中国二氧化碳减排及利用技术发展趋势_罗金玲
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2.SchoolofEnergyResources, ChinaUniversityofGeosciences, Beijing100083, China; 3.CollegeofEngineering, PekingUniversity, Beijing100871, China;
4.TurpanOilProductionPlant, TuhaOilfield, Turpan838202, China)
2009年 12月 7— 18日召开的哥本哈根会议提
高效的燃气涡轮发电机 , 天然气在发电领域替代固 体燃料还可进一步将每 Kw· h的二氧化碳排放量减 少到煤炭或褐煤发电的 35% ～ 40%。
出 , 面对气候变化的严峻挑战 , 我们必须采取更加
用天然气替代石油作为运输燃料也有利于减少
强有力 的政策措 施与行动 , 努力控 制温室气 体排 二氧化碳的排放 , 现在的技术可使二氧化碳排放量
减少 15%, 如果大多数市场转而利用天然气的特殊 性 能 (高 辛 烷 值 ), 则 二 氧 化 碳 排 放 量 可 减 少 25%[ 4] 。
3 二氧化碳捕集与分离技术
提高能源利用率和 转化率 ;2)二氧化 碳的封 存 ;
目前 , 二氧化碳捕捉主要有 3种技术路径 :1)
3)吸收利用烟气中的二氧化碳 ;4)国内外正在研 燃后捕获 , 从燃烧生成的烟气中分离二氧化碳 ;2)
化学吸收法是指二氧化碳与吸收剂进行化学反
碳减排的方法 。
应而形成一种弱联结的化合物 。典型的吸收剂有单
此外 , 将旧的工业锅炉改造成循环流化床锅炉 乙醇氨 (MEA)、 N-甲 基二 乙醇 胺 (MDEA)等 ,
可以提高锅炉热效率 , 节省煤耗 , 实现减排 。目前 适合于中等或较低二氧化碳分压的烟气 。 采用氨水
3.2 富氧燃烧技术
CARBONDIOXIDEEMISSIONREDUCTIONANDUTILIZATION TECHNOLOGYINCHINA
LUOJin-ling1, 2 , GAORan1, 2 , HUANGWen-hui1, 2 , HUODa3 , WANGYan-ning4
(1.KeyLaboratoryofMarineReservoirEvolvementandHydrocarbonAccumulationMechanism, MinistryofEducation, ChinaUniversityofGeosciences, Beijing100083, China;
第 wenku.baidu.com期
罗金玲等 :中国二氧化碳减排及利用技术发展趋势
133
用天然气替代固体燃料有利于减少二氧化碳的
1 中国二氧化碳减排形势
排放 。 在能量等值的基础上 , 天然气的二氧化碳排
放量仅为固体燃料相应排放量的 55%。 由于采用更
每年全球有 250多亿 t二氧化碳排放 , 中国已 达 60多亿 t[ 1] , 位居世界第一 。
第 13卷第 1期 2011年 2月
资源与产业
RESOURCES＆ INDUSTRIES
Vol.13 No.1 Feb.2 01 1
中国二氧化碳减排及利用技术发展趋势
罗金玲 1, 2 , 高 冉 1, 2 , 黄文辉 1, 2 , 霍 达 3 , 王彦宁 4
(1.中国地质大学 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室 , 北京 100083; 2.中国地质大学 能源学院 , 北京 100083; 3.北京大学 工学院 , 北京 100083; 4.吐哈油田 吐 鲁番采油厂 , 新疆 吐鲁番 838202)
度而言 , 燃煤二氧化碳的减排是关键 。
两种技术的研发 , 并已在德国 、 瑞典 、 美国等国家
