火電廠(chǎng)二氧化碳捕集運(yùn)輸與封存技術(shù)研究分析

蘇暉

[摘 要]隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)的發(fā)展，二氧化碳導(dǎo)致的溫室效應(yīng)越來(lái)越受到人類(lèi)的重視?；痣姀S(chǎng)作為二氧化碳排放大戶(hù)，如何減少電廠(chǎng)二氧化碳的排放成為焦點(diǎn)。本文首先詳細(xì)闡述了燃煤電廠(chǎng)二氧化碳捕集技術(shù)路線(xiàn)：燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集和二氧化碳捕集方法：物理吸附法、物理吸收法、化學(xué)吸收法、膜分離法、低溫蒸餾法等，隨后介紹了二氧化碳運(yùn)輸技術(shù)以及二氧化碳的存儲(chǔ)技術(shù)：地質(zhì)儲(chǔ)存、海洋儲(chǔ)存、儲(chǔ)液站儲(chǔ)存、固態(tài)儲(chǔ)存和礦物碳化儲(chǔ)存技術(shù)，最后對(duì)現(xiàn)況進(jìn)行分析，提出了制約該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的原因。

[關(guān)鍵詞]碳減排、二氧化碳捕集、二氧化碳運(yùn)輸、二氧化碳儲(chǔ)存

中圖分類(lèi)號(hào)：X55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）11-0342-02

一、 研究目的及意義

隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為人類(lèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，由于大量排放二氧化碳導(dǎo)致的溫室效應(yīng)便是其中重要的一環(huán)，其帶來(lái)的危害已經(jīng)為各國(guó)政府高度關(guān)注。我國(guó)政府承諾到2020年碳排放強(qiáng)度比2005年降低40-45%，足可見(jiàn)我國(guó)對(duì)控制二氧化碳排放的決心之大。但當(dāng)前我國(guó)的能源領(lǐng)域面臨著多方挑戰(zhàn)，能源消費(fèi)增長(zhǎng)迅速，且現(xiàn)階段我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，世界一多半的煤炭為中國(guó)所用，中國(guó)60%多的煤炭用于發(fā)電，因此控制燃煤電廠(chǎng)二氧化碳的排放是我國(guó)碳減排的關(guān)鍵，研究電廠(chǎng)二氧化碳捕集運(yùn)輸和儲(chǔ)存技術(shù)顯得舉足輕重。

二、 二氧化碳的捕集技術(shù)路線(xiàn)及方法分析

燃煤電廠(chǎng)對(duì)燃料燃燒不同階段產(chǎn)生的二氧化碳的捕集分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集三條技術(shù)路線(xiàn)?，F(xiàn)階段捕集方法主要有物理吸附法、物理吸收法、化學(xué)吸收法、膜分離法、低溫蒸餾法等，使用何種捕集方法取決于二氧化碳?xì)怏w的濃度、壓力、溫度，不同類(lèi)型發(fā)電機(jī)組以及不同技術(shù)路線(xiàn)會(huì)選用不同的捕集方法。

2.1 二氧化碳捕集技術(shù)路線(xiàn)現(xiàn)狀分析

2.1.1 燃燒前捕集：燃燒前捕集技術(shù)主要應(yīng)用在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC），IGCC的工藝流程主要為：氮?dú)庾鳛閯?dòng)力氣源帶動(dòng)燃煤進(jìn)入氣化爐，與空分系統(tǒng)分離送出的純氧在氣化爐內(nèi)發(fā)生高壓富氧反應(yīng)，生成有效成分主要為一氧化碳和氫氣的混合氣體，隨后，在催化轉(zhuǎn)換器中經(jīng)過(guò)水煤氣變換后，促使一氧化碳轉(zhuǎn)換為二氧化碳并進(jìn)一步產(chǎn)生氫氣，混合氣體中二氧化碳被捕集分離，氫氣經(jīng)過(guò)凈化作為清潔的氣體燃料送入燃?xì)廨啓C(jī)用于燃燒。燃燒前捕集技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是由于混合氣體的壓力較高，可以生成濃縮的二氧化碳?xì)饬?，不用加壓便能滿(mǎn)足壓縮機(jī)對(duì)管道內(nèi)輸送氣體壓力的要求，減少能耗，同時(shí)高濃度的二氧化碳?xì)怏w有利于捕集和利用，該技術(shù)還具有捕集系統(tǒng)小、捕集效率高以及對(duì)污染物的控制方面有很大潛力的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是IGCC技術(shù)仍面臨初期投資成本高、可靠性不高的問(wèn)題，并且由于二氧化碳捕集系統(tǒng)需使用蒸汽以及壓縮機(jī)需使用額外功率會(huì)導(dǎo)致IGCC面臨發(fā)電成本增加40%、效率降低22%的問(wèn)題。該技術(shù)常采用物理溶劑吸收方法和膜分離法來(lái)捕集二氧化碳。

