燃煤電廠CO2捕集與封存技術(shù)分析

馬務(wù)

摘 要：國(guó)家“十三五”控制溫室氣體排放工作方案對(duì)大型發(fā)電集團(tuán)供電CO2排放強(qiáng)度提出了明確要求，即到2020年，單位供電二氧化碳排放控制在550gCO2/kWh以內(nèi)。該文對(duì)3種燃煤發(fā)電CCS技術(shù)即燃燒后、燃燒前和氧燃料CCS在國(guó)內(nèi)外研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)綜述，并提出我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)稟賦和電力生產(chǎn)以煤電為主導(dǎo)的格局，決定了在近中期未來(lái)燃煤電廠應(yīng)用CCS技術(shù)不可避免，燃煤發(fā)電企業(yè)應(yīng)針對(duì)市場(chǎng)變化，提出應(yīng)對(duì)碳減排形式的可行性方案。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠 碳捕集 IGCC 氧燃料

中圖分類號(hào)：X784 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（a）-00-04

全球氣候變暖已經(jīng)是毋庸置疑的事實(shí)，而因人類活動(dòng)所排放的溫室氣體是導(dǎo)致氣候變曖的主要原因，其中，CO2影響最大。2016年11月，全球性氣候變化協(xié)定《巴黎協(xié)議》正式生效，規(guī)定了到2100年前，將全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平以上遠(yuǎn)低于2℃的水平，并努力實(shí)現(xiàn)低于1.5℃。國(guó)務(wù)院在當(dāng)天，印發(fā)了“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知，明確提出，“到2020年，能源消費(fèi)總量控制在50億t標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費(fèi)比2015年下降15%，非化石能源比重達(dá)到15%，大型發(fā)電集團(tuán)單位供電二氧化碳排放控制在550gCO2/kWh以內(nèi)?！?/p>

1 燃煤電廠CCS技術(shù)

對(duì)于大型發(fā)電集團(tuán)，實(shí)現(xiàn)排放強(qiáng)度550gCO2/kWh的控制目標(biāo)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。表1所示是“十二五”末我國(guó)大型發(fā)電集團(tuán)和全國(guó)平均供電CO2排放強(qiáng)度。從中可以看出，對(duì)于以煤電為主導(dǎo)電源的發(fā)電集團(tuán)如大唐集團(tuán)，其供電CO2排放強(qiáng)度顯著高于全國(guó)平均，而與“十三五”規(guī)劃要求也有巨大的差距，因而，電力生產(chǎn)企業(yè)減排CO2的任務(wù)十分迫切。

能源生產(chǎn)和利用領(lǐng)域減排CO2的技術(shù)有以下5種方式：（1）提高能源效率，包括所有部門(mén)從能源生產(chǎn)供應(yīng)到終端用戶的提高能效；（2）節(jié)能；（3）向低碳（如燃煤轉(zhuǎn)為天然氣）或無(wú)碳能源（如核能）轉(zhuǎn)換；（4）利用可再生能源；（5）CO2捕集和封存（CCS）。

對(duì)于以化石燃料為主的能源系統(tǒng)，前四者是減少能源領(lǐng)域向大氣排放CO2的速度，屬于間接減排措施，而碳捕集技術(shù)則是直接減排技術(shù)。

CCS技術(shù)是指通過(guò)碳捕集技術(shù)，將能源產(chǎn)業(yè)及工業(yè)過(guò)程所產(chǎn)生的CO2分離出來(lái)，再通過(guò)管道輸送等方式送至封存點(diǎn)，注入陸地或海下深層地質(zhì)構(gòu)造中，與大氣隔絕封存起來(lái)。

整體上，CCS過(guò)程包括三大步驟：（1）CO2捕集。從燃煤煙氣中分離或捕獲CO2，并將其壓縮成液體或超臨界狀態(tài)；（2）CO2運(yùn)輸。將捕獲的CO2通過(guò)管道、船舶、鐵路、公路或其他方式運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)存點(diǎn)；（3）CO2封存。將液體CO2注入地下儲(chǔ)層體進(jìn)行地質(zhì)封存，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其目的是保證封存是有效的，也即可儲(chǔ)存在地下達(dá)數(shù)千年。

根據(jù)在燃料轉(zhuǎn)化過(guò)程中捕集CO2的位置不同，電廠CO2捕集的技術(shù)主要分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和氧燃料燃燒3種技術(shù)。燃燒前捕集是指通過(guò)氣化將煤炭轉(zhuǎn)化成煤氣，并在氣化爐后建立轉(zhuǎn)換器，將煤氣中的CO轉(zhuǎn)化為CO2、能量轉(zhuǎn)移給H2，再分離出CO2達(dá)到脫碳的目的。燃燒后捕集是將CO2從傳統(tǒng)燃煤電廠燃燒后的煙氣中捕集下來(lái)。氧燃料燃燒捕集與燃燒后捕獲一樣，是將CO2從燃煤電廠煙氣中捕集下來(lái)，所不同的是煤的燃燒采用近乎純O2替代空氣，所得到的煙氣中CO2濃度很高而便于捕集。

