火电厂CO2 捕集技术路线

火电厂CO2 捕集技术路线

近年来,越来越多的学者认为全球气候变暖和海平面上升是由CO2 为主导因子的温室效应引发的。CO2 的排放速度正随着人类利用能源速度的增长而迅速增长,据联合国政府间气候变化专门委员会( IPCC) 预测, 人类活动产生的CO2 将从1997年的271亿t/ a至2100年的950亿t/ a,而大气中CO2 也将从现有的360 ×10- 6增长到2050年的720 ×10- 6。欧盟委员会在2006年发表的《欧洲安全、竞争、可持续发展能源战略》中,明确地将“加大研发CO2 捕集和埋存新技术、努力减少温室气体

排放”作为其一系列政策与措施之一。

在人类排放的CO2 中,电厂是最大的排放源。电厂烟气是CO2 长期、稳定、集中的排放源,其CO2 排放量占全球排放总量的37. 5%。从电厂烟气中捕集回收CO2 不仅是缓解CO2 排放危机的有效手段,还能通过回收有价值副产品而降低减排成本。控制电厂CO2 的排放是人类减少CO2 进入大气最重要的切入点。

针对火电厂排放的CO2 ,考虑到燃料主要由碳、氢、氧三种元素构成,而空气是助燃气体,从燃烧的不同阶段划分, 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。

燃烧后脱碳技术是在燃烧后的烟气中捕集或分离CO2。由于火电厂排放烟气中CO2 分压低、处理量大,投资和运行成本比较高。

燃烧前脱碳是在碳基燃料燃烧前,将其化学能从碳转移到其他物质中,再将其分离。

作为当今国际上最引人注目的高效清洁发电技术之一, IGCC是最典型的可以进行燃烧前脱碳的系统。它将煤炭气化与燃气—蒸汽联合循环有效地结合起来,实现了能量的梯级利用,将煤中的化学能尽可能多地转化为电能,极大地提高了机组发电效率。燃料进入气化炉气化,生产出煤气,然后再将煤气重整为CO2和H2 ,将燃料化学能转到H2 中,然后再分离CO2 和H2。一般IGCC系统的气化炉都采用富氧或纯氧技术,所需气体体积大幅度减小、CO2 体积分数显著变大,从而大大降低投资和运行费用。目前世界上已经运行的IGCC机组,其供电效率已经达到43%左右,随着相关关键技术的不断发展,还能进一步提高到50%左右。

富氧燃烧技术技术是利用空气分离系统获得富氧,然后燃料与O2 共同进入专门的富氧燃烧炉进行燃烧,一般需要将燃烧后的烟气重新回注燃烧炉,这一方面降低了燃烧温度,另一方面也提高了CO2 的体积分数。由于惰性成分氮气浓度大大降低,无谓的能源消耗大幅度降低, 30% ～40%的富氧空气燃烧就可以降低燃料消费20% ～30% ,提高了热效率,同时,

烟气中CO2 的浓度可提高近90% ,从而更容易捕集。但该技术需要专门材料制作的富氧燃烧设备以及空气分离系统,这将大幅度提高系统投资成本,目前大型的富氧燃烧技术仍处于

研究阶段。

化学链燃烧技术是与空气不直接接触的工况下,燃料与金属氧化物反应, CO2 产生在专门的反应器中,从而避免了空气对CO2 的稀释。金属氧化物与燃料进行隔绝空气的反应,产生热能、金属单质以及CO2 和水,金属单质再输送到空气反应器中与氧气进行反应,再生为金属氧化物。

反应生成的CO2 和水处于反应器中,所以CO2的捕获非常容易。该法的经济性要依靠大量可以无数次循环再生的有活性的载氧体,控制载氧体的磨损和惰性是该技术的关键。由于其经济性好,作为烟气中捕集分离CO2 的方法前景看好。

归纳起来,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。近年来,还研究开发出了许多新方法,如电化学法、酶法、光生物合成法、催化剂法等。

工业上采用的气体吸收法可分为物理吸收法和化学吸收法:

(1)物理吸收法。该法是在加压下用有机溶剂对酸性气体进行吸收来达到分离脱除的目的。由于不发生化学反应,溶剂的再生通过降压来实现,因此所需再生能量相当少。该法关键是确定优良的吸收剂。所选的吸收剂必须对CO2 的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、性能稳定。

典型的物理吸收法有环丁砜法、聚乙二醇二甲醚法、甲醇法,另外,还有N - 甲基吡咯烷酮法、粉末溶剂法,三乙醇胺也可作为物理溶剂使用。

(2)化学吸收法。该法是原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应, CO2 被吸收至溶剂中成为富液,富液进入解析塔加热分解出CO2 从而达到分离回收CO2 的目的。图1为化学吸收法工艺流程示意图。化学吸收法的关键是控制好吸收塔和解析塔的温度与压力。

传统的化学溶剂一般用K2 CO3 水溶液或乙醇胺类的水溶液。回收烟气中的CO2 采用以一乙醇胺(MEA)为主溶剂的MEA法。用氨水洗涤烟气脱除其中的CO2 ,因其低成本、高效率等特点得到广泛的关注。另外,采用石灰石循环煅烧和吸收烟气中CO2 也被认为是一种高效、经济的方法,但这种吸收方法循环效率降低得比较快,吸收剂的利用效率也比较低。

对于CO2 分压低的烟道气,适合用化学溶剂;而CO2 分压较高时,则适合用物理溶剂。物理和化学吸收法对CO2 的吸收效果好,分离回收的CO2 纯度高达99. 9%以上,而且H2 S 脱除率可达100% ,其缺点是成本较高。

传统的回收烟气中CO2 主要采用以一乙醇胺为主溶剂的MEA法。

1MEA法回收CO2 的反应原理

MEA与CO2 的反应:

CO2 + 2HOCH2CH2NH2 → HOCH2CH2HNCOO- + HOCH2CH2NH+3 (1)

2MEA法回收CO2 的工艺流程

烟气经洗涤冷却后由引风机送入吸收塔,其中大部分CO2 被溶剂吸收,尾气由塔顶排入大气。吸收CO2 后的富液从塔底流出,由塔底经泵送至冷凝器和贫富液换热器,回收热量后送入再生塔。再生出的CO2 经冷凝后分离除去其中的水分,得到纯度大于99. 5%的CO2 产品气,送入后续工序。再生气中被冷凝分离出来的冷凝液送入地下槽,用泵送至吸收塔顶洗涤段和再生塔作回流液使用。部分解吸了CO2 的溶液进入再沸器,使其中的CO2 进一步再生。再生塔底部出来的贫液经贫富液换热器换热后送至水冷器,最后进入吸收塔顶部。此溶液往返循环构成连续吸收和再生CO2 的工艺过程。

3MEA法技术应用评价

MEA法已经过了广泛的研究,并成功地应用于化工厂的CO2 回收。但是, MEA 技术具有成本较高、吸收慢、吸收容量小、吸收剂用量大、设备腐蚀率高、胺类会被其他烟气成分降解、吸收剂再生时能耗高等不足。因此,有必要对该技术进行改进,以降低成本,提高吸收剂的利用效率。

最近几年,用氨水洗涤烟道气脱除CO2 的技术得到了世界范围的关注。美国Powerspan 公司开发了ECO2 捕集工艺, 可用氨水捕集电厂烟气中的CO2。BP替代能源公司与Powerspan公司正在开发和验证Powerspan公司基于氨水的CO2 捕集技术,下一步将把该技术商业化应用于燃煤电厂。

1ECO2 技术吸收CO2 的原理

由于电厂烟气中CO2 含量高达16% ,这样,脱除过程所需的氨气浓度必然会很高,而氨气的爆炸极限是15% ～28% ,若设计不合理,则很容易引起爆炸,因此不推荐采用干法脱碳。一般都采用氨水喷淋的方法,总反应如式下:

CO2 + NH3 + H2O → NH4HCO3 (2)

实际反应比较复杂,可视为分步反应,首先生成NH2COONH4 :

CO2 + NH3 → NH2COONH4 (3)

NH2COONH4 + H2O → NH4HCO3 + NH3 (4)

NH3 + H2O → NH4OH (5)