2.1.2 燃燒后捕集：燃燒后捕集顧名思義是在燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣中進(jìn)行二氧化碳捕集的技術(shù)。由于電廠(chǎng)煙氣中二氧化碳的濃度相對(duì)較低，該技術(shù)路線(xiàn)一般采用化學(xué)吸收法并需要使用強(qiáng)力溶劑。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是只需對(duì)現(xiàn)有燃煤機(jī)組加以改造加裝二氧化碳捕集裝置即可，不需要對(duì)機(jī)組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大面積的調(diào)整，適合運(yùn)行機(jī)組改造，并且該種技術(shù)是一種成熟的技術(shù)，缺點(diǎn)是由于煙氣中二氧化碳的濃度較低，二氧化碳的捕集費(fèi)用相對(duì)較高，同時(shí)還面臨溶劑再生需要消耗大量能量的問(wèn)題。燃燒后捕集技術(shù)還可使用物理吸附法、膜分離法和低溫蒸餾法捕集二氧化碳。

2.1.3 富氧燃燒捕集：富氧燃燒捕集顧名思義就是化石燃料在燃燒的過(guò)程中助燃劑是純氧而非空氣，這樣燃料燃燒完畢煙氣中主要含有二氧化碳和水蒸氣，只有少量的二氧化硫、碳氧化物等雜質(zhì)，把煙氣進(jìn)行脫硫、脫硝及除塵后進(jìn)行冷卻，除去其中的水蒸氣便可得到高純度的二氧化碳，純度能夠達(dá)到80%至98%，少量煙氣再循環(huán)進(jìn)入燃燒室，目的是控制火焰溫度，防止燃料在純氧中燃燒時(shí)溫度過(guò)高，并且提高了煙氣中二氧化碳的體積比。此種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是捕集成本低；由于沒(méi)有氮?dú)鈪⑴c燃燒，煙氣中氮氧化物的含量大大降低；由于是富氧燃燒，可以降低燃料的消耗量，提高熱效率，缺點(diǎn)是燃燒需要在富氧的環(huán)境下進(jìn)行，制備高純度氧的能耗很高；燃燒室需要改造；該種技術(shù)面臨的問(wèn)題很多，如煙氣再循環(huán)的參入量、氧量變化造成鍋爐燃燒調(diào)節(jié)的改變等，該種技術(shù)尚不成熟，處于示范階段。

綜上所述，三種二氧化碳捕集技術(shù)路線(xiàn)各有特點(diǎn)，燃燒前捕集技術(shù)占用場(chǎng)地小、捕集效率高但初期投資成本高，適用于IGCC電廠(chǎng)；燃燒后捕集技術(shù)對(duì)已建電廠(chǎng)改造難度小、技術(shù)相對(duì)成熟但捕集成本高；富氧燃燒捕集成本低但制氧能耗高、技術(shù)不成熟，燃燒后捕集和富氧燃燒捕集技術(shù)路線(xiàn)主要適用于傳統(tǒng)以化石能源為燃料的電廠(chǎng)，并適合老廠(chǎng)改造?，F(xiàn)階段，三種技術(shù)路線(xiàn)均未達(dá)到商業(yè)化的程度，只處于實(shí)驗(yàn)室階段或有少量的示范項(xiàng)目。

2.2 二氧化碳捕集方法介紹

2.2.1 物理吸收法

物理吸收法是利用有機(jī)溶劑在高壓下對(duì)二氧化碳的吸收量增大的機(jī)理實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)有機(jī)溶劑降壓便可以釋放二氧化碳，還原溶劑。此種方法能耗較低，要求有機(jī)溶劑具有對(duì)二氧化碳的溶解度隨壓力變大增速明顯、沸點(diǎn)高、選擇性好、無(wú)毒、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。常用的物理吸收溶劑有聚乙二醇二甲醇、甲醚、環(huán)丁砜、三乙醇胺和碳酸丙烯酯。

