燃煤电厂二氧化碳捕集_利用与封存技术_许世森

1背景
气候变化已成为一个世界性的热点话题。

2007年6月举行的八国集团德国海利根达姆首脑会议、9月举行的澳大利亚亚太经合组织峰会、第62届联合国大会等一系列国际会议上，气候变化成为国际外交舞台的主旋律。

此外，2007年度诺贝尔和平奖授予了致力于温室气体减排的美国前副总统戈尔与联合国政府间气候变化专家小组（IPCC）。

全球气候变化所造成的影响十分明显，这种影响是全方位的、多层面的，既包括正面影响，同时也包括负面效应。

但目前它的负面影响更受关注，因为这可能会对人类社会的生存与发展不利，特别是对一些脆弱的生态系统和社会经济的脆弱地区及部门。

IPCC预测，21世纪全球平均气温升高的范围可能在1.4℃~5.8℃之间，实际上升多少，取决于21世纪人类化石燃料的消耗量，而其中最主要是电力行业的消耗，因为其几乎占据了近一半的份额。

我国经济持续高速增长导致能源大量消耗，特别是煤炭消耗大幅提高，二氧化碳减排的形势严峻，中国政府在国际上承担遏制全球变暖的政治压力很大。

据《中国电力工业CO2排放的现状及减排的潜力评估》报告分析，我国燃煤电厂2005年排放的二氧化碳约21亿吨，而到了2007年这一数字就超过了27亿吨。

燃煤电厂二氧化碳
捕集、利用与封存技术
西安热工研究院有限公司许世森郜时旺
摘要：结合华能集团在CO2捕集方面所开展的工作，介绍了国内外在燃煤电厂CO2捕集、利用与封存方面的技术进展。

建设附CO2捕集和封存（CCS）的低碳排放燃煤电厂，是今后燃煤发电所必须面对的课题，同时对CO2的资源化利用也应引起足够的重视。

关键字：二氧化碳捕集与封存（CCS）；利用；燃煤电厂
Capture,Utilization and Storage Technology
of Carbon Dioxide in Coal-fired Power Plant
Xu shi sen,Gao shi wang
Abstract:Based on capture tasks of carbon dioxide in huaneng group,the article introduces capture,utilization and storage technology development of carbon dioxide in domestic and oversea countries.Planning to construct a low carbon emission coal-fired power plant with capture,utilization and storage technology of carbon dioxide,which is a important topic to coal-fired power plant and great attention is paid to resource utilization of carbon dioxide.
Keywords:CCS(capture and storage of carbon dioxide);utilization;coal-fired power plant
针对由于二氧化碳的大量排放造成的气候变化问题，国际能源署（IEA）设计了二氧化碳减排的三种情景：第一种是在目前情况下，不采取任何其他附加的变化或者说其他的干预，到2050年，石油消费将增加70%，二氧化碳排放增加130%，全球气温最少要增加6℃；第二种情景被称为ACT情景，应用现有技术，将2050年的排放量控制在现在的水平；第三种情景是被称为BLUE情景，到2050年，二氧化碳的排放量在现有基础上减少50%，根据可预计的技术水平，其中38%的减排量将来自电力行业，即大量采用低碳发电技术。

低碳发电技术归纳起来主要有：（1）提高能源效率。

如超（超）临界燃煤锅炉机组、联合循环机组等。

效率的提高可使生产单位电力所需的燃料减少，从而减少CO2的排放量。

（2）改革传统的煤炭燃烧利用方式。

新型的O2/ CO2循环燃烧技术、基于循环氧载体的链式燃烧技术、煤气化制氢技术等。

（3）CO2的捕集、利用与封存技术。

其中二氧化碳捕集、利用与封存技术被认为是最主要的低碳发电技术之一。

2燃煤电厂二氧化碳捕集
燃煤电厂二氧化碳捕集是指将CO2从燃煤锅炉尾部烟道中通过物理或化学方法分离出来并浓缩聚集的过程。

投资和运行费用昂贵是二氧化碳捕集最大的障碍，因此，降低投资费用和运行能耗是该技术发展的方向。

在电厂主要有3种不同的捕集技术路线，即：燃烧前脱碳、燃烧后脱碳以及富氧燃烧技术。

2.1燃烧前脱碳技术
燃烧前脱碳技术（PCDC）是指在碳基燃料燃烧前，首先将其化学能从碳中转移出来，然后再将碳和携带能量的其他物质进行分离，这样就可以实现碳在燃料利用前进行捕集。