首先 , 选煤技术是实现煤炭高效 、 洁净利用的 的 9 个试验工厂中测试新技术 。而应用富氧燃烧捕
首选方案 , 它主要利用物理 、 物理 -化学等方法除 捉技术的法国道达 尔示范电厂已经成 功捕捉了 15 去煤炭中的灰分和杂质 , 如煤矸石和黄铁矿等 。 通 万 t二氧化碳 [ 5] 。
发应用的新技术 。
燃前捕获 , 又称氧气 /二氧化碳燃 烧技术或空气分
2 提高能源利用率实现减排
离 /烟气再循环技术 ;3)富氧燃烧 , 通过燃前脱碳 即在燃烧前将燃料中的碳脱除 。其中燃前捕捉技术
只能用于新建发电厂 , 另两种技术则可同时应用于
中国能源结构以煤为主 , 从温室气体减排的角 新建和既有发电厂 。 法国阿尔斯通公司正专注于后
二氧化碳的全新方法 。使用该方法可以得到高纯度 的二氧化碳 ;其副产品碳酸氢铵是我国农业上广泛 应用的氮肥 , 同时在氨水碳化过程中加入某种催化
13 4
资源与产业
2 011 年
剂解决了 NH4 HCO3 易挥发的问题 。 3.1.2 物理吸收分离法
物理吸收法可归纳为吸收分离 、 膜分离和低温 蒸馏分离 。
力 。其次 , 洁净燃煤技术 , 如循环流化床锅炉 ;煤 炭转化技术 , 如煤炭气化和液化技术 ;电力行业中 煤电的整体煤气化联合循环技术 (IGCC)[ 3] 等 , 都
法 。按照吸收原理的不同 , 它可以分为化学吸收法 和物理吸收法[ 2] 。 3.1.1 化学吸收分离法
是不错的提高能源利用率及转化率同时实现二氧化
我国正在使用的工业锅炉约 50万台 , 年耗煤量超 作为吸收剂脱除燃煤烟气中二氧化碳也是普遍采用
过 4 亿 t, 平均热效率仅为 55% ～ 65%, 平均排放 的二氧化碳固定方法 。
当量为每 t煤 1.136 t二氧化碳 。 其中 , 浙江大学将
目前中南大学开发出一种用氨水洗涤烟气脱除
1台 10 t/h的链条炉改造成循环流化床锅炉 , 锅炉 效率由原来的 65%提高到 85%, 二氧化碳排放减 少 20%[ 2] 。
摘 要 :减缓以至最终有效控制能源生产利用过程中二氧化碳的排放 , 是中国能源生产面 临的重大 挑战 。 文 章从提高能源利用效率和转化效率以及二氧化碳的捕集 、 分离和利用等方面介绍了 中国二氧化碳减排的 各种 技术现状 , 并对二氧化碳减排技术的发展方向作了初步探讨 , 为中国二氧化碳减排及利用前 景提供了一 定的 参考 。 燃煤过程中二氧化碳的减排是关键 , 洗煤技术 、 高效清洁煤技术等都可有效减少二 氧化碳排 放 ;分离 捕集二氧化碳可利用燃前捕获 、 化学链燃烧技术 、 吸收分离法等 。 二氧化碳地质埋存包括 油气藏埋 存 、 深部 盐水层埋存 、 煤层埋存和深海埋存 。 其中在油气 藏埋存的 同时进 行 EOR (EnhancedOilRecovery)是二 氧化 碳地质埋存的最佳方式 。 随着各项技术的完善 , 中国二氧化碳减排必将取得显著成效 。 关键词 :二氧化碳减排 ;吸收分离 ;地质埋存 ;二氧化碳 -EOR 中图分类号 :F205 文献标识码 :A 文章编号 : 1673 -2464 (2011) 01 -0132 -06
低温分离法是在 31℃和 7.39 MPa下 , 或在 12 ～ 23℃和 1.59 ～ 2.38 MPa下 , 二氧化碳具有液化 的特性 。低温法利用二氧化碳这一特性对烟气进行 多级压缩和冷却 , 使二氧化碳液化 , 从而达到分离 的目的 。
除了可以通过以上措施来限制二氧化碳的产生 外 , 近年来 , 二氧化碳超低临界萃取技术也得到了 长足发展 , 并有望形成独立的产业 。 该技术已经可 以利用回收二氧化碳来生产碳酸镁 , 聚合成性能与 聚乙烯相似的可以降解的塑料 。
收稿日期 :2010-03 -13;修订日期 :2010 -11 -08;责任编辑 :刘英姿 。 基金项目 :国家自然科学基金 (40972106)。 第一作者简介 :罗金玲 (1986— ), 女 , 硕士生 , 主要从事储层特征及能源环境问题研究 。 E-mail:2005 lanjingling@sina.com