2.2.2 化學(xué)吸收法

化學(xué)吸收法在化工行業(yè)是一種常見(jiàn)的方法，一般二氧化碳的吸收溶劑為有機(jī)胺的水溶液。研究發(fā)現(xiàn)水對(duì)乙醇胺吸收二氧化碳的能力有提升作用，沒(méi)有水的存在，1mol乙醇胺只能吸收0.5mol二氧化碳，水存在的情況下，1mol乙醇胺能吸收1mol二氧化碳。醇胺類(lèi)化學(xué)吸收法的優(yōu)點(diǎn)為技術(shù)成熟、吸收量大、選擇性高并能同時(shí)吸收硫化氫和氮氧化物等有害氣體；缺點(diǎn)為吸收溶劑再生困難，需要消耗較高能量；對(duì)設(shè)備易腐蝕；在富氧的環(huán)境下，吸收性能大幅降低等。

2.2.3 物理吸附法

物理吸附法是利用固體吸附劑對(duì)二氧化碳進(jìn)行選擇性吸附的原理，脫除煙氣中的二氧化碳，吸附法分為變溫吸附法和變壓吸附法。固體吸附劑表面的孔徑大小、孔容和極性以及吸附材料分子量、分子大小、極性決定了該吸附劑的吸附能力，此種方法比吸收法具有吸附過(guò)程需要能量少的優(yōu)點(diǎn)，并且由于吸附過(guò)程是放熱過(guò)程，吸附劑需要通過(guò)加熱還原再生。物理吸附法對(duì)二氧化碳的捕集成本與吸收法大致相當(dāng)，但其對(duì)二氧化碳的吸附量和選擇性要更好，并且吸附劑的還原需要的能量較低，操作簡(jiǎn)單，相比吸收法更具有市場(chǎng)價(jià)值，缺點(diǎn)是進(jìn)行二氧化碳捕集前需要將混合氣體冷卻、干燥，以及除去易使吸附劑中毒的氣體，并且存在二氧化碳回收率不高以及吸附劑選擇性的問(wèn)題。常用的吸附劑有天然沸石、分子篩、活性氧化鋁、硅膠和活性炭等。

2.2.4 膜分離法

膜分離法是利用部分氣體無(wú)法穿透薄膜的原理對(duì)氣體進(jìn)行分離，此法的驅(qū)動(dòng)力是膜兩側(cè)的壓差，當(dāng)差壓達(dá)到一定值時(shí)，能夠穿透薄膜的氣體會(huì)透過(guò)薄膜，捕集氣體會(huì)留在膜內(nèi)。薄膜的氣體選擇性、壓力比、穿透氣流和總氣流的流量比決定了此薄膜的二氧化碳捕集能力。此方法在分離工業(yè)合成氨尾氣、煉油尾氣等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用，但是由于電廠(chǎng)煙氣流量大，需要膜的面積很大，投資成本高。用于捕集二氧化碳的薄膜有醋酸纖維膜、聚苯醚膜、乙基膜、聚砜膜、溴磺化聚環(huán)氧丙烷膜、沸石礦物膜等。

2.2.5 低溫蒸餾法

低溫蒸餾法是利用不同氣體的冷凝點(diǎn)不同而進(jìn)行氣體分離的，系統(tǒng)一般由壓縮機(jī)、焦耳湯普森閥、多級(jí)熱交換器和膨脹機(jī)組成，系統(tǒng)中設(shè)有不同溫度的冷阱，以此來(lái)捕集不同冷凝點(diǎn)的氣體。由于低溫蒸餾法是在液態(tài)的形態(tài)下捕集到的二氧化碳，為運(yùn)輸和儲(chǔ)存提供便捷；該方法同時(shí)還能減少水的消耗、化學(xué)試劑的使用量以及有效解決設(shè)備腐蝕等問(wèn)題，缺點(diǎn)是設(shè)備龐大、能耗大、煙氣中的粉塵易阻塞設(shè)備等，此方法一般用于分離高濃度的二氧化碳，常用于分離油田伴生氣中的二氧化碳。

2.2.6 二氧化碳捕集新方法

所謂的二氧化碳捕集新方法是指尚在實(shí)驗(yàn)室研究階段，技術(shù)尚未成熟的方法，主要有化學(xué)循環(huán)捕集法和二氧化碳水合分離法。

