現(xiàn)有CO2捕集技術(shù)成本分析

＊王沙沙

（中國(guó)昆侖工程有限公司 北京 100037）

隨著全球變暖，氣候變化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，如何減少CO2排放已成為全球問(wèn)題。我國(guó)能源主要為煤炭、石油和天然氣，而且以煤炭為主，可再生能源消耗約占5%，因此CO2排放量相對(duì)較大，CO2排放量較大的行業(yè)為石油化工、煤化工及電力行業(yè)等。在這些行業(yè)中，CO2排放主要為各種燃煤和燃?xì)忮仩t的排放煙氣、各種加熱爐的排放煙氣、制氫裝置、合成氨裝置、煤化工裝置中的過(guò)程氣等，2019年國(guó)內(nèi)化石能源碳排放量約近百億噸。

在碳達(dá)峰碳中和“雙碳”目標(biāo)的政策指引下，CCUS技術(shù)逐漸成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)保障，是石化能源規(guī)?；吞祭玫膽?zhàn)略儲(chǔ)備技術(shù)，是石化能源近零排放的唯一技術(shù)選擇。而在CCUS技術(shù)中CO2捕集技術(shù)又是最主要部分。規(guī)模化、低成本的CO2捕集技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的主要方向，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

1.CO2捕集技術(shù)現(xiàn)狀

在CO2排放的碳源中，根據(jù)CO2濃度可分為高濃度碳源，CO2濃度一般在80%以上，如合成氨脫碳?xì)狻⒚褐茪湮矚夂铜h(huán)氧乙烷副產(chǎn)氣等；中濃度碳源，CO2濃度一般在20%～80%，如制氫弛放氣等；低濃度碳源，CO2濃度一般在20%以下，主要為煙道氣。在這些CO2排放的碳源中，高濃度碳源僅占一小部分，中濃度碳源相對(duì)很少，絕大部分都為低濃度碳源。對(duì)于高濃度氣源，一般選用壓縮液化-低溫精餾工藝技術(shù)。對(duì)于中低濃度的氣源，一般選用化學(xué)吸收技術(shù)、物理吸收技術(shù)、吸附技術(shù)和膜分離技術(shù)等。目前能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)化應(yīng)用的主要是壓縮液化-低溫精餾工藝技術(shù)和化學(xué)吸收技術(shù)[1]。

(1)規(guī)?；疌O2捕集技術(shù)工藝路線

針對(duì)高、中、低濃度的碳源，工業(yè)上一般采用如下CO2捕集技術(shù)路線。

圖1 規(guī)?；疌O2捕集技術(shù)工藝路線

(2)壓縮液化-低溫精餾工藝技術(shù)

壓縮液化-低溫精餾工藝技術(shù)是通過(guò)低溫壓縮冷凝分離CO2的一種物理過(guò)程。CO2在常溫常壓下是氣態(tài)，加壓降溫達(dá)到CO2的臨界值，使得CO2從氣態(tài)轉(zhuǎn)成液態(tài)，從而把CO2分離出來(lái)。

含有高濃度CO2的碳源一般先進(jìn)行預(yù)處理，脫除H2S、SO2等有害物質(zhì)，并加壓干燥，除去部分水汽。預(yù)處理后的氣體送入多級(jí)壓縮機(jī)，升壓到2.4～2.6MPa，級(jí)間設(shè)置冷卻器進(jìn)行降溫并外排冷凝水。升壓后的氣體先與低溫精餾塔塔頂氣進(jìn)行換熱冷卻，回收冷量，然后送入氨冷換熱器，在換熱器中降溫到-21℃后，大部分CO2被液化。壓縮液化后的物料進(jìn)入低溫精餾塔，經(jīng)過(guò)精餾塔精餾提純，塔頂為含有少量CO2氣體的輕組分氣體，與進(jìn)料氣換熱后外排，塔底采出的液體CO2產(chǎn)品，進(jìn)入氨冷換熱器冷卻至-22℃后，送至CO2罐區(qū)。

氨冷換熱器的冷量由氨制冷壓縮機(jī)提供。

(3)化學(xué)吸收技術(shù)[2-3]