2 燃燒后CO2捕獲

燃燒后CO2捕獲是指從常規(guī)燃燒即煤與空氣燃燒的煙氣中分離和捕獲CO2。在3類CO2捕獲技術(shù)中，它目前是唯一在全商業(yè)容量規(guī)模的燃煤電廠示范過(guò)的CO2捕獲技術(shù)，也是最被看好可能進(jìn)入大量商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)之一。

在現(xiàn)代燃煤發(fā)電廠，鍋爐燃燒煙氣先后經(jīng)過(guò)煙氣脫硝系統(tǒng)脫除NOX、電除塵器/布袋除塵器除塵和煙氣脫硫（FGD）系統(tǒng)脫除SO2后排放。而燃燒后CCS技術(shù)的應(yīng)用一般是在燃煤電廠的污染物控制系統(tǒng)之后采用CO2捕獲系統(tǒng)，選擇性地從煙氣中分離出CO2，CO2經(jīng)壓縮至超臨界狀態(tài)，由電廠外送至地質(zhì)封存或利用（如用于油田強(qiáng)化驅(qū)油即EOR），如圖1所示。

對(duì)于煤燃燒，燃燒煙氣中包含N2、CO2、H2O、O2顆粒物及污染物成分SOX、NOX和重金屬等，其典型的組成如表2所示，其中CO2的分壓或濃度很低，而對(duì)于天然氣燃燒發(fā)電系統(tǒng)，煙氣中CO2的分壓則更低。煙氣體積大、壓力低、其中CO2的分壓低，因而導(dǎo)致燃燒后CO2捕獲系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本相對(duì)較高。此外，煙氣中的雜質(zhì)成分即使通過(guò)電廠的污染物控制系統(tǒng)也不能完全脫除，其中的SOX、NOX及O2等會(huì)影響捕獲過(guò)程及其性能，這進(jìn)一步增加了對(duì)捕獲系統(tǒng)的技術(shù)要求和應(yīng)用成本。

3 燃燒前CO2捕獲

燃煤電廠燃燒前CCS技術(shù)基于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）技術(shù)。燃煤通過(guò)氣化過(guò)程轉(zhuǎn)化成合成氣，合成氣經(jīng)冷卻凈化，合成氣在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱則用于生產(chǎn)蒸汽再通過(guò)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。燃燒前CCS是在合成氣凈化與燃燒發(fā)電環(huán)節(jié)之間集成CO2分離捕獲系統(tǒng)。IGCC是一種燃煤清潔高效的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)，CCS技術(shù)的集成應(yīng)用可使其成為近零排放的燃煤發(fā)電技術(shù)，因此，一直被認(rèn)為是具有良好應(yīng)用前景的技術(shù)。燃燒前CCS技術(shù)可應(yīng)用于IGCC電廠，也可用于天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠。

燃燒電廠燃燒前CCS基于煤的氣化。氣化是采用氧氣將煤部分氧化，生成主要由CO和H2組成的合成氣。

Coal+O2→CO+H2+H2S

針對(duì)燃煤CCS的應(yīng)用，氣化介質(zhì)一般采用空氣或由空氣分離得到的O2。合成氣再經(jīng)過(guò)水氣轉(zhuǎn)換（WGS）反應(yīng)。

CO+H2O←→CO2+H2

將CO轉(zhuǎn)化成CO2，同時(shí)生成更多的H2，在此過(guò)程中需要向系統(tǒng)內(nèi)添加水蒸氣。此后，采用一定的技術(shù)從合成氣中分離捕獲CO2同時(shí)脫硫，所得到的CO2經(jīng)壓縮后送封存或利用。而余下的富氫氣體作為燃料通過(guò)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)方式發(fā)電，或生產(chǎn)氫氣燃料。因此，從原理上，燃燒前CCS包括氣化、GWS、CO2分離、CO2壓縮和H2燃燒發(fā)電過(guò)程，此外，采用O2作為氣化介質(zhì)還需要空分制氧。

對(duì)于煤、油和天然氣發(fā)電系統(tǒng)的燃燒前CCS，其原理上是一樣的。但是，對(duì)于煤氣化發(fā)電，系統(tǒng)還需要多級(jí)氣體凈化過(guò)程，包括在WGS系統(tǒng)之前或之中從合成氣中脫除灰、在CO2分離過(guò)程中脫除硫化物及其他少量雜質(zhì)成分等。因此，燃煤電廠燃燒前CCS系統(tǒng)一般包括：（1）合成氣島，這其中包括氣化及合成氣除塵等過(guò)程；（2）CO2的分離，包括GWS、合成氣凈化、CO2的分離捕集及脫硫過(guò)程；（3） CO2壓縮；（4）發(fā)電島，實(shí)現(xiàn)氫氣燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；（5）氧氣島，進(jìn)行空氣分離制氧。

從原理過(guò)程和系統(tǒng)來(lái)看，燃燒前CCS相當(dāng)于在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電系統(tǒng)中增加和集成CCS系統(tǒng)，因此，也常稱燃煤發(fā)電的燃燒前CCS基于IGCC技術(shù)。

