低碳经济下燃煤电厂CO2捕集技术

殷庆栋，魏颖莉，魏 刚，刘斌杰，刘文献

(1.河北省电力研究院，河北石家庄 050021;2.河北省电力公司，河北石家庄 050021)

低碳经济下燃煤电厂CO2捕集技术

殷庆栋1，魏颖莉2，魏 刚1，刘斌杰1，刘文献1

(1.河北省电力研究院，河北石家庄 050021;2.河北省电力公司，河北石家庄 050021)

0 引言

在2009年哥本哈根气候峰会上，气候变化和气温升高成为讨论的重点。全球应对气候变化的核心是减少温室气体排放，主要是减少能源消费的CO2排放。CO2等温室气体的排放已越来越受到国际社会的广泛关注。中国政府向国际社会表明了中方在气候变化问题上的原则立场，明确提出了我国应对气候变化将采取的重大举措:到2020年我国单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40% ～45%。燃煤电厂CO2排放是我国温室气体的最主要排放源，约占总量的50%［1］。近年来，随着火电装机容量的迅速增多，燃煤电厂CO2排放的绝对数量和相对比例还将进一步增加，燃煤电厂CO2减排任重而道远。CO2减排技术的目的是捕获烟气中的CO2和将其从储存的材料中分离出来，最后将这种气体压缩并储存起来，从而控制大气中的CO2含量。技术路线主要为CO2捕集和封存。近年来，由于封存技术容易掌握、且初投资较小，已逐渐应用于食品工业和化工行业以及石油开采行业。CO2捕集技术发展的方向是降低技术的投资费用和运行能耗。从分离作用在燃烧的不同阶段分，主要有4种［2］，即:燃烧前脱碳、燃烧后脱碳、富氧燃烧等技术。

1 燃烧前脱碳技术

1.1 煤预处理技术

燃烧前脱碳技术主要是针对火电厂燃煤进行预处理(加工、燃烧、转化和污染控制)，以提高燃煤的利用效率。燃煤预处理技术具体包括三类:一是煤炭加工技术，如选煤、型煤、动力配煤改质、水煤浆技术等;二是煤炭转化技术，如煤炭气化和液化技术等;三是煤的资源化利用技术，如煤矸石综合利用等技术。发展燃煤预处理技术，改善燃煤的质量，可以提高锅炉的热效率，节省煤耗，减少CO2排放。煤炭洗选加工可大大减少煤中的灰分和硫分，提高煤炭的燃烧效率，节煤约10%［3］。配煤技术能根据不同煤种的燃烧特性进行合理配比混合，以达到最高燃烧效率，杭州已经建成5Mt配煤中心，可以较原来节煤 5% ～8% ，减少 CO2排放量 0.5Mt/a［4］。

1.2 IGCC 技术

IGCC技术也属于燃烧前脱碳，IGCC技术把高效的燃气——蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好的环保性能。IGCC的最大特点是:在碳基燃料燃烧前，将其化学能从碳转移到其他物质中(主要为H2)，然后再将其进行分离。这种燃烧方式可以大大提高CO2的捕集程度。IGCC技术在CO2减排方面有以下几个优点:一是可以实现CO2在燃烧前捕集分离。由于IGCC电站气化炉内多采用气体作为气化介质，煤气化产物主要是CO和H2，经进一步的水煤气化反应后，容易转化成CO2和H2。由于煤气压力及CO2浓度较高(一般为35% ～45%)，因而比烟气中更容易脱除CO2;二是IGCC电站的热效率高，可达42% ～46%，而目前国内电站的热效率大多维持在35%左右，通常电站效率每提高1个百分点，CO2排放将减少2%，相对常规电站而言，CO2可以减排1/5［5］;三是烟气脱硫工艺也可以分离 CO2。近年来，由于投资和运行费用大大降低，使IGCC电站成为未来电力行业发电技术的优选。美国的未来电力、中国的绿色煤电、日本的鹰计划以及澳大利亚的零排放发电等技术均计划采用IGCC作为基础，进行燃烧前的脱碳(见表1)。

表1 IGCC商业运行可行

2 富氧燃烧技术

富氧燃烧技术也被称作O2/CO2燃烧技术或空气分离/烟气再循环技术。该方法用空气分离获得的氧气和一部分锅炉排气构成的混合气体代替空气作为燃烧时的氧化剂，燃烧排气中CO2含量大于70%，其余为水，其量(CO2)的70% ～75%循环使用，余下的经干燥脱水后可得浓度为95%的CO2，压缩后可用管道输送为商业利用。

与传统煤粉炉燃烧方式向比，富氧燃烧技术在环境保护方面有着不可比拟的优点［6］:

(1)富氧燃烧技术具有捕集CO2的能力，燃烧产物中CO2的浓度高达95%，无需进行分离就可以直接进行回收;废气排放量大幅减少，废气排放控制设备和费用主要依赖于废气排放流量，所以富氧燃烧技术可以大幅节省费用。

(2)富氧燃烧(O2/CO2)技术因氮气量减少，空气量及烟气量均显著减少，故火焰温度和黑度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，进而提高了火焰辐射强度和强化辐射传热;同时由于温度提高了，将有利于燃烧反应完全，降低燃料的燃点温度和减少燃尽时间。

(3)O2/CO2燃烧过程中，高浓度CO2和H2O的存在使得混合气体具有较高的比热和辐射特性;大比例的烟气循环使得锅炉排放烟气量降低75%左右，锅炉的排烟热损失大大降低。

(4)在液化处理以CO2为主的烟气时，烟气中的SO2首先被液化并回收，可以省去复杂昂贵的烟气脱硫设备。

富氧燃烧技术既适合新建锅炉，又适合旧锅炉的改造，容易实现。近年来，部分中试规模的电厂已经进入运行阶段。瑞典能源集团Vattenfall已建设了世界上第1台使用O2/CO2循环燃烧技术的燃煤示范电厂，该电厂于2008年投入运行［7］。阿尔斯通富氧燃烧技术的火电厂试验项目——德国勃兰登堡州黑泵电厂(Schwarze Pumpe)的30MW试验装置已正式于2008年9月投入运行。日本石川岛播磨公司也建立了一个使用O2/CO2燃烧系统的100MW的示范电站。

3 燃烧后脱碳

燃烧后脱碳是指在燃烧后的烟气中捕获或者分离CO2。电厂中产生CO2的系统主要是锅炉和燃机，现有的大多数火力发电技术，包括新建和改造，都只能采用燃烧后烟气捕获的方法进行CO2的分离，因此燃烧后脱碳可使用的范围非常广。

燃烧后脱碳技术主要是利用化学吸收法，即利用CO2和吸收液之间的化学反应将CO2从排气中分离出来的方法。常用的吸收剂主要有:醇胺溶液(MEA)、碱溶液(氨水)、碱金属基等。

3.1 胺吸收法

胺法吸收是指利用醇胺类溶液(MEA)的弱碱中和CO2的弱酸性的化学反应。反应生成可溶于水的盐，随着温度变化这一反应是可逆的，一般在311K形成盐，CO2被吸收;在383K反应逆向进行，放出CO2。MEA是一种具有高pH值的基本胺，在众多可以得到的胺中，它的分子量是最小的，它完全溶于水并且可以被生物降解。同时，MEA吸收速度快，对CO2的吸收能力高，处理得到的CO2浓度可以高达99.6%［8］;另外，能降低溶液的再生能耗，降低设备腐蚀，完全可以满足工业用途。胺类与CO2反应的机理见公式:

国内首座燃煤电厂烟气CO2捕集示范工程，坐落在华能集团北京热电厂，共投资2800多万元，是为北京奥运会献礼的示范性工程。该工程采用MEA捕集燃烧后的CO2，其胺法吸收工艺如图1所示［9］:经过除尘、脱硫处理的烟气通过鼓风机加压后直接进入吸收塔进行吸收。在吸收塔中，烟气自下向上流动，与从上部入塔的吸收液形成逆流接触，使CO2得到脱除，净化后的烟气从塔顶排出。而吸收了CO2的吸收剂富CO2吸收液(简称富液)经富液泵抽离吸收塔，在贫富液热交换器中与贫CO2吸收液(简称贫液)进行热交换后，被送入再生塔中解吸再生。富液中结合的CO2在热的作用下被释放，释放的CO2气流经过冷凝和干燥后进行压缩，以便于输送和储存。再生塔底的贫液在贫液泵作用下，经过贫富液换热器换热、贫液冷却器冷却到所需的温度，从吸收塔顶喷入，进行下一次的吸收。

图1 CO2捕集试验示范装置工艺流程示意

整套装置CO2捕集率高达80% ～85%，捕集后CO2浓度已经达到99.5%，再经过后面的精制系统提纯，最后纯度达到99.9%食品级CO2，可用于饮料、食品行业。北京热电厂在运行脱碳装置后，可减少CO2排放量3000t/a。

3.2 喷氨吸收法

氨水呈弱碱性，可以和CO2在不同温度条件下进行反应。在室温、一个大气压和无水蒸汽参与的反应条件下，反应生成NH2COONH4，NH2COONH4很容易溶解于水，产物是(NH4)2CO3:

通常情况下电厂烟气中的CO2含量很高，最大可达16%，脱除过程中所需要的氨气浓度必然很高，如设计不合理，很容易引起爆炸，因此推荐采用氨水喷淋的方法来达到脱碳的目的。燃煤烟气氨水喷淋法减排CO2的技术是可行的，在温度为30℃可以减排90%以上的CO2，单位质量吸收剂吸收CO2的量达到1.2kgCO2/1kgNH3;在温度为40℃的条件下，可以减排77%以上的C。

