guó)外回收的CO2約有40%用于生產(chǎn)化學(xué)品，35%用于油田采油，10%用于制冷，15%用于食品及其他。我國(guó)目前工業(yè)規(guī)模捕集的CO2幾乎都用于油田采油及封存試驗(yàn)，而捕集對(duì)象主要針對(duì)于燃煤電廠煙道氣，存在捕集成本高、能耗大的問(wèn)題，需要找到有更高附加值的CO2產(chǎn)品利用途徑，實(shí)現(xiàn)在電廠CO2減排的條件下盡量降低成本，從而使電廠在捕集CO2方面獲得利潤(rùn)。

從國(guó)家政策導(dǎo)向角度看，政府部門于2013年發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)碳捕集、利用和封存試驗(yàn)示范的通知》（發(fā)改氣候［2013］849號(hào)）和《“十二五”國(guó)家碳捕集利用與封存科技發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》兩部文件，直接指明了碳捕集、利用與封存（CCUS）產(chǎn)業(yè)未來(lái)商業(yè)化導(dǎo)向，而煤基電廠是被業(yè)內(nèi)人士公認(rèn)的應(yīng)用CCUS技術(shù)最成熟的領(lǐng)域。就目前我國(guó)煤基電廠CO2捕集技術(shù)的發(fā)展水平而言，技術(shù)成熟度和捕集成本等問(wèn)題還有待解決，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走。

4 我國(guó)煤基電廠CO2捕集的發(fā)展方向

我國(guó)煤基電廠CO2捕集技術(shù)的發(fā)展在國(guó)家政策導(dǎo)向的推動(dòng)下將迎來(lái)一個(gè)大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的頂峰時(shí)期，市場(chǎng)前景廣闊。發(fā)展煤基電廠CO2捕集技術(shù)不能盲目走一哄而上的產(chǎn)業(yè)化老路，應(yīng)該優(yōu)先支持發(fā)展有行業(yè)、地區(qū)特色，低成本、規(guī)模適度且近期有較大推廣價(jià)值的重點(diǎn)示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)從國(guó)外技術(shù)引進(jìn)到開(kāi)發(fā)符合我國(guó)國(guó)情的專屬技術(shù)的成功跨越。煤基電廠CO2捕集在中國(guó)還有很長(zhǎng)路要走，技術(shù)和成本問(wèn)題仍有待解決，相關(guān)部門應(yīng)該明確技術(shù)發(fā)展路線，分別從煙道氣捕集、IGCC系統(tǒng)捕集和富氧燃燒各個(gè)方面綜合考慮我國(guó)煤基電廠CO2捕集的發(fā)展方向。

燃煤煙道氣CO2捕集方面，我國(guó)在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法改變以傳統(tǒng)燃煤電廠為主這一現(xiàn)狀的情況下，應(yīng)該進(jìn)一步深入研究化學(xué)吸收法煙道氣CO2捕集技術(shù)，但研究方向不應(yīng)僅限于新型溶劑開(kāi)發(fā)、傳質(zhì)填料及工藝條件優(yōu)化方面，應(yīng)該更側(cè)重對(duì)新工藝的開(kāi)發(fā)，突破捕集費(fèi)用高這一瓶頸。借鑒Ducroux和Jean-Baptiste［18］的觀點(diǎn)，如果吸收溶劑研究不能取得突破性進(jìn)展，溶劑吸收法很快會(huì)被其他工藝技術(shù)所取代。結(jié)合相關(guān)專家、學(xué)者意見(jiàn)，要想大規(guī)模推廣燃煤電廠CO2捕集，也應(yīng)該側(cè)重于新捕集工藝的開(kāi)發(fā)，從根本上解決燃煤電廠碳捕集技術(shù)難以推廣的問(wèn)題。

IGCC系統(tǒng)的CO2捕集方面，中國(guó)政府、工業(yè)界以及學(xué)術(shù)利益相關(guān)人士一致認(rèn)為目前中國(guó)沒(méi)有能力建設(shè)大規(guī)模的包含CO2捕集的IGCC電廠［19］。考慮IGCC在清潔能源生產(chǎn)方面的顯著成效，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)大規(guī)模的空氣污染，國(guó)家對(duì)SOX、NOX排放控制重視程度將進(jìn)一步加深，而IGCC發(fā)電技術(shù)和CO2捕集一體化過(guò)程的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)了SOX、NOX的減排，可謂是一舉兩得。因此，作為未來(lái)控制CO2排放科技創(chuàng)新一體化的技術(shù)儲(chǔ)備［20］，IGCC發(fā)電和CO2捕集一體化技術(shù)的研究很有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

富氧燃燒CO2捕集方面，從各國(guó)的研究來(lái)看［21］，富氧燃燒技術(shù)投資成本、運(yùn)行成本都相對(duì)較低，只需要對(duì)傳統(tǒng)燃煤鍋爐進(jìn)行小范圍改進(jìn)即可滿足工藝條件，這些因素都很適合中國(guó)國(guó)情。富氧燃燒是目前最有可能突破煤基電廠CO2捕集費(fèi)用高這一瓶頸的新方法。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，如果捕集的CO2產(chǎn)品價(jià)格能達(dá)到17～22美元／t，富氧燃燒系統(tǒng)的用電成本就和普通的燃燒系統(tǒng)幾乎相同。而且富氧燃燒在獲得高濃度CO2的同時(shí)，通過(guò)壓縮、冷凝、液化，還可有效實(shí)現(xiàn)SOX、NOX的減排。整體來(lái)說(shuō)，富氧燃燒技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)較為成熟，但完全依靠技術(shù)引進(jìn)成本太高，因此富氧燃燒應(yīng)該成為未來(lái)我國(guó)煤基電廠CO2捕集技術(shù)的主要發(fā)展方向。

5 結(jié)論與建議

當(dāng)下全球氣候變暖問(wèn)題備受關(guān)注，我國(guó)作為CO2排放第一大國(guó)，必須加大CO2捕集技術(shù)的研究。煤基電廠作為最大的CO2排放源，必將面臨巨大減排壓力，因此發(fā)展煤基電廠CO2捕集技術(shù)勢(shì)在必行。各企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)應(yīng)繼續(xù)著力于開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的CO2捕集技術(shù)；國(guó)家應(yīng)在出臺(tái)相應(yīng)的政策導(dǎo)向后加緊研究制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)政策激勵(lì)機(jī)制；政府應(yīng)鼓勵(lì)建立統(tǒng)一的市場(chǎng)交易機(jī)制，從戰(zhàn)略布局出發(fā)，針對(duì)CO2捕集、封存及利用做出規(guī)劃，打造真正的碳減排產(chǎn)業(yè)鏈條。在不久的將來(lái)，我國(guó)的碳減排市場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)電廠減排有效益、CO2產(chǎn)品利用有效益、CO2交易有平臺(tái)的多方共贏局面。

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1005-3158（2014）03-0063-04

2014-03-24）

（編輯 李煜）

10.3969／j.issn.1005-3158.2014.03.020

莊亮亮，中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程專業(yè)在讀碩士，研究方向：燃煤電廠煙氣中CO2氣體分離回收研究。通信地址：北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)西沙屯橋西中國(guó)石油創(chuàng)新基地A座430室，102206