二氧化碳的捕集与封存技术研究现状与发展

魏义杭，佟博恒

(1.西安中学，西安 710032;2.清华大学热能工程系热能工程研究所，北京 100084)

二氧化碳的捕集与封存技术研究现状与发展

魏义杭1，佟博恒2

(1.西安中学，西安 710032;2.清华大学热能工程系热能工程研究所，北京 100084)

目前我国对环境保护与限制碳排放量愈加重视。利用二氧化碳捕集与封存技术(CCS)降低碳排放量是目前我国工业发展的技术趋向。文中总结了CCS技术的种类和原理，并对我国CCS技术的发展前景做出评估。分别论述了三大捕集技术：燃烧前捕集，富氧燃烧和燃烧后捕集，指出了制约IGCC快速发展的关键因素。同时介绍了两种封存CO2气体的方法并比较了两种储存方式的优缺点，对我国CO2地质封存潜力进行初步分析。最后文中指出我国CCS技术发展的阻碍和未来研究方向，对今后的研究做出指导意见。

CCS；捕集技术；封存技术

0 引 言

气候变化引起的各种灾害逐渐增加,尽管各国都在积极开发太阳能、核能、生物质能等新能源,但这些新能源仍没有占到主体地位。以煤,石油、天然气为主的化石能源,仍将在21世纪人类能源消费结构中占主体地位[1],这就意味着本世纪直接消耗化石燃料所产生的温室气体排放量将持续增加,这样引发的全球气候变暖,环境恶化状况将会持续加剧。为了减缓环境恶化的速度，必须采取一定的措施。关键问题就是要减少以CO2为主的温室气体排放,其中施行CCS技术是最有效的途径。

CCS技术,全称为“CO2大量捕集与封存技术”(Carbon Capture and Storage),是未来大规模减少温室气体排放,减缓全球变暖最经济,最可行的办法。文中对多种CCS技术的方法、原理进行了介绍，比较了各自的优缺点。

1 CO2的捕集方法

CO2捕集的方式有三种,燃烧前捕集,富氧燃烧和燃烧后捕集。

1.1 燃烧前捕集

燃烧前捕集主要应用于IGCC(整体煤气化联合循环)中,主要操作是将煤高压富氧气化变成煤气。再经过水煤气的变化产生二氧化碳和氢气。反应方程式如下：

C+H2O→CO+H2

(1)

CO+H2O→CO2+H2

(2)

IGCC过程中气体压力和CO2的浓度都很高,将很容易对CO2进行捕集,剩下的H2可以被当做燃料。IGCC的装置主要包括煤预处理系统、气化炉、空分装置、低热值燃气轮机和蒸汽轮机。如图1所示，主要运行流程是煤经预处理，空分装置分离氧气和氮气，随后预处理后的煤进入高温高压的气化炉进行煤气化反应，随后混合气进入净化系统(脱硫和二氧化碳捕集)，最后气体进入燃气轮机-蒸汽轮机-余热锅炉发电。

气化炉的主要作用就是将煤转化为水煤气,气化炉主要包括喷流床气化炉,流化床气化炉,固定床气化炉与熔融床气化炉四类[2]。空分装置是IGCC的耗能大户,故空分装置对IGCC整个系统的影响最大,在IGCC中一般采用深度冷冻法来制取氧气。而空分装置又分为高压完全整体化系统和低压独立空分系统。低热值燃气轮机应用于IGCC时,唯一不同的就是燃料由天然气变为了煤气,其热值约为天然气的1/3～1/4.燃气轮机采用的主要是稀释扩散燃烧的方式。煤气进入燃气轮机,加热气体工质以驱动燃气透平作功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机作功[3]。

学者林汝谋等[4]就陶瓷质子膜分离法提出了由氢燃料热力系统和含碳燃料热力系统并联，组成新颖CO2准零排放双循环整体煤气化联合循环系统。其典型系统流程为：煤经过气化净化后，通过质子膜分离技术将煤气中的氢气分离出来与空气系统的氧气组成氢氧联合循环系统，该系统工质为CO2和水，排放中的CO2浓度可达到百分之八十五，因而通过冷凝的物理方法即可将CO2和水分离。这种回收CO2路线的一个主要优点在于分离CO2时不需要额外的能耗只需要通过冷凝的方式即可得到纯度很高的CO2。当然它是以大的空分耗功为代价的，因此采用低能耗的制氧技术以及先进的燃料气分离技术是该方法的关键。华能IGCC电厂之所以叫做示范工程，目的也是通过对IGCC技术的探索和验证，摸索经验，最终实现商业化运行，达到可推广，可复制的目的。这个厂总装机容量26.5万kW，2012年11月试运行，是中国第一座，世界第六座已经投入的大型煤基IGCC电站。

IGCC的捕集系统小,能耗低,在效率及对污染物的控制方面有很大的潜力，另外气化炉产出的合成气CO2浓度高，便于捕集和利用。但是此技术尚未完全成熟,仍面临着比投资成本太高,发电成本高，难以实现盈利，世界上多处IGCC电厂都处于亏损状态。另外，IGCC技术由于空分系统耗能大，发电效率也比普通燃煤电厂低。总之，IGCC是一项清洁的燃煤技术，对环境影响较小，但技术总体有待于进一步的提高。

