火电厂 CO2捕集与封存技术探讨

要建军

(山西太钢不锈钢股份有限公司能源动力总厂,山西太原 030003)

火电厂 CO2捕集与封存技术探讨

要建军

(山西太钢不锈钢股份有限公司能源动力总厂,山西太原 030003)

火电厂 CO2减排技术主要包括燃烧前处理、燃烧中减排及燃烧后捕集三类。介绍了 IGCC、富氧燃烧、胺吸收法、生物法等 CO2捕集与封存技术,分析其存在问题及应用前景。

CO2捕集和封存;胺吸收法;生物法

1 整体煤气化联合循环发电

整体煤气化联合循环发电 (IGCC)技术是一种清洁煤利用技术。IGCC发电系统是将煤气化,在合成气进入燃气轮机之前进行脱碳。系统工艺流程:将空气分离制得的氧气输送至煤气发生炉内生成煤气,煤气经除尘、脱硫、吸收 CO2后制得纯净煤气。煤气加压后用于发电燃烧;对 CO2吸收液进行解析,获取纯净 CO2(见图 1)。

图1 IGCC工艺流程

目前,德国、荷兰、英国以及澳大利亚和美国都有在建 IGCC项目,其中最大的是德国 RWE Power在科隆附近的 Godenberg in Huerth电厂,机组容量为450MW,年捕集CO2280万 t。IGCC技术的主要优势是可以减少 CO2的排放量,与没有采用 CO2捕集技术的电厂相比较,IGCC电站的建设成本昂贵。IGCC的缺点是技术不够成熟,可靠性有待进一步提高;操作不够灵活,一般只能用作基本负荷电站。在国内,华能天津 IGCC示范工程将在 2011年底投运。目前我国 IGCC电站的关键技术和设备均依靠进口,如果要降低 IGCC电站建设成本,需进一步发展具有自主知识产权的技术,实现设备国产化。

2 富氧燃烧

富氧燃烧具有以下特点:燃烧充分,火焰温度高,充分利用燃烧生成物,最大限度地减小了排烟损失;能够获得纯度较高的 CO2,便于下一步捕存;减少NOx的排放。基本工艺流程为:空气经分离制得纯氧,纯氧被输送到锅炉与煤燃烧,产生的蒸汽用于发电;烟气经除尘、脱硫脱硝、CO2压缩等工序后获得纯净 CO2。在德国、法国、意大利和西班牙该法已成为 CO2捕集技术的一个研究方向。

3 燃烧后脱碳

3.1 胺吸收法

一般情况下,从烟气中分离 CO2的工艺多采用化学溶剂吸收法,该法似于燃煤电厂的烟气脱硫,适合于现役燃煤电厂的 CO2捕集。化学吸收法 CO2捕集技术,具有 CO2捕集速度快、能力强,烟气处理量大、回收 CO2纯度高等优点,是比较适合的烟气CO2捕集方法。吸收剂以胺基为主,常用的有MEA、DEA和MDEA等。尽管所使用吸收药剂有差异,但基本原理都是相同的(见图 2)。工艺流程为:燃煤烟气经冷却塔降温、初步吸收 CO2后,进入胺液吸收塔,在塔内烟气中 CO2被二次吸收后净烟气经烟囱排出;粗胺液经过解析塔将 CO2分离出来,获得高纯度 CO2,还原的胺液再次循环。该法生产CO2是气态的,需经吸附精馏进一步提纯净化、精馏液化,才能进行液态储存和运输。

图2 CO2胺吸收法工艺流程

3.2 生物固碳

生物 CO2捕集和封存技术是指利用生物方法减少 CO2排放量。微藻的生长需要大量的 CO2,科研人员将其利用到烟气脱碳工艺中。在开放式的自然环境中,微藻生长速度缓慢,受温度、光照、CO2含量等因素影响。但是在封闭的系统中可以利用系统减少微藻平面面积并加快 CO2的吸收。目前,CO2地质封存尚存在质疑,生物法捕集 CO2则更为安全可靠。生物法捕集 CO2技术需要政策扶持才能解决资金和技术难题。

4 工程应用

国外对于 CO2捕集与封存技术研究较早,部分脱碳项目已投入运行,如美国 Warrior电厂年回收4.5万 t CO2用于啤酒生产;挪威 Statoil壳牌公司从天然气发电厂烟气中回收 CO2用于强化石油开采;澳大利亚 Tarong、Eraring、LoyYang三个电厂进行试验,将火电厂烟囱排出的 CO2作为原料在密闭的生物反应器中促进富油藻类的生长,再利用这些富油藻类作为动物饲料或者生产油。

华能北京热电有限公司 3000 t/aCO2捕集示范装置是我国第一台工业级的燃煤电厂烟气 CO2捕集装置。该装置捕集到的 CO2纯度为 99.5%,进一步精制后 CO2纯度为 99.997%,达到国家食品级标准,蒸汽消耗为 3.5 GJ/tCO2,电耗为 250 kW/tCO2,溶液消耗为 1.5 kg/tCO2。合川双槐电厂烟气实验基地 CO2捕集装置于 2010年 4月投运,CO2捕捉率达 95%以上,设计 CO2捕集能力 1万 t/a。2009年7月,石洞口第二热电厂 CO2捕集装置动工,年生产食品级 CO2(纯度 99.997%)10万 t,2009-12-30完成 72 h试运行。目前,国内正在施工建设的 CO2捕集项目有胜利油田发电厂CO2捕集项目,2009年12月动工,CO2捕集能力 3万 t/a,CO2经提纯液化后用于提高石油采集率。

上述所有项目都属于示范工程,都仅仅捕集排放 CO2很小的一部分,如北京热电厂的收集量仅为0.7%。但这些示范工程意义在于积累脱碳经验,待条件成熟后大规模推广应用。

5 结语

CO2捕集和封存运输技术均比较成熟,地质存埋和工业使用亦有先例,但目前为止,世界上还没有一座大型的完整的 CO2捕集、运输使用的产业链, CO2捕集封存面临的不仅仅是技术困难,成本压力更大,其能耗高,发电成本提高 20%～30%,发电效率降低 8%～10%,这些问题必须依靠政府政策、资金及国际合作,面对日益严峻的环境问题,CO2捕集与封存技术将成为最终选择。

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Discussion on carbon capture and storage technologies in thermal power plants

The carbon capture and storage techno logies are divided into p re-combustion carbon reduction,carbon reduction during combustion and capture of carbon dioxide after combustion.The IGCC,oxygen-enriched com bust ion,carbon reduction after com bust ion are introduced.Its technical route and typical process are described.The existing problem s and latest development are analyzed.

Carbon Capture and Storage;am ine absorption;b io logicalmethod

X701.7

B

1674-8069(2011)03-025-02

2010-10-08;

2011-04-27

要建军(1974-),男,山西临汾人,大学本科,工程师,从事电厂锅炉及环保技术工作。E-mail:yjj-741228@126.com