化學(xué)吸收技術(shù)是利用CO2與吸收液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)吸收和解吸循環(huán)過(guò)程實(shí)現(xiàn)捕集分離CO2?；瘜W(xué)吸收技術(shù)包括熱鉀堿技術(shù)、苯菲爾技術(shù)[4]、復(fù)合有機(jī)胺液技術(shù)、離子液體技術(shù)和相變吸收劑技術(shù)，熱鉀堿技術(shù)、苯菲爾技術(shù)很早就已工業(yè)化，但能耗較高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；统杀綜O2捕集，離子液體技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，復(fù)合有機(jī)胺液技術(shù)是近幾年發(fā)展較成熟、應(yīng)用較廣的技術(shù)。相變吸收劑技術(shù)使用的吸收液也是一種特殊的復(fù)合有機(jī)胺液，該吸收液吸收CO2后能夠分相，減少解吸循環(huán)量，進(jìn)一步降低能耗，是比較先進(jìn)的CO2捕集技術(shù)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化低成本CO2捕集比較理想的技術(shù)。

對(duì)于低濃度碳源需要進(jìn)行預(yù)處理，脫除SO2并對(duì)碳源進(jìn)行降溫，溫度降低到40℃以下送入吸收塔比較利于CO2吸收。解吸出的CO2氣體經(jīng)過(guò)壓縮液化送入CO2罐區(qū)。

①?gòu)?fù)合有機(jī)胺液CO2捕集技術(shù)。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的中低濃度碳源從吸收塔底部進(jìn)入吸收塔，在吸收塔內(nèi)與從吸收塔上部進(jìn)來(lái)的貧胺液進(jìn)行逆流接觸，氣體中的CO2被貧胺液吸收并從塔底流出，凈化后的碳源從吸收塔塔頂排出。從吸收塔底部流出的富含CO2的富胺液經(jīng)輸送泵送至貧富胺液換熱器，與來(lái)自解吸塔底的熱的貧胺液換熱后，送至解吸塔。

富胺液在解吸塔中進(jìn)行胺液的解吸再生，同時(shí)CO2從胺液中分離出來(lái)。解吸塔頂氣相產(chǎn)物經(jīng)塔頂冷卻器冷卻后進(jìn)入氣液分離器，分離器底部液體送回解吸塔，分離器頂部氣體主要為CO2氣體和少部分水蒸氣，冷凝除水后送至壓縮液化。解吸塔塔底再生出來(lái)的貧胺液經(jīng)解吸塔底泵送至貧富胺液換熱器換熱降溫，再經(jīng)過(guò)貧胺液冷卻器進(jìn)行冷卻，溫度冷卻至40℃，進(jìn)入吸收塔頂部進(jìn)行吸收。經(jīng)過(guò)吸收和解吸，復(fù)合有機(jī)胺液實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

②相變吸收CO2捕集技術(shù)。相變吸收CO2捕集技術(shù)與復(fù)合有機(jī)胺液CO2捕集技術(shù)比較類(lèi)似，主要區(qū)別在于相變吸收劑在吸收CO2后，可形成明顯特征的兩相，即CO2富相和CO2貧相，因此僅需解吸CO2富相便可實(shí)現(xiàn)吸收液的再生循環(huán)[5]。

吸收塔塔底出來(lái)的富胺液送入分相器進(jìn)行分相，上相為CO2貧相，經(jīng)過(guò)冷卻后返回吸收塔，下相為CO2富相，經(jīng)過(guò)換熱后送入解吸塔。去解吸塔的富胺液約為其他復(fù)合有機(jī)胺液技術(shù)的60%，該工藝技術(shù)既減少了因胺液中水蒸發(fā)產(chǎn)生的能耗，又降低了解吸塔的設(shè)備大小，節(jié)省投資。

2.CO2捕集技術(shù)能耗及成本分析

現(xiàn)有CO2捕集技術(shù)公用工程消耗主要為電、3bar低壓蒸汽和循環(huán)冷卻水，化學(xué)吸收技術(shù)還存在有機(jī)胺液的物耗損失[6]。

(1)壓縮液化-低溫精餾工藝技術(shù)能耗及運(yùn)行成本

以低溫甲醇洗排放的尾氣為碳源，CO2濃度≥92%（v/v），裝置規(guī)模為10萬(wàn)噸/年，其裝置能耗及運(yùn)行成本見(jiàn)表1。

表1 以高濃度碳源年產(chǎn)10萬(wàn)噸/年CO2的裝置能耗及運(yùn)行成本

從表1可以看出，壓縮液化-低溫精餾工藝技術(shù)主要公用工程消耗是電耗，主要用電設(shè)備是CO2壓縮機(jī)和氨壓縮機(jī)。CO2噸產(chǎn)品的捕集成本約為125元，另外，其運(yùn)行成本受到單位電價(jià)的影響較大。成本分析見(jiàn)圖2。

