浅谈燃煤电厂烟气二氧化碳捕集工艺的近零排放

浅谈燃煤电厂烟气二氧化碳捕集工艺的近零排放
作者：张启阳
来源：《山东工业技术》2015年第14期
摘要：胺化学吸收法已广泛应用在燃煤电厂燃烧后捕集工艺中。

有机胺吸收CO2的最佳温度在40-50℃，且与烟气中SO2、NOx等酸性气体可以发生反应，生成热稳定性盐，带来二次污染。

全球几种先进、典型的CO2捕集工艺包中增加了对烟气的降温、精脱硫、吸收剂再生等环节，为碳捕集的近零排放提供工艺优化和改进提供导向。

关键词：燃煤电厂；二氧化碳捕集；脱硫；零排放
我国以煤炭为主的能源结构，燃煤电厂烟气的碳捕集是CO2减排的重要对象，因此，需要在碳减排的同时，尽量减少工艺的二次污染，实现碳捕集的近零排放。

对于燃煤电厂烟气燃烧后捕集技术来说，有机胺化学吸收法最为成熟。

吸收剂对烟气中的酸性气体（CO2、NOx、SOx）不专一的选择性导致了药剂的额外损耗，与此同时还会产生热稳定性盐[1]，如氨基硫酸盐等，带来的二次污染无法实现碳捕集的近零排放；此外，SO2还会影响吸收剂的降解率。

相关的研究表明：对于目前研发的吸收剂来说，烟气中SO2的浓度控制在10mg/m3[2]。

尽管我国在全球范围内对火力电厂大气污染物制定的排放标准最为严格，SO2的排放浓度在50-
200mg/m3，烟气中SO2的浓度仍然不满足碳捕集的要求。

此外，考虑到吸收剂的最佳反应温度通常在40-50℃，高于电厂烟气温度。

综上所述，需要对燃煤电厂的烟气进行除硫、降温的预处理。

壳牌康索夫、德国西门子、美国PowerSpan开发的碳捕集工艺在全球处于领先水平。

通过文献调研，本文对几种典型的碳捕集工艺的近零排放进行简单的阐述，为碳捕集的近零排放提供工艺优化和改进提出一些想法。

1 壳牌康索夫（Consolv）
壳牌康索夫（Shell Cansolv）是SO2和CO2回收领域的领导者，其开发的吸收药剂为可再生的有机胺溶液。

壳牌的Cansolv作为合作伙伴参与了全球几个著名的碳捕集与封存项目，如加拿大的Weyburn Midale CO2驱油项目，加拿大从1990年起至今共实施了43个注CO2提高采收率项目，Weyburn油田的项目是其中最成功的例子；澳大利亚的Otway项目，这是澳大利亚第一个完整的从源到汇的碳封存研究项目，储层为枯竭气田和地下咸水层；英国拟建的Peterhead项目和加拿大在建项目Quest，碳捕集技术采用Cansolv工艺；挪威蒙斯塔德碳捕集研究中心测试的工艺中也有Cansolv工艺。

它的碳捕集工艺包中提出：电厂烟气先脱硫，再脱
碳。

该工艺已于14年10月在加拿大SaskPower燃煤电厂烟气燃烧后碳捕集（百万吨CO2/年）示范工程中成功应用[3]，图中两个方形塔，其中较矮的为脱硫吸收塔。

在工艺流程中，燃煤电厂烟气经除尘、脱硫、脱硝处理后的烟气首先进入脱硫吸收塔，烟气中的SO2浓度进一步降低，剩余烟气进入脱碳吸收塔。

在脱硫吸收塔形成的富液进入脱硫再生塔，在高温下对SO2进行释放。

脱碳工艺与脱硫相似，但需要强调的是加拿大SaskPower碳捕集示范工程中对能量进行了梯级利用，即脱硫再生塔顶部排除的高温、纯的SO2的热能经过换热器对脱碳再生塔所需的部分蒸汽进行了加热，以降低工艺的运行成本。

纯的SO2转化为硫酸，进行外售。

SaskPower碳捕集示范工程每天可产生60吨的硫酸。

2 德国西门子（Seimens）
德国西门子碳捕集工艺包中，吸收剂为氨基酸盐。

西门子曾经为挪威、荷兰、阿联酋的CO2捕集项目做过氨基酸盐捕集工艺的可行性研究。

该工艺在烟气进入吸收塔之前也是进行了降温和脱除SO2和NOx的预处理，通常使用NaOH溶液作为吸收剂。

对SO2引起的额外的吸收剂的损耗，而是采用了氨基酸盐的再生技术，产生硫酸盐类的化肥作为副产品进行销售以及氨基酸盐吸收剂的再生[4]。

3 美国PowerSpan
美国PowerSpan研发的ECO2工艺采用的是液氨捕集CO2。

该工艺于2008年在美国俄亥俄州的20t/d的中试试验装置上得到过验证，并与2012年与华能集团在北京密云建成了2.5t/d 的试验平台，对该工艺进行验证和优化。

由于液氨也能够捕集其他的酸性气体，图3给出了PowerSpan开发的除尘、脱硫、脱汞和脱CO2联合处理工艺，其中也是将脱硫工艺（ECO-SO2）安排在脱碳工艺之前。

由于ECO-SO2工艺脱硫效果高于98%，烟气经过除尘、脱硫和脱汞后无需再进行精脱硫。

工艺过程中的副产品硫酸铵可以作为化肥进行销售[5]。

4 结语
综上所述，对于燃煤电厂烟气燃烧后捕集工艺来说，吸收剂不能专一的吸收烟气中的
CO2，为了减少吸收剂的消耗量，保证更少的热稳定盐产生，需要对烟气中的SOx进行预处理。

目前，典型的碳捕集工艺包开发商均研制过烟气脱硫工艺，因此，采用脱硫和脱碳串联流程以减少吸收剂的额外损耗，并降低热稳定性盐的产生。

此外，有些工艺还会对热稳定盐的再生中增加硫的回收利用和吸收剂的再生工艺，实现资源化利用。

无论是碳捕集的脱硫预处理，还是对吸收剂的再生，均会增加碳捕集工艺的运行成本。

然而，电厂在满足现行国家标准《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）的前提下又无法满足碳捕集吸收剂对SO2和NOx的要求。

因此，我国的碳捕集工艺开发商应加速新型吸收剂的研发和优化碳捕集工艺流程，最大限度的降低烟气中SO2和NOx对吸收剂的影响，提升吸收剂的竞争力，真正实现碳捕集的近零排放。

参考文献：
[1]J.Thompson， et al.Heat stable salt accumulation and solvent degradation in a pilot-scale CO2 capture process using coal combustion flue gas.Aerosol and Air Quality Research，2014（14）550-558.
[2]Puxty G.et al.A novel process concept for the capture of CO2 and SO2 using a single solvent and column. Energy Procedia，2014（63）：703-714.
[3]K.Stephenne.Start-up of world’s first commercial post-combustion coal fired CCS project：Contribution of Shell Cansolv to SaskPower Boundary Dam ICCS project.Energy Procedia，2014（63）：6106-6110.
[4]Jockenhovel T.et al.Towards commercial application of a second-generation post-combustion capture technology-Pilot plant validation of the Siemens capture process and implementation of a first demonstration case.Energy Procedia，2011（04）：1451-1458.
[5]McLarnon C，et al.Testing of ammonia based CO2 capture with multi-pollutant control technology.Energy Procedia，2009（01）：1027-1034.
作者简介：张启阳，高级工程师，研究方向：烟道气脱硫脱碳处理技术以及油田地面工程技术。