4 氧燃料燃燒

氧燃料燃燒是指在煤燃燒過(guò)程中使用近乎純氧氣（一般純度為95%～97%O2）取代空氣進(jìn)行燃燒，為了控制燃燒火焰溫度，部分煙氣循環(huán)回鍋爐。為了捕獲燃煤電廠的CO2，應(yīng)用該技術(shù)的主要目的是生成含高濃度CO2及H2O的煙氣，此后對(duì)煙氣進(jìn)行除濕和低溫凈化，實(shí)現(xiàn)CO2的分離。燃煤電廠應(yīng)用氧燃料燃燒技術(shù)可以通過(guò)現(xiàn)役機(jī)組的改造，也可以通過(guò)新建機(jī)組，燃燒方式是煤粉燃燒或流化床燃燒，目前開(kāi)發(fā)的氧燃料燃煤發(fā)電系統(tǒng)主要是基于氧燃料煤粉燃燒或氧燃料CFB燃燒。

圖2為所示是氧燃料煤粉燃燒發(fā)電結(jié)合CO2捕獲的發(fā)電廠系統(tǒng)示意圖，由3個(gè)主要部分組成。

（1）空分單元（ASU），制氧和提供燃燒氧氣。

（2）鍋爐和煙氣處理單元，這是發(fā)電廠系統(tǒng)部分，實(shí)現(xiàn)燃燒、傳熱、蒸汽生產(chǎn)，凈化煙氣或進(jìn)行煙氣品質(zhì)控制等。

（3）CO2處理單元，進(jìn)行CO2捕集，包括除濕、凈化、壓縮等。

氧燃料煤粉燃燒電廠基于傳統(tǒng)的煤粉燃燒發(fā)電技術(shù)，利用傳統(tǒng)的鍋爐技術(shù)進(jìn)行燃料的制備和燃燒，燃燒煙氣熱量加熱汽水工質(zhì)產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，只是鍋爐中的燃燒介質(zhì)由氧氣/再循環(huán)煙氣取代空氣。一般的，大量煙氣再循環(huán)回鍋爐，與空氣混合作為燃燒介質(zhì)，其目的除了控制燃燒火焰溫度外，還為了實(shí)現(xiàn)一定的煙氣體積以保證鍋爐的傳熱性能。煙氣再循環(huán)率一般為65%～85%，取決于系統(tǒng)漏風(fēng)和氧氣純度。鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣主要由CO2和H2O組成。煙氣經(jīng)脫硝、除塵和脫硫后進(jìn)入CO2捕獲系統(tǒng)，經(jīng)冷卻、除濕、凈化得到純CO2，CO2壓縮后外送至封存和利用。與大多數(shù)其他燃燒技術(shù)相比，氧燃料燃燒過(guò)程N(yùn)OX的生成排放少，這是該燃燒技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)之一，其主要原因是燃燒介質(zhì)中沒(méi)有N2，通過(guò)煙氣再循環(huán)，循環(huán)煙氣中的NOX在爐內(nèi)因再燃機(jī)理而被還原。因此，氧燃料燃燒煤粉爐不需要爐內(nèi)低氮燃燒控制，一般甚至也不需要煙氣脫硝系統(tǒng)，這可以簡(jiǎn)化機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)和降低成本。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造的需要，在電廠的煙氣系統(tǒng)中，再循環(huán)煙氣可以從多個(gè)不同的位置抽取，如圖2所示，氧氣也可以通過(guò)多個(gè)不同的位置注入，這些為改造或新建機(jī)組時(shí)系統(tǒng)的集成和優(yōu)化提供了靈活性。

由于煙氣中CO2濃度高，無(wú)需采用化學(xué)吸收劑或物理吸附劑。CO2處理單元包括多級(jí)壓縮和冷卻過(guò)程，在這些過(guò)程中，煙氣經(jīng)歷除濕和凈化去除雜質(zhì)包括O2、N2、Ar等。

氧燃料燃燒技術(shù)的快速發(fā)展主要得益于其幾個(gè)主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）技術(shù)簡(jiǎn)單，成熟度較高；（2）應(yīng)用范圍廣，既適應(yīng)現(xiàn)役燃煤電廠的改造也可應(yīng)用于新建電廠；（3）氧燃料燃燒對(duì)煙氣中SOX、NOX和Hg等污染物可以起到協(xié)同脫除的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

碳捕集技術(shù)是燃煤電廠減排CO2的主要技術(shù)，也是燃煤發(fā)電適應(yīng)向未來(lái)可持續(xù)能源過(guò)渡的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)稟賦和電力生產(chǎn)以煤電為主導(dǎo)的格局，決定了在近中期未來(lái)燃煤電廠應(yīng)用CCS技術(shù)不可避免。通過(guò)研發(fā)、應(yīng)用掌握各類技術(shù)，對(duì)于電力企業(yè)適應(yīng)技術(shù)和市場(chǎng)變化、應(yīng)對(duì)碳減排和適應(yīng)向低碳能源和電力生產(chǎn)過(guò)渡、保持長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展是十分重要和必要的。

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