圖2 壓縮液化-低溫精餾工藝技術(shù)運(yùn)行成本分析

(2)復(fù)合有機(jī)胺液CO2捕集技術(shù)能耗及成本

以燃煤鍋爐煙氣為碳源，CO2濃度為10%（v/v），裝置規(guī)模為10萬(wàn)噸/年，其裝置能耗及運(yùn)行成本見(jiàn)表2。

表2 以低濃度碳源年產(chǎn)10萬(wàn)噸/年CO2的裝置能耗及運(yùn)行成本

從表2可以看出，復(fù)合有機(jī)胺液CO2捕集技術(shù)主要公用工程消耗是3bar低壓蒸汽和電耗，CO2噸產(chǎn)品的捕集成本約為328元，另外其運(yùn)行成本受到單位3bar低壓蒸汽價(jià)格的影響較大。成本分析見(jiàn)圖3。

圖3 復(fù)合有機(jī)胺液CO2捕集技術(shù)運(yùn)行成本分析

(3)相變吸收劑的CO2捕集技術(shù)能耗及成本

以燃煤鍋爐煙氣為碳源，CO2濃度為10%（v/v），裝置規(guī)模為10萬(wàn)噸/年，其裝置能耗及運(yùn)行成本見(jiàn)表3。

表3 以低濃度碳源年產(chǎn)10萬(wàn)噸/年CO2的裝置能耗及運(yùn)行成本

從表3可以看出，相變吸收劑的CO2捕集技術(shù)主要公用工程消耗是3bar低壓蒸汽和電耗，CO2噸產(chǎn)品的捕集成本約為296元，另外，其運(yùn)行成本受到單位3bar低壓蒸汽價(jià)格的影響較大。成本分析見(jiàn)圖4。

圖4 相變吸收劑的CO2捕集技術(shù)運(yùn)行成本分析

(4)解吸能耗分析

通過(guò)對(duì)兩種化學(xué)吸收技術(shù)的能耗分析，化學(xué)吸收技術(shù)的主要能耗是解吸部分需要的低壓蒸汽，低壓蒸汽所占成本約為整個(gè)吸收-解吸單元總成本的70%，低壓蒸汽用于解吸塔再沸器。解吸塔能耗主要由三部分組成，分別是胺鹽分解反應(yīng)熱量、富胺液升溫?zé)崃亢徒馕?nèi)水汽化熱量，其能耗比例如圖5。

圖5 解吸能耗分析

3.規(guī)?；统杀綜O2捕集技術(shù)需求及發(fā)展

（1）技術(shù)需求。在“雙碳”政策的指導(dǎo)下，CO2捕集技術(shù)迎來(lái)了較大的市場(chǎng)需求，在煤化工行業(yè)因高濃度碳源較多，對(duì)壓縮液化-低溫精餾工藝技術(shù)需求較大。在石化、電力行業(yè)，因高濃度碳源較少，大部分都為低濃度煙氣等碳源，對(duì)化學(xué)吸收技術(shù)需求較大。另一方面，隨著CO2捕集量的增大，規(guī)?；?、低成本CO2捕集技術(shù)將會(huì)是主要需求。

（2）技術(shù)發(fā)展。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有工業(yè)化CO2捕集技術(shù)的特點(diǎn)及能耗分析，并結(jié)合市場(chǎng)需求，其未來(lái)技術(shù)發(fā)展如下：

①研究開(kāi)發(fā)低功耗、高效率、大產(chǎn)量的CO2壓縮機(jī)，進(jìn)一步降低電耗。

②對(duì)于化學(xué)吸收技術(shù)，研發(fā)新型吸收液，提高吸收液的負(fù)載量、吸收速率和解吸速率，并使吸收液耐氧化、不易熱解；研究新的解吸工藝技術(shù)，從解吸能耗分析看，通過(guò)工藝優(yōu)化繼續(xù)降低富胺液升溫?zé)崃亢徒馕?nèi)水汽化熱量，從而降低低壓蒸汽用量。

③充分利用現(xiàn)有工廠的低溫余熱，與CO2捕集裝置做好熱聯(lián)合，從而降低蒸汽消耗。

開(kāi)展碳氮聯(lián)產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā)，增加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步降低成本。

4.結(jié)論及建議

目前能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、工業(yè)化的CO2捕集技術(shù)主要有壓縮液化-低溫精餾工藝技術(shù)、復(fù)合有機(jī)胺液CO2捕集技術(shù)和相變吸收劑CO2捕集技術(shù)，CO2噸產(chǎn)品的捕集成本分別為125元、328元和296元。CO2捕集技術(shù)未來(lái)的發(fā)展還應(yīng)從節(jié)能、降耗、低成本方面進(jìn)行深入研究。另外，通過(guò)分析比較，相變吸收劑CO2捕集技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模低成本CO2捕集的主要技術(shù)發(fā)展方向之一。