整体煤气化联合循环发电技术（IGCC），就是最典型的可以进行燃烧前脱碳的系统。

IGCC是结合了煤气化技术与联合循环发电技术的新型发电技术。

IGCC对气化得到的煤气进行变换反应，使煤气转变为CO2和H2，最终将燃料化学能转移到H2上，然后再对CO2和H2进行分离。

基于IGCC的PCDC处理的气体具有高的气体压力和CO2浓度，这使得物理吸附法比化学吸附法更能体现出优势。

分离CO2的典型物理吸收法是聚乙二醇二甲醚法（Selexol法）和低温甲醇法（Rectisol法）。

这两种方法都属于低温吸收过程，Selexol法的吸收温度一般在-10℃～15℃，低温甲醇法的吸收温度一般在-75℃～0℃。

另外，这两种技术能够同时脱除CO2和H2S，且净化度较高，便可以在系统中省去脱硫单元，但相应需要采用耐硫变换技术。

Selexol法的溶剂由美国Norton公司开发，一些商业应用的数据没有公开，其成本以及投资和操作费用较高，只有像在IGCC进行燃烧前脱碳这种高的CO2浓度和高压时才能显示其优势。

低温甲醇法在化工行业已得到了多年应用，其主要缺点是工艺流程庞大，而且吸收过程中甲醇蒸汽压较高，致使其溶剂损失较大。

目前大多数基于IGCC进行CCS的研究计划都选择Selexol法进行物理吸收。

另外，膜分离技术被公认为是在能耗降低和设备紧凑方面具有非常大潜力的技术。

目前各种用于气体分离的无机膜都正在被开发，其中以钯基膜产品的开发得到最迅速的发展。

目前国内外提出的多项降低CO2排放的洁净煤发电计划中，绝大部分是基于IGCC发电技术的，并集成了燃料电池、氢气轮机、碳捕集与封存等技术手段，最终实现包括CO2在内的近零排放。

1）美国“FutureGen（未来电力）”计划：2005年12月，美国能源部与美国未来电力企业联盟（FutureGen Industry Alliance）正式签署协议，计划建造一座集二氧化碳捕集和封存、发电、制氢于一体的研究性电厂。

FutureGen计划是将煤炭用氧气、水蒸汽气化产生一氧化碳和氢气，再将一氧化碳经变换反应生成二氧化碳和额外的氢气。

将氢气和二氧化碳分离后，氢气直接用于燃气蒸汽联合循环发电产生电力。

而二氧化碳则泵送到几千尺深的盐水井中液化贮存（也可贮存在采空的煤矿井和枯竭的石油井中）。

许多公司都参与其中，包括美国的
Peabody Energy Corp.、英澳公司必和必拓（BHP Billiton Ltd.）、力拓公司（Rio Tinto）、中国的华能集团等。

由于资金问题，项目目前处于暂停状态
2）中国“GreenGen（绿色煤电）”计划：2005年12月，由中国华电等能源、投资国有大企业联手组建的以研发、建设、运营我国第一个拥有自主知识产权的近零排放的“绿色煤电”示范电站为最终目标的绿色煤电有限公司宣告成立。

绿色煤电的目标是研究开发和示范推广以整体煤气化联合循环(IGCC)为基础，以煤气化制氢、氢气轮机联合循环发电和燃料电池发电为主、并进行CO2分离和处理的煤基能源系统；大幅度提高煤炭发电效率，使煤炭发电达到污染物和CO2的近零排放。

其流程见图1。

绿色煤电计划主要涉及以下几个关键技术：大型高效煤气化技术、煤气净化技术、氢气轮机发电技术、燃料电池发电技术、膜分离技术、CO2封存技术、系统集成技术。

绿色煤电计划分为三个阶段，将用十余年的时
间完成。

最终形成一座250MW IGCC示范电站及一座400MW的绿色煤电近零排放示范电站。

目前第一阶段250MW IGCC电站已经进入施工安装期，预计2010年底投入运行。

3）ZeroGen计划：ZeroGen项目由澳大利亚昆士兰州政府所有的电力公司Stanwell Corp.牵头，荷兰皇家壳牌有限公司（Royal Dutch Shell Plc）和美国的通用电气公司（General Electric Co.）提供技术支持。