Abstract:Toreduceandultimatelycontrolcarbondioxideemissionduringenergyproductionandutilizationisa challengeforChina' senergyproduction.Thispaper, basedonincreasingenergyutilizationefficiencyandconversion efficiency, capturing, separatingandusingcarbondioxide, discussesthetechnicaltrendofcarbondioxidereduction, andprovidesareferenceforcarbondioxideemissionreductionandutilizationinChina.Duringcombustion, itiskeyto reducecarbondioxide, whichcanbeachievedthroughrinsingandcleaningcoaltechnologies.Pre-combustioncapture, chemical-looping, absorptionseparationareeffectiveinseparatingandcapturingcarbondioxide.Geologicalsealingof carbondioxideincludingoil-gasreservoirsealing, deepsaltwaterlayersealing, coalsealinganddeepseasealing, of whichoil-gasreservoirsealingalongwithenhancedoilrecovery(EOR)isthebestway.Chinawillsurelymake achievementsincarbondioxidereductionassupportedbytechniques. Keywords:carbondioxideemissionreduction;absorptionseparation;geologicalsealing, CO2 -EOR
放 , 建设资源节约型和环境友好型社会 。 中国政府 做出承诺 , 到 2020年我国单 位国内生产总值二氧
化碳排放比 2005年下降 40% ～ 45%, 非化石能源 占一次能源消费的比重达到 15%左右 [ 1] 。
近年来 , 国内外二氧化碳减排的研究工作可归 纳为以 下几个方 面[ 2] :1)源头控 制 , 节约 能耗 ,
过选煤达到节煤 , 同时提高燃煤的燃烧效率即可达 到减少二氧化碳排放的目的 。 目前发达国家煤炭的 3.1 燃后二氧化碳捕集与分离技术
入选率已经达到 90%以上 , 但是我国煤炭的入选率
烟气中二氧化碳的吸收分离法是指利用吸收剂
不到 40%, 因 此选煤技术在 我国有很大的发 展潜 吸收混合气体中 的二氧化 碳而达到 分离目的 的方
吸收分离即采用吸收的方法达到提纯二氧化碳
的目的 , 主要包括液体吸收剂和固体吸收剂 。液体 吸收剂有甲醇等 , 较适合高二氧化碳 分压的烟气 。 固体吸附分离是基于气体与吸附剂表面上活性点之
间的分子间引力实现的 。 二氧化碳的吸附剂一般为 沸石 、 活性炭和分子筛等 。
膜分离法在二氧化碳分离方面还处于试验阶段 。 迄今在工业上应用的二氧化碳分离膜 , 其材质主要 有 :醋酸纤维 、 乙基纤维素和聚苯醚及聚砜等 。
燃烧后捕集二氧化碳技术的潜在捕集效率可达 90%, 但二氧化碳的后续处理 (浓缩提纯 )成本太 高 (图 1), 目前的减排技术 会使发电成本大幅上 升 , 制约了这些技术的工业应用 。 对此 , 东南大学 的沈来鸿教授提出了基于循环载氧体的化学链燃烧
