火电厂CO2CCS技术分析

胡月红

(承德石油高等专科学校热能工程系，河北承德 067000)

火电厂CO2CCS技术分析

胡月红

(承德石油高等专科学校热能工程系，河北承德 067000)

介绍了火电厂CO2排放特点，将CO2减排技术分为捕集与封存两个部分进行讨论，提出了火电厂CO2捕集的4种主要技术路线;比较分析了几种主要捕集方法的技术特点和火力发电适用性，CO2应用于我国火电厂需解决的问题;综述了CO2的封存技术和综合利用。

温室效应;火电厂;CO2捕集与封存;综合利用

近年来我国CO2年排放量在60亿t左右，约占全球总量的1/5，对全球变暖的影响大约占70%;为此，中国政府作出承诺:要在2020年把单位GDP排放量在2005年的基础上降低40%～45%［1-3］。CO2总排放量的75%是由石化燃料燃烧产生的，我国CO2排放总量的一半来自电力工业［2］，因此，火电厂CO2减排形势严峻。目前，火电厂CO2减排策略可通过提高能效(如采用先进的燃烧、发电技术)、发展替代能源(包括可再生能源和核能)实现，但减排潜力有限。采用CO2捕集与封存(CO2capture and storage，CCS)技术能减少电站80%～95%CO2的排放量，理论上有巨大的减排潜力，是当今世界公认的CO2减排的重要途径。

1 火电厂CO2捕集技术分析

1.1 火电厂CO2捕集技术

火电厂CO2捕集技术路线主要可以分为4种:燃烧后脱碳、燃烧前脱碳、富氧燃烧以及化学链燃烧技术［3］。

1.1.1 燃烧后捕集

燃烧后捕集即从燃烧排放的烟气中捕集CO2，目前主要是用一乙醇胺(MEA)或其它溶液直接吸收烟气中的CO2进行捕捉。其流程如图1所示。技术比较成熟，工艺也不复杂，并已在工业上得到应用。弊端是气体处理量较大，烟气中CO2含量低(13%左右)，造成捕集装置能耗和运行成本较高，对电厂供电效率以及发电成本影响较大，总收益下降20%～30%左右。

1.1.2 燃烧前捕集

如流程图2所示，煤与氧或空气在压力作用下发生反应，生成混合气体燃料，其主要成分为H2、CO，降温后，在水蒸气变换炉中与水蒸汽反应，转化成H2和CO2的混合气，由于CO2的浓度较高(约40%)，可以通过CO2的捕捉和脱除设备将CO2从燃料中分离出来，从而使燃料中不再含碳。该技术气体处理量较少，CO2含量高，捕集装置能耗和运行成本较低，适用于新建的整体煤气化联合循环系统(IGCC)中，但这种技术目前还不够成熟，而且系统组成复杂、投资成本较高，所以在实际应用中有一定的限制性。

1.1.3 富氧燃烧技术

这种燃烧方式不仅能有效的捕捉和封存CO2，对降低排放SO2和NOx等污染物也有明显的效果，其工作原理如图3所示，空气在分离装置中分离出的纯氧与锅炉烟道抽取的再循环烟气混合后，送入炉膛作为燃料的氧化剂，燃烧后产生的含85%以上浓度CO2的烟气可以直接液化回收处理。但氧气分离将会消耗23%～37%的电厂总收益，而且操作和维持费用偏高。

1.1.4 化学链燃烧技术(CLC)

如图4所示，在空气反应器中，空气将金属氧化成金属氧化物;在燃料反应器中，金属氧化物和燃料反应，产生水蒸气和CO2，冷凝处理后，就能够富集高浓度的CO2，不需要附加空分设备，能耗低，有发展远景，但目前仍处于试验阶段，还需解决三个突出的问题:1)系统集成优化和分析;2)反应性运行和研究;3)反应器的设计和氧载体的制备，所以，还无法有效评估这种技术应用于电力行业的经济性。

1.2 CO2捕集技术比较分析

工业上传统的CO2捕集技术主要有4种:吸收法、吸附法、低温蒸馏法和膜分离法。几种主要方法的技术特点及火力发电适用性见表1所示［4］。

表1 烟气CO2捕集技术特点及火力发电适用性

我国现运行火电厂捕集示范装置为:华能北京热电厂，重庆合川发电有限责任公司双槐电厂，华能上海石洞口第二电厂。这三套燃煤电厂捕集示范装置都是采用燃烧后捕集技术的化学吸收法(MEA)，这也是目前国际上燃煤电厂CCS项目普遍采用的办法，即电厂排出的烟气首先通过脱硝、除尘、烟气脱硫等方法进行预处理，再采用化学吸收法实现烟气脱碳。

CO2捕获方法普遍能耗大，成本高，经济性较差。下面以一个传统的发电效率为41.6%的燃煤电厂为基准进行经济性比较分析(见表2)。

表2 几种CO2捕集方法的经济性比较

通过对国内外燃煤电厂CO2捕集技术与经济分析可知，燃煤电厂CO2捕集过程中装置成本过高，额外运行能耗问题是CO2捕集与封存技术迄今没有大规模应用的重要障碍之一。

2 CO2的封存与综合利用

2.1 CO2封存

CO2封存主要包括生态封存、地质封存、海洋封存和矿化封存4种［5］。

1)生态封存:CO2生态封存就是通过植树造林、扩建草场或培养藻类来吸收CO2净化大气。一个500MW的燃煤电厂所排放的CO2大约需2 000 km2的森林来捕集，所以生态封存虽然是最理想、最廉价的方式，但不可能作为主要封存方式。