ZeroGen项目旨在将煤转化成富氢气体和高压二氧化碳，通过燃烧这种气体来驱动一台高效涡轮机发电，二氧化碳通过管道被输送到约220公里以外的地方，然后被埋存于地下盐水层中。

此外，国际社会也加强合作，通过多国多研究机构合作的方式进行技术研发，目前影响力较大的是中欧COACH项目和中英NZEC项目。

中欧碳捕集与封存合作项目（Cooperation Action within CCS China-EU，以下简称“COACH项目”）是在中国与欧盟签订的CCS合作
图1绿色煤电项目流程简图
谅解备忘录框架下开展的中欧合作项目，已列在欧盟第六框架计划中可持续发展能源项下，旨在针对中国快速增长的能源需求，加强中欧之间在全球气温控制领域的合作。

COACH项目的主要目标是通过中欧开展密切长久的国际合作来应对中国日益增长的能源需求，为在中国建设大型包括CO2捕集与封存的多联产能源设施示范奠定基础。

项目以欧洲技术为基础，为实现大型的多联产发电技术以及包括制氢、液体燃料、供热等煤基发电集成技术作好准备。

CO2捕集与永久封存（包括提高油气采收率）将成为COACH项目实施的先决条件。

为此COACH提出了3个议题：煤基多联产煤气化与CO2捕集存储；中国CO2地质存储可靠性调查；探讨相关社会体系，包括法律、法规、资金和经济领域等公共问题。

西安热工研究院作为项目管理成员之一与CO2燃烧前捕集工作组的牵头单位，主要负责部分管理协调工作与CO2捕集技术的发展与交流，并为中欧下一步的合作示范项目的方案选择提供技术支持。

2.2燃烧后脱碳技术
燃烧后脱碳技术（PCC）顾名思义就是在燃烧设备（锅炉或燃机）后的烟气中捕集或者分离CO2。

这种技术路线几乎可使用于任何现有的煤基电厂，并且对原有的电站系统改动较小。

现有的绝大多数火力发电技术，包括新建和改造，都只能采用PCC 的方法进行CO2的分离。

但另一方面，采用PCC方法需要处理的烟气量大、排放压力低、CO2的分压小，投资和运行成本都很高。

1）MEA法
MEA（一乙醇胺）具有较强的碱性，与CO2反应速率较快，具有吸收速度快、吸收能力强的特点。

MEA法存在的主要问题是装置的能耗较高，且MEA的氧化降解较严重；目前正准备通过优化吸收/再生工艺的结构及使用抗氧化添加剂等措施以降低操作成本。

与常规醇胺法比，新工艺开发成功后约可降低捕集成本50%以上。

MEA适合在CO2分压力较低的情况下应用，吸收率受操作压力影响不大，既可在高压下操作，也可在常压下操作，操作温度与烟气温度相当，同时，MEA在醇胺类吸收剂中碱性最强，反应速度快，吸收能力在醇胺类溶剂中最强，因此，MEA法比较适合用于烟气中CO2回收。

2）热钾碱法
另一种极具发展前景的吸收/再生法脱碳工艺是以哌嗪（piperazine）为活化剂的热钾碱法，由于此法的吸收/再生过程的操作温度相差不大，故与常规醇胺法相比，再生热量的消耗可下降50%～75%。

3）氨法脱碳
氨水喷淋法是化学吸收法的一种。

与MEA法相比，氨水具有明显的优势：吸收容量高达1.2kg CO2/kg NH3；溶液单价成本仅为MEA的1/6。

缺点是普通碳铵不稳定，挥发损失大，吸收的碳易分解重返大气，削弱了CO2的吸收效率；吸收反应需要在较低温度下进行，低于10℃，烟气降温耗能较大。

采用MEA脱碳技术的电站有美国Warrior Run 电站和Shady Point电站。

美国Warrior Run电站为180MW CFB锅炉，燃用美国马里兰州煤，年耗煤65万吨。

该电站采用ABB Lummus胺洗涤工艺分离CO2，2000年投运，每天可生产150吨食品级CO2。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）能源中心近几年针对燃煤电厂烟气分别进行了MEA法和氨法CO2捕集试验，分别在Loy Yang电厂和Munmorah电厂各建立了一套试验装置。