技术 (ChemicalLoopingCombustion)。这是一种基 于零排放理念的燃烧技术 , 燃烧产物只需经过冷凝 就可实现二氧化碳的分离 , 能将二氧化碳从燃烧物 中直接分离出来 , 同时抑制 /脱除气体污染物 。
4.TurpanOilProductionPlant, TuhaOilfield, Turpan838202, China)
2009年 12月 7— 18日召开的哥本哈根会议提
高效的燃气涡轮发电机 , 天然气在发电领域替代固 体燃料还可进一步将每 Kw· h的二氧化碳排放量减 少到煤炭或褐煤发电的 35% ～ 40%。
出 , 面对气候变化的严峻挑战 , 我们必须采取更加
用天然气替代石油作为运输燃料也有利于减少
强有力 的政策措 施与行动 , 努力控 制温室气 体排 二氧化碳的排放 , 现在的技术可使二氧化碳排放量
减少 15%, 如果大多数市场转而利用天然气的特殊 性 能 (高 辛 烷 值 ), 则 二 氧 化 碳 排 放 量 可 减 少 25%[ 4] 。
3 二氧化碳捕集与分离技术
提高能源利用率和 转化率 ;2)二氧化 碳的封 存 ;
目前 , 二氧化碳捕捉主要有 3种技术路径 :1)
3)吸收利用烟气中的二氧化碳 ;4)国内外正在研 燃后捕获 , 从燃烧生成的烟气中分离二氧化碳 ;2)
化学吸收法是指二氧化碳与吸收剂进行化学反
碳减排的方法 。
应而形成一种弱联结的化合物 。典型的吸收剂有单
此外 , 将旧的工业锅炉改造成循环流化床锅炉 乙醇氨 (MEA)、 N-甲 基二 乙醇 胺 (MDEA)等 ,
可以提高锅炉热效率 , 节省煤耗 , 实现减排 。目前 适合于中等或较低二氧化碳分压的烟气 。 采用氨水
3.2 富氧燃烧技术
CARBONDIOXIDEEMISSIONREDUCTIONANDUTILIZATION TECHNOLOGYINCHINA
LUOJin-ling1, 2 , GAORan1, 2 , HUANGWen-hui1, 2 , HUODa3 , WANGYan-ning4
(1.KeyLaboratoryofMarineReservoirEvolvementandHydrocarbonAccumulationMechanism, MinistryofEducation, ChinaUniversityofGeosciences, Beijing100083, China;
第 wenku.baidu.com期
罗金玲等 :中国二氧化碳减排及利用技术发展趋势
133
用天然气替代固体燃料有利于减少二氧化碳的
1 中国二氧化碳减排形势
排放 。 在能量等值的基础上 , 天然气的二氧化碳排
放量仅为固体燃料相应排放量的 55%。 由于采用更
每年全球有 250多亿 t二氧化碳排放 , 中国已 达 60多亿 t[ 1] , 位居世界第一 。
第 13卷第 1期 2011年 2月
资源与产业
RESOURCES＆ INDUSTRIES
Vol.13 No.1 Feb.2 01 1
中国二氧化碳减排及利用技术发展趋势
罗金玲 1, 2 , 高 冉 1, 2 , 黄文辉 1, 2 , 霍 达 3 , 王彦宁 4
(1.中国地质大学 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室 , 北京 100083; 2.中国地质大学 能源学院 , 北京 100083; 3.北京大学 工学院 , 北京 100083; 4.吐哈油田 吐 鲁番采油厂 , 新疆 吐鲁番 838202)
度而言 , 燃煤二氧化碳的减排是关键 。
两种技术的研发 , 并已在德国 、 瑞典 、 美国等国家
首先 , 选煤技术是实现煤炭高效 、 洁净利用的 的 9 个试验工厂中测试新技术 。而应用富氧燃烧捕
首选方案 , 它主要利用物理 、 物理 -化学等方法除 捉技术的法国道达 尔示范电厂已经成 功捕捉了 15 去煤炭中的灰分和杂质 , 如煤矸石和黄铁矿等 。 通 万 t二氧化碳 [ 5] 。