图2为燃煤电厂喷氨法流程示意。电厂脱硫后的烟气经过换热后，直接进入碳化塔，省却了制氨工业的气化、脱硫、压缩等步骤，并且得到的产物是固体NH4HCO3，NH4HCO3可以作为CO2减排过程中CO2的载体，同时它也是一种化学肥料，喷氨的成本可以全部或大部分从销售出长效NH4HCO3的利润中收回，十分有利于燃煤电力企业减少环境经济成本，形成可持续生产模式。吸收的CO2被包含在白色结晶状NH4HCO3里，与其他粉末状物质一样，可以通过运输系统送到任何地方，甚至可以通过航运送到深海储存起来。

图2 燃煤电厂喷氨吸收法流程示意

与其他技术相比，喷氨法减排CO2技术具有很高的实际应用价值，同时也是一种很有优势的方法:相比于MEA，可使脱碳热耗下降近两个百分点，并且其可以带压再生，对后续进一步压缩处理更为有利;吸收能力看，氨水溶液的吸收能力为MEA溶液的2.4～3.2倍，而成本仅为MEA溶液的1/6(工业级);从循环经济的角度考虑，将碳酸氢氨产品的生产与CO2的脱除相结合，可以避免再生热耗，固体碳酸氢氨作为长效肥料使用生成碳酸盐，向地下渗透也免去了CO2埋存的问题。

3.3 碱金属吸收法

碱金属基吸收剂属于低温吸收剂，吸收剂由碱金属(主要指Na和K)的碳酸盐附着于高比表面积、高孔隙率、吸附性能良好的载体材料上制作而成，其碳酸化温度为60～80℃，再生温度为100～200℃。在该温度下，吸收剂不易失活，多次循环后仍可保持较高的转化率。

碱金属基吸收剂的脱碳过程主要通过碳酸化和再生两个化学反应实现。

碱金属基吸收脱碳工艺流程示意如图3所示。火电厂锅炉煤燃烧产生的烟气经脱硫、脱硝装置后进入碳酸化反应器，在水蒸汽的参与下，烟气中的CO2与负载型Na2CO3/K2CO3发生反应生成NaHCO3/KHCO3，并释放出一定的反应热，脱除CO2后的净烟气经烟囱排入大气;NaHCO3/KHCO3在再生反应器中被加热，分解生成Na2CO3/K2CO3、H2O和CO2，H2O和CO2的混合气体经冷凝后除去水分即可得到高纯度的CO2，Na2CO3/K2CO3则重新返回碳酸化反应器被重复利用。

图3 碱金属吸收法工艺流程

该系统可置于脱硫、脱硝设备之后，避免因硫氧化物、氮氧化物造成吸收剂大量失效。经脱硫、脱硝后，烟气温度降至200℃左右，该反应系统所需能量可完全由烟气余热提供。据报道，该方法的能耗可比传统的MEA吸收法下降16%［11］，因此碱基吸收剂具有广阔的应用前景。

4 结语

我国CO2减排是一个逐步发展的过程，减排政策的实施还需要较长的一段时间。那么在这段时间内就需要我国在电力、石化等行业大力促进联合循环和IGCC的发展，同时推动实现大型煤气化炉、燃气轮机等关键设备和工业的国产化。虽然目前的减排成本还比较高，但随着各国的高度重视和研究机构的加入，CO2捕集技术会日益完善。

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Ways to trap the emission of CO2in power plants under low－carbon economy

随着中国经济发展，温室气体排放量大幅增加。温室气体中，CO2的排放对气候的负面影响十分巨大，CO2排放已成为燃煤发展的瓶颈问题之一。针对电力工业CO2排放状况，介绍了几种火电厂CO2排放捕集措施:燃烧前脱碳、富氧燃烧以及燃烧后脱碳技术，分析了各项技术的优势和可行性;指出了低碳经济下火电厂的CO2减排方向。

温室气体;减排;捕集;IGCC

With the development of our country，the amount of greenhouse gases is releasing more and more.In all of released gases，CO2has the worst effect on our climate than the others，it has become the biggest obstacle of coal－ burned electronic power plant＇s development.According to CO2＇s emission status in electric power industry，several trapping measures are presented in the article，example:pre － combustion decarburization ，post－ combustion decarburization and oxyfuel combustion.Research deriction of CO2capture is also pointed out.

greenhouse gases;emission reduction;trapping;IGCC

X701.7

B

1674－8069(2011)02－014－04

2010-10-11;

2011-02-12

殷庆栋(1984-)，男，山东东胶人，助理工程师，主要从事电站锅炉技术研究工作。E －mail:yqd@hepri.he.sgcc.com.cn