2)地质封存:不可采的煤层、深部卤水层及耗竭的油气田具有丰富的孔隙空间，可通过加压灌注储存大量的CO2。据统计，全球耗竭的油气田可容量高达920Gt的CO2。所以地质封存很有潜力，不安全因素是由于地震造成地质结构变化将使大气环境中因泄露引起CO2浓度迅速升高。另外，地层储藏带的矿物质成分也有可能因为CO2的封存而破坏。

3)海洋封存:如果把CO2制成干冰或通过高压管道输送到1 000 m深以下的海洋中，由于CO2的密度相比海水大，会在海底自然溶解形成固态的CO2水化物或液态的CO2湖。相比之下，海洋封存潜力最大。但研究表明，海水pH值会有所降低，海水中生物链的形成将受到影响。而为了尽可能减少CO2重回到大气环境的可能，需把CO2注入到3 000 m以下的深海中，这样就增加了封存成本和技术难度。

4)矿化封存:利用CO2与天然的矿物如硅灰石、水镁石等富含镁和钙的硅酸盐矿进行碳酸化反应，可以形成稳定的碳酸盐如碳酸镁(MgCO3)和碳酸钙(CaCO3，石灰石)。由于自然反应过程比较漫长，需要对矿物作预处理，从而要多消耗火电厂60%～180%的能源，所以矿化封存是目前成本最高的CO2封存途径。

2.2 CO2的综合利用

研究发现，将CO2注入油气田进行地质封存的同时还可以提高产油率，近几年，全球已有超过70个油田通过注入CO2来提高石油回采率。此外，CO2广泛地应用在人工降雨，食品工业中的冷冻剂，也可用于制造纯碱，碳化氧化钙生成轻质沉淀碳酸钙，化肥，碳酸氢铵尿素等。通过对CO2资源化利用，相对降低了减排成本。如华能北京热电厂每年可生产销售大约3 000 t的CO2，基本补偿了CCS的运行成本。CO2还可以直接还原成CO，或者进一步利用加氢合成制备甲醇、低碳烯烃等合成燃料，但技术都还在研究阶段。

3 总结

1)到2020年，燃煤电厂在整个发电厂中的比例仍会占到60%左右，因此，火电行业CO2减排形势严峻。

2)IGCC技术环保、高效，设备系统复杂，成本高，技术不成熟，只能用于新建电厂;通过对现有的电厂进行技术改造，可以采用燃烧后捕捉技术和富氧燃烧技术，但会使电厂总效益下降20%以上。

3)物理吸附法和低温蒸馏法适用于CO2浓度高的烟气，如IGCC及O2/CO2混合燃烧烟气;膜分离法也不具备规模经济性，更适合于小流量，而且分离出CO2纯度不高;现有的传统的火电厂，由于烟气排放量大，且CO2浓度低，处于低压高温状态，目前适用的方法主要是化学吸收法。CO2捕获方法普遍能耗大，成本高，如化学吸收法通常要先对烟气降温到约40℃左右进行捕获，增温后再排放烟气，而捕获的CO2要加压存储和输送，这必然导致工艺复杂化，能耗增加。所以火电厂CO2捕集过程中装置成本过高以及额外运行能耗问题是CO2CCS技术急需解决的问题。

4)对捕集的CO2进行其资源化利用，可以降低减排成本，提高经济效益和社会效益。

［1］ 中国首次宣布温室气体减排清晰量化目标.http://news.xinhuanet.com/politics/2009-11/26/content_12545939.Htm.

［2］ 何祚庥.中国会不会走向半个工业化:对我国减排问题的若干战略思考［J］.中国科院院刊，2010(3):324-334.

［3］ 肖琨.火力发电厂CO2捕捉技术［J］.锅炉技术，2010(1):73-76.

［4］ 王晓亮.燃煤电站CO2捕集技术研究现状及前景展望［J］.东方电气评论，2011(25):3-8.

［5］ 李辉.我国电力行业CO2减排技术及应用前景分析［J］.电力科技与环保，2011(1): 9-13.

Technology Analysis of CO2Capture and Storage in Firing Power Plant

HU Yue-hong
(Department of Thermal Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

After introducing the CO2emission characteristics from firing power plant，this paper discussed two parts in both CO2capture and storage，and put forward four main technological lines for CO2capture in firing power plants.The paper also analyzed and compared the features and appliances of every capture measures，and pointed out some problems needed to be solved for using the existing capture methods to firing power plant in China.Finally it analyzed and summarized CO2storage technology and comprehensive utilization.

greenhouse effort;firing power plant;CO2capture and storage;comprehensive utilization

TM622

：A

：1008-9446(2012)02-0029-05

承德市科研课题(应用于火电厂CCS技术的CO2分离方法研究):201121151

2012-03-19

胡月红(1974-)，女，江西人，承德石油高等专科学校热能工程系讲师，主要从事热能工程方面的教育科研工作。