西安热工研究院在中国华能集团的支持下在华能北京热电厂建设了3000吨/年烟气CO2捕集试验示范工程，全部采用国产设备，为我国首套燃煤电厂CO2捕集装置。

2008年7月16日，该装置移交生产，技术指标达到国际先进水平，CO2纯度可达到99.6%，经过精处理后可达到99.99％的食品级要求。

标志着西安热工研究院已掌握燃煤电厂二氧化碳捕集装置的设计、建设和调试运行技术。

该示范工程是我国CO2减排技术在燃煤发电领域的首次应用，既为举办绿色奥运添彩，又开创了CO2捕集新的技术途径。

目前该CO2捕集技术已用于华能上海石洞口发电有限责任公司10万吨/年脱碳工程。

该工程是对二氧化碳捕集技术的第二次示范，并为二氧化碳捕集与封存的广泛应用进行技术储备。

工程烟气处理量82000m3/h，预计年捕集二氧化碳10万吨，所得产品将出售给饮料或干冰制造商。

项目将于2009年底建成投产。

2007年8月，中国华能集团公司与北京市政府签署了《关于推进二氧化碳捕集与处理技术研究及加强能源合作框架协议》，筹备成立“北京温室气体捕集与处理实验室”；2008年12月，华能集团公司与上海电气合作成立华能上海电气温室气体减排研究中心，该中心将根据国家节能减排要求，研究温室气体减排技术和能源高效利用技术，进行节能减排领域高新技术的开发、转化和推广应用。

3二氧化碳利用
二氧化碳是导致温室效应的主要温室气体，同时，二氧化碳本身也是一种宝贵的资源。

因此，二氧化碳的开发利用研究已逐步成为各国科技开发部门的热门课题。

CO2是一种重要的工业气体，CO2及其衍生产品应用广泛、前景广阔。

回收的二氧化碳可以广泛用于制造碳酸饮料、烟丝膨化处理、金属保护焊接、合成有机化合物、灭火、制冷等，也可用于强化石油开采（EOR）和强化煤层气开采（ECBM）。

碳酸饮料生产CO2可用作汽水、啤酒、可乐、碳酸饮料等充气添加剂。

目前，我国碳酸饮料的人均年消费量不到5kg，与发达国家和地区相比(如西欧为110kg，美国为150kg)有较大的差距，发展潜力较大。

烟丝膨松剂液体CO2用于烟丝膨化处理，可使每箱香烟节约5%-6%的烟丝，并提高烟丝的质量。

我国每年生产香烟2000万箱左右，如10%用CO2膨化处理，则年CO2耗量达60万t，如全部使用CO2膨化处理，则年CO2耗量达600万吨，应用前景十分看好。

焊接保护气CO2保护焊是一种高效率、低污染、低成本、省时省力的焊接方法，已经在集装箱、船舶、汽车以及金属结构的焊接中得到应用。

我国CO2气体保护焊接仅占全部焊接的5%，发达国家67%，全球平均23%，发展前景十分乐观。

强化石油开采（EOR）通过向油藏注入CO2来提高油田采收率，从世界范围内来看相对比较成熟，且在近年来发展较为迅速。

以美国为例，2004年美国国内有71个CO2EOR项目运行，采用CO2 EOR技术每日生产原油206000桶，占全部原油产量的约4%。

我国在利用EOR技术上也有很大潜力。

据测算，我国低渗油藏中约有32亿吨适合用于CO2 EOR，占全部低渗油藏的50.6%。

强化煤层气开采（ECBM）向不宜开采的深煤层中注入CO2，利用CO2在煤体表面的被吸附能力是CH4的2倍的特点来驱替吸附在煤层中的煤层气，可以同时达到提高煤层气的采收率和埋存CO2的目的。

2008年我国CO2产量约为271.2万吨；华东地区是最大CO2生产地，产量为177.1万吨；全国CO2消费以工业级CO2为主，而工业级中又以焊接领域所占比例为最大，达133.3万吨，占工业级总量的86%，占CO2总消费量的50%。