1.2 富氧燃烧

富氧燃烧技术采用传统燃煤电站的技术流程，但通过制氧技术，将空气中大比例的氮气脱除，直接用高浓度的氧气与烟气的混合气体来替代空气，这样得到的烟气中会有高浓度的二氧化碳气体，便于收集和储存。学者阎维平[5]提出了一种在富氧燃烧的烟气中回收NO的方法。NO、O2、H2O共存时会发生如下反应：

图2为富氧燃烧工艺流程。在常压且无催化剂的条件下，烟气中极低浓度NO氧化为NO2的速率慢，常规空气燃烧锅炉烟气中NO,O2,H2O共存而不能转换为硝酸。根据NO氧化反应动力学机理，在高压低温下NO的氧化速率提高，最后NO2在吸收中完成吸收转化，此回收工艺无需其他化学药剂。利用该技术既可省去NOx低燃烧器以降低投资，还可以资源化回收利用NO产生可观的经济效益，从而降低了富氧燃烧的发电成本。

图2 富氧燃烧工业流程

这个技术的优点减少了燃点温度和减少燃尽的时间，提高了燃烧速率、燃尽率，降低了燃烧后的烟气量，NOx的排放量减少。发达国家目前使用较多。总的来说，富氧燃烧是一项高效节能的燃烧技术，但该技术面临的最大问题是制氧技术的投资和能耗太高。

1.3 燃烧后捕集

燃烧后捕集就是在燃烧排放的烟气中捕集CO2，现在常用的CO2分离技术主要有化学吸收法和物理吸收法，此外还有膜分离法技术[6]，正处于发展阶段，但却公认的在能耗和设备紧凑型方面具有非常大潜力的技术。从理论上说，燃烧后捕集技术适用于任何一种火力发电厂，然而普通的烟气压力小，体积大，CO2浓度低，而且还有大量的N2，因此捕集系统庞大，需要耗费大量的能源。化学溶剂法中常用的是有机胺溶液吸收法，在实际工业应用中，一乙醇胺(MEA)和二乙醇胺(DEA)较为常见。MEA[7]属于伯胺，碱性较强，与CO2反应具有吸收迅速，吸收能力强的特点，但MEA水溶液容易发泡，降解。MEA与CO2反应生成的产物氨基甲酸盐较稳定，溶液再生温度高，蒸汽消耗量大，但腐蚀性较强，对装置的损伤较大，MDEA法是20世纪70年代有德国BASF公司开发的，MDEA是叔胺，分子中不存在活泼氢原子，因此化学稳定性好，不容易降解变质，再生容易，能耗低，故该工艺在世界范围内逐渐得到应用。图3为燃烧后捕集化学溶剂吸收法工业流程图。

图3 燃烧后捕集工业流程

2 CO2的封存途径

CO2的封存途径可以分为地质封存和海洋封存两类。

2.1 地质封存

地质封存一般是将超临界状态的CO2注入地质结构。CO2地质封存主要包括物理封存和化学封存两种基本机制。其中物理封存就是通过底层构造压力[8]，地下水动力，流体密度差，盖层岩石孔隙毛细压力及矿物吸附等共同作用下，将超临界CO2捕获于储层顶部孔隙中。被捕获于储层中的一部分CO2以溶解态分布于地下水中并随地下水以极低的速度运移，另一部分可能会被吸附于特殊岩层表面。化学封存机制就是指储层中岩石矿物，地下水溶液与注入的超临界CO2流体在一定的温度和压力条件下发生缓慢的化学反应，生成碳酸盐矿物或者碳酸氢根离子，从而把二氧化碳转化为新的物质固定下来[9]。其中，物理封存很容易受到地质构造，地应力状态，地下水动力特征及工程活动扰动等因素的制约，物理捕获CO2只是将CO2暂时储存在地下岩层中。化学方式适用于长期封存CO2。如果物理封存和化学封存并用可以起到更好的效果。

2.2 海洋封存

海洋封存是指将CO2运输到深海海底进行封存。但是，这种封存办法也许会对环境造成负面的影响，比如过高的CO2含量将会使海水酸化而杀死深海的生物。此外，封存在海底的CO2也有可能会逃逸到大气当中。此方法利用较少，故作简单论述，总的来说 人们对海洋封存的了解还是太少。

3 结束语

CCS技术分为两大块：碳捕集和碳封存。相对来说，二氧化碳捕集技术所占成本的比重远大于封存技术。捕集方法中燃烧前捕集和富氧燃烧技术脱碳效率比较高，易于实行，对污染物控制较好。然而CCS技术普遍存在的问题是能耗高，降低发电效率，提高运行成本，而且核心技术尚不成熟。笔者认为，IGCC是最具潜力的CO2捕捉技术，属于环境友好型技术，对环境造成的危害较小，适用于现代的社会，对空分装置进行改造是成功改善IGCC效率的重要因素。随着制氧技术的进步，富氧燃烧技术也得到了广泛应用富氧燃烧是现在发达国家使用较多的一种技术。燃烧后分离技术总体上是可行的，但需要消耗较多的溶剂和燃料，由此带来的装备损耗、额外能耗是需要重点考虑的问题。

由于今后化石燃料仍旧是世界的主导燃料，所以CCS技术在未来的一段时间内都是解决温室气体排放，降低碳排放量的主要解决方案。我国能源利用架构是以煤炭为主，所以CCS技术可以极大地降低我国的二氧化碳排放量，使用范围广，前景很好。但是目前我国CCS技术尚处于研发阶段，CCS技术在我国的发展面临多种障碍[10]：缺乏成