燃煤电厂二氧化碳捕集、利用和封存与“捕集预留”分析

余子炎

（广东红海湾发电有限公司，广东 汕尾 516623）

0 引言

自前工业时代（1850～1900年）以来，大气中CO2含量已经大约增加了40%，到2013年达到了400mg/L。2006年的中国CO2排放总量62亿吨，首次超越美国成为世界第一排放大国！2013年，中国的人均CO2排放量首次超过欧盟，碳排量比美国和欧盟的总和还高，总排量占到全球的29%，2015中国CO2排放总量已达104亿吨。

普遍认为全球变暖是由于温室气体（如CO2、CH4、N2O等）过多排放造成，其中CO2占总增温效应的63%，是最主要温室气体。而燃煤电厂是最大最集中的CO2排放源，占全球碳排放37%[1]，燃煤电厂开展二氧化碳捕集工作刻不容缓。

1 CCUS技术发展

CCUS是指将CO2从排放源中分离出来，通过交通运输或管道输送到特定地点进行利用或封存，使CO2与大气长期隔离。当前CCUS技术基本上仍处在研发和示范性阶段，诸多因素制约了CCUS技术的发展，其中包括成本和能耗高、长期封存的可靠性和安全性难以评估等问题。

目前国际上使用较多的提法是碳捕集与封存（CCS）技术，将CO2资源化利用也作为该技术系统的组成部分则称CCUS，二者并没有本质区别。

1.1 国际上CCUS技术进展

近年来，多数发达国家都投入巨额资金开展CCUS研发和示范活动，至2011年全球CCUS项目超过200个，其中全流程项目约70个。

但近几年CCUS技术发展缓慢，主要原因是高能耗、高成本、长期安全可靠性不确定等突出问题，特别是在封存选址、环境监测、生态影响、泄漏应急等关键环节的环境风险问题。所以，CCUS技术在发达国家仍处于研发和示范阶段。

1.2 中国CCUS技术进展

我国CCUS技术发展较慢，各环节发展不平衡，距离产业化、全流程应用示范仍存在较大差距。

经过近年来的努力，我国在技术链各环节都已有一定的研发基础，但是，整体上相比国外先进水平仍存在较大差距，特别是在规模化、全流程示范、CO2封存监测、泄漏预警等核心技术以及大规模运输与封存工程经验等方面尤为明显。

2 燃煤电厂CCUS技术

2.1 燃煤电厂碳捕获技术

目前，燃煤电厂碳捕获主要有三种不同的捕获系统：燃烧后分离、燃烧前分离和富氧燃烧，本文主要介绍燃烧后捕获与分离技术[2]。

燃烧后捕获与分离是指烟气中CO2与N2的分离。当前最好的燃烧后CO2收集法是采用化学溶剂吸收法，该方法具有较高的捕集效率和选择性，且能源消耗和收集成本相对较低。化学溶剂吸收法是用酸性气体与碱性液体之间的反应，常用的吸收剂是胺类吸收剂（如一乙醇胺MEA）。除了化学溶剂吸收法还有吸附法、膜分离方法等。

原烟气在预处理后进入CO2吸收塔，在温度40～60℃环境下，CO2被吸收。然后净烟气进入水洗容器平衡系统中的水分，除去烟气中的吸收剂液滴和蒸汽，随后离开吸收塔。

吸收了CO2的吸收剂被抽到再生塔的顶端，在比大气压略高的压力和温度100～140℃的环境下进行再生。水蒸汽经过凝结器冷凝后返回再生塔，而CO2排出再生塔。再生后的吸收剂被抽回吸收塔。

2.2 碳运输和碳封存

管道输送是CO2运输最安全、最成熟的办法，首先将气态的CO2进行压缩，提高气体密度，降低运输成本。由于碳捕获（包括压缩）成本非常高，因而管道运输成本在整个流程中所占比例就很低了。因此只要捕获和封存两个环节成本较低，全流程运作成本就会明显降低；

碳封存是指将捕获、压缩后的CO2运输到指定地点进行长期封存的过程。根据封存地点和方式不同，将碳封存分为地质封存、海洋封存、碳酸盐矿石固存和工业利用固存等。

普通燃煤电厂锅炉排放的尾部烟气CO2含量仅有大约3%～16%，可压缩性比纯的CO2小得多，在这样的条件下储存1tCO2大约需要68m3的空间。因此，只有分离烟气中的CO2，才能充分有效地对它进行运输和封存。

3 新建燃煤电厂的“捕集预留”

“捕集预留”是一个设计概念，意即在条件成熟时燃煤电厂能更为经济地、合理地改造为配套有CO2捕集与封存技术装备的电厂。捕集预留不应仅限于捕集，因为捕集与封存是捕集、运输与埋存的集合，因而电厂捕集预留的概念也包括了合理的厂址选择，这样才能将捕集到的CO2经济地输送至封存地点，以降低整个CCUS过程的总体成本。

2014年，国内首份百万吨级“捕集预留”设计方案在华润海丰电厂启动[3]。该项目规划建设8台1000MW超超临界机组。海丰电厂委托广东电力设计院和英国爱丁堡大学进行项目设计，为一期2台1000MW机组项目进行“捕集预留”，并且考虑未来CCUS改造的方案，目前一期2台1000MW机组已经建成发电。

捕集预留电厂的具体要求如下：

（1）碳捕集预留发电厂需要为新增加的CO2捕集设备（如洗涤塔、CO2压缩系统、生产氧气系统等）预留安装场地和空间，为增加部分系统而预留接口，此外还要预留改造时的施工场地和设备运输空间；

（2）燃煤发电厂采用燃烧后分离捕集CO2技术对烟气中SO2和NO2浓度要求较高。要求的SO2和NO2浓度分别小于10～30mg/Nm3和40mg/Nm3，从而减少对吸收剂的影响。因此燃煤电厂在设计烟气脱硫、脱硝系统时，应当考虑把烟气脱硫、脱硝系统设计到符合CO2捕捉的要求，或者为将来的烟气脱硫、系统升级进行预留；

（3）汽轮机以及其脱硝汽管系统受碳捕集改造的影响最大。使用燃烧后胺吸收捕集技术，为了加热胺再生溶液，需要大约40%～50%、压力为0.36MPa的蒸汽从汽轮机低压段前抽出。因此，汽机房应预留空间，以保证能够安装阀门及大型低压蒸汽管道；

（4）其它系统设计预留：压缩空气系统、水处理系统、污水系统、电气系统、全厂管道系统、控制系统等。

4 结语

CO2减排是一个全人类问题，并且认定CO2为主要“温室气体”的观点逐渐增多。随着更多CCUS项目的开展，该技术将逐渐成熟、成本日趋下降并被普遍接受，并将成为燃煤电厂减少碳排放最最重要的技术和方式。

现阶段，不仅要预测到CCUS良好的发展前景，更要深刻地认识到开展CCUS所带来的各种问题。因此，发展CCUS必须谨慎、前瞻，既要立足国情、量力而行，从大的层面要以加强CCUS 研发和示范为要务，避免盲目大规模上马，又要面向国际、适度超前，为未来CCUS可能的大规模应用做好前期准备；从燃煤电厂层面主要是加强CCUS知识储备、人才培养和对新建项目适当超前的“捕集预留”。