发应用的新技术 。
燃前捕获 , 又称氧气 /二氧化碳燃 烧技术或空气分
2 提高能源利用率实现减排
离 /烟气再循环技术 ;3)富氧燃烧 , 通过燃前脱碳 即在燃烧前将燃料中的碳脱除 。其中燃前捕捉技术
只能用于新建发电厂 , 另两种技术则可同时应用于
中国能源结构以煤为主 , 从温室气体减排的角 新建和既有发电厂 。 法国阿尔斯通公司正专注于后
二氧化碳的全新方法 。使用该方法可以得到高纯度 的二氧化碳 ;其副产品碳酸氢铵是我国农业上广泛 应用的氮肥 , 同时在氨水碳化过程中加入某种催化
13 4
资源与产业
2 011 年
剂解决了 NH4 HCO3 易挥发的问题 。 3.1.2 物理吸收分离法
物理吸收法可归纳为吸收分离 、 膜分离和低温 蒸馏分离 。
力 。其次 , 洁净燃煤技术 , 如循环流化床锅炉 ;煤 炭转化技术 , 如煤炭气化和液化技术 ;电力行业中 煤电的整体煤气化联合循环技术 (IGCC)[ 3] 等 , 都
法 。按照吸收原理的不同 , 它可以分为化学吸收法 和物理吸收法[ 2] 。 3.1.1 化学吸收分离法
是不错的提高能源利用率及转化率同时实现二氧化
我国正在使用的工业锅炉约 50万台 , 年耗煤量超 作为吸收剂脱除燃煤烟气中二氧化碳也是普遍采用
过 4 亿 t, 平均热效率仅为 55% ～ 65%, 平均排放 的二氧化碳固定方法 。
当量为每 t煤 1.136 t二氧化碳 。 其中 , 浙江大学将
目前中南大学开发出一种用氨水洗涤烟气脱除
1台 10 t/h的链条炉改造成循环流化床锅炉 , 锅炉 效率由原来的 65%提高到 85%, 二氧化碳排放减 少 20%[ 2] 。
摘 要 :减缓以至最终有效控制能源生产利用过程中二氧化碳的排放 , 是中国能源生产面 临的重大 挑战 。 文 章从提高能源利用效率和转化效率以及二氧化碳的捕集 、 分离和利用等方面介绍了 中国二氧化碳减排的 各种 技术现状 , 并对二氧化碳减排技术的发展方向作了初步探讨 , 为中国二氧化碳减排及利用前 景提供了一 定的 参考 。 燃煤过程中二氧化碳的减排是关键 , 洗煤技术 、 高效清洁煤技术等都可有效减少二 氧化碳排 放 ;分离 捕集二氧化碳可利用燃前捕获 、 化学链燃烧技术 、 吸收分离法等 。 二氧化碳地质埋存包括 油气藏埋 存 、 深部 盐水层埋存 、 煤层埋存和深海埋存 。 其中在油气 藏埋存的 同时进 行 EOR (EnhancedOilRecovery)是二 氧化 碳地质埋存的最佳方式 。 随着各项技术的完善 , 中国二氧化碳减排必将取得显著成效 。 关键词 :二氧化碳减排 ;吸收分离 ;地质埋存 ;二氧化碳 -EOR 中图分类号 :F205 文献标识码 :A 文章编号 : 1673 -2464 (2011) 01 -0132 -06
低温分离法是在 31℃和 7.39 MPa下 , 或在 12 ～ 23℃和 1.59 ～ 2.38 MPa下 , 二氧化碳具有液化 的特性 。低温法利用二氧化碳这一特性对烟气进行 多级压缩和冷却 , 使二氧化碳液化 , 从而达到分离 的目的 。
除了可以通过以上措施来限制二氧化碳的产生 外 , 近年来 , 二氧化碳超低临界萃取技术也得到了 长足发展 , 并有望形成独立的产业 。 该技术已经可 以利用回收二氧化碳来生产碳酸镁 , 聚合成性能与 聚乙烯相似的可以降解的塑料 。
收稿日期 :2010-03 -13;修订日期 :2010 -11 -08;责任编辑 :刘英姿 。 基金项目 :国家自然科学基金 (40972106)。 第一作者简介 :罗金玲 (1986— ), 女 , 硕士生 , 主要从事储层特征及能源环境问题研究 。 E-mail:2005 lanjingling@sina.com