上述幾種二氧化碳的捕集方法各有千秋，需要根據(jù)捕集技術(shù)路線(xiàn)選擇合適的捕集方法或幾種捕集方法的集合，電廠(chǎng)的二氧化碳捕集方法大多尚在實(shí)驗(yàn)室或示范階段，需要進(jìn)一步研究論證。

三、 二氧化碳的運(yùn)輸與儲(chǔ)存技術(shù)分析

3.1 二氧化碳運(yùn)輸技術(shù)

二氧化碳經(jīng)捕集、壓縮形成超臨界流體或液體，通過(guò)鐵路、船舶、管道等輸送工具運(yùn)至目的地的過(guò)程稱(chēng)為二氧化碳的運(yùn)輸。當(dāng)運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)時(shí)（大于1000千米）管道運(yùn)輸?shù)某杀咀畹?，并且管道運(yùn)輸是一項(xiàng)成熟的商業(yè)化技術(shù)，其成本取決于管道的長(zhǎng)度、直徑、二氧化碳的壓力和地質(zhì)特點(diǎn)。

3.2 二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)

二氧化碳的存儲(chǔ)技術(shù)分為地質(zhì)儲(chǔ)存、海洋儲(chǔ)存、儲(chǔ)液站儲(chǔ)存、固態(tài)儲(chǔ)存和礦物碳化儲(chǔ)存技術(shù)。

地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)是把超臨界狀態(tài)的二氧化碳灌入油田、氣田、無(wú)法開(kāi)采的煤層、深鹽水層進(jìn)行儲(chǔ)存，這些地層必須由巖石密封，并且相對(duì)二氧化碳來(lái)說(shuō)是不可滲透的。把二氧化碳注入油田或氣田存儲(chǔ)二氧化碳的同時(shí)用以驅(qū)動(dòng)采油或氣，可以提高30%至60%的石油產(chǎn)量；注入無(wú)法開(kāi)采的煤礦可以把煤層中的煤層氣驅(qū)趕出來(lái)，增加煤層氣采集率；深鹽水層儲(chǔ)存技術(shù)由于儲(chǔ)存容量大具有最大的潛力，該方法已于1996年一家挪威的能源公司投入商業(yè)運(yùn)行。

海洋儲(chǔ)存技術(shù)是把二氧化碳輸送到海洋600米深度以下的區(qū)域，在此深度由于水的壓力能夠把二氧化碳轉(zhuǎn)換為液體，當(dāng)儲(chǔ)存深度達(dá)到3000米、溫度低于10攝氏度時(shí)，液態(tài)二氧化碳的密度會(huì)大于水的密度，并在表面形成粘稠狀薄膜，防止二氧化碳擴(kuò)散。此種技術(shù)可能會(huì)改變海洋的PH值，其對(duì)環(huán)境的危害程度未知，此種技術(shù)還在探索階段。

儲(chǔ)液站儲(chǔ)存技術(shù)是把捕集到的二氧化碳進(jìn)行凈化、干燥等處理后冷卻形成高壓、低溫的液態(tài)二氧化碳，具有效率高、氣體純度高、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)。

固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)是把二氧化碳先高壓壓縮形成液態(tài)二氧化碳，然后高壓低溫冷卻形成干冰儲(chǔ)存，由于其生產(chǎn)工藝?yán)щy且儲(chǔ)存條件費(fèi)用高，此項(xiàng)技術(shù)并不常用。

礦物碳化技術(shù)儲(chǔ)存二氧化碳是一項(xiàng)新興技術(shù)，技術(shù)原理是將二氧化碳礦物碳化固定與含方英石雜質(zhì)的鈣基膨潤(rùn)土深加工相結(jié)合，利用鈣基膨潤(rùn)土容易通過(guò)離子交換形成碳酸鈣以及堿法分離方英石過(guò)程中容易形成吸收二氧化碳溶液的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)吸收固定二氧化碳，但其預(yù)期成本遠(yuǎn)高于其他存儲(chǔ)方法，不適合開(kāi)展利用。

四、 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，制約二氧化碳捕集存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于技術(shù)不成熟和高昂成本問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)成熟、高效、低成本的二氧化碳捕集儲(chǔ)存技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展的方向。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的二氧化碳的捕集、運(yùn)輸及儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)行闡述，為未來(lái)該技術(shù)在電廠(chǎng)的成熟應(yīng)用提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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