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