Abstract:Toreduceandultimatelycontrolcarbondioxideemissionduringenergyproductionandutilizationisa challengeforChina' senergyproduction.Thispaper, basedonincreasingenergyutilizationefficiencyandconversion efficiency, capturing, separatingandusingcarbondioxide, discussesthetechnicaltrendofcarbondioxidereduction, andprovidesareferenceforcarbondioxideemissionreductionandutilizationinChina.Duringcombustion, itiskeyto reducecarbondioxide, whichcanbeachievedthroughrinsingandcleaningcoaltechnologies.Pre-combustioncapture, chemical-looping, absorptionseparationareeffectiveinseparatingandcapturingcarbondioxide.Geologicalsealingof carbondioxideincludingoil-gasreservoirsealing, deepsaltwaterlayersealing, coalsealinganddeepseasealing, of whichoil-gasreservoirsealingalongwithenhancedoilrecovery(EOR)isthebestway.Chinawillsurelymake achievementsincarbondioxidereductionassupportedbytechniques. Keywords:carbondioxideemissionreduction;absorptionseparation;geologicalsealing, CO2 -EOR
放 , 建设资源节约型和环境友好型社会 。 中国政府 做出承诺 , 到 2020年我国单 位国内生产总值二氧
化碳排放比 2005年下降 40% ～ 45%, 非化石能源 占一次能源消费的比重达到 15%左右 [ 1] 。
近年来 , 国内外二氧化碳减排的研究工作可归 纳为以 下几个方 面[ 2] :1)源头控 制 , 节约 能耗 ,
过选煤达到节煤 , 同时提高燃煤的燃烧效率即可达 到减少二氧化碳排放的目的 。 目前发达国家煤炭的 3.1 燃后二氧化碳捕集与分离技术
入选率已经达到 90%以上 , 但是我国煤炭的入选率
烟气中二氧化碳的吸收分离法是指利用吸收剂
不到 40%, 因 此选煤技术在 我国有很大的发 展潜 吸收混合气体中 的二氧化 碳而达到 分离目的 的方
吸收分离即采用吸收的方法达到提纯二氧化碳
的目的 , 主要包括液体吸收剂和固体吸收剂 。液体 吸收剂有甲醇等 , 较适合高二氧化碳 分压的烟气 。 固体吸附分离是基于气体与吸附剂表面上活性点之
间的分子间引力实现的 。 二氧化碳的吸附剂一般为 沸石 、 活性炭和分子筛等 。
膜分离法在二氧化碳分离方面还处于试验阶段 。 迄今在工业上应用的二氧化碳分离膜 , 其材质主要 有 :醋酸纤维 、 乙基纤维素和聚苯醚及聚砜等 。
燃烧后捕集二氧化碳技术的潜在捕集效率可达 90%, 但二氧化碳的后续处理 (浓缩提纯 )成本太 高 (图 1), 目前的减排技术 会使发电成本大幅上 升 , 制约了这些技术的工业应用 。 对此 , 东南大学 的沈来鸿教授提出了基于循环载氧体的化学链燃烧
技术 (ChemicalLoopingCombustion)。这是一种基 于零排放理念的燃烧技术 , 燃烧产物只需经过冷凝 就可实现二氧化碳的分离 , 能将二氧化碳从燃烧物 中直接分离出来 , 同时抑制 /脱除气体污染物 。