我国CO2的资源化利用有很好的发展前景。

4二氧化碳封存技术
电厂捕集产生的CO2气体量非常巨大，化工、食品和材料等行业的需求相对是非常少的，大量的气体只能通过地质封存和海洋封存来处理。

海洋封存通过海上管道或者轮船输送到封存地，然后经过高压注入到海洋中。

海洋封存主要有浅海（200～300m）溶解封存、深海（>500m）笼形包合物封存、深海（>3000m）笼形水合物封存。

深海储存是有可能实现大规模长期储存二氧化碳的理想方式，但涉及技术经济、环境影响等一系列复杂的问题有待解决，故目前尚处于探索阶段。

地质封存利用类似自然界中地质封存天然气
8月25日，由上海市经信委和金山区人民政府主办的上海市推进高新技术产业化新材料领域对接会在金山举行。

市经信委秘书长周敏浩主持会议并介绍上海市推进新材料高新技术产业化行动方案和政策措施。

他指出，目前上海掀起发展高新技术产业化高潮是应对国际金融危机、力争在国际竞争中抢占科技制高点的重要举措，是利用上海丰富的科技资源推动上海经济又好又快发展的最佳机遇。

新材料是所有产业发展的基础，涉及范围广、关联度高、带动力强，在发展高新技术、改造和提升传统产业、增强综合竞争力等方面都具有重要意义。

周敏浩强调，立足上海，发展新材料要加强三个注重：一要注重产业链的延伸；二要注重战略产业的发展；三要注重节能环保。

同时，要实现产业规模、项目实施主体、产业集群等三个方面的突破，到2012年，力争上海市新材料产业重点领域实现产值1600亿元。

会上，金山区沈华棣副区长简要介绍了金山区综合投资环境和区新材料产业发展情况。

金山区将重点发展高性能碳纤维、耐高温超长纤维、非金属电线电缆、新型纤维、新型合金材料、新型绿色建材等新材料领域。

产业主要集聚在上海精细化工产业园、金山工业区、山阳、朱泾、枫泾、张堰等区域，力争使金山成为全国知名的上海新材料产业的重要基地。

奉贤、宝山、青浦等区领导在会上介绍了本区推进新材料高新技术产业化配套政策和措施。

新傲科技、华谊集团等企业代表和陶氏化学、中科院上海硅酸盐研究所等科研院所作了交流发言。

会上，金山区政府与中国材料研究学会签订了合作框架协议。

金山区招商局与上海市新材料协会、上海市聚氨酯产业发展促进中心就联合打造中国聚氨酯国际产业园区签订了合作框架协议；国家上海张堰新材料深加工产业园区和北京科技大学材料科学与工程学院、安泰科技股份有限公司签订了合作框架协议。

（区经委）
等气体的原理对CO2进行封存，主要有盐水层封存、增强石油开采封存和增强煤层气开采封存。

此外还有森林和陆地生态储存，但一个功率为500MW的燃煤电站约需2000km2的森林来捕集其所排放的二氧化碳，故此方式不可能作为主要储存方式。

目前工业界认为CO2-EOR技术是现阶段比较可行的CO2地质封存技术，CO2-ECBM技术是具有一定潜力的CO2地质封存技术。

实际上，全球各区域都存在可能适合封存CO2的沉积盆地，包括沿岸和沿海地区，也包含了油田、煤层等区域。

有研究表明，全世界的地质封存能力巨大，其中深盐水层可能有近10000Gt的封存潜力，油气田和深海则分别有1000Gt～4000Gt的潜力，而目前全球人为二氧化碳排放每年约30Gt。

目前全球几个规模化的二氧化碳封存项目有北海的斯莱普内尔（Sleipner）项目、加拿大的韦本（Weyburn）项目和阿尔及利亚的萨拉赫（Salah）项目。

此外，澳大利亚在Otway启动了CO2地质封存示范试验项目，共注入30000吨CO2，该项目对注入的CO2进行监测，关注地下变化、CO2在地下的扩散、各种工程设计参数、各种设备的适应性等等。

5结论
建设附CO2捕集和封存（CCS）的低碳排放燃煤电厂，是今后继续发展燃煤电厂所必须面对的课题。

IGCC是实现燃煤发电包括CO2在内污染物的近零排放的重要基础。

常规燃煤电站的CO2脱除技术也必不可少，需和电厂系统结合以降低能耗、降低造价。

对CO2的资源化利用需要重视，在开展二氧化碳捕集与封存初期通过资源化利用获得额外收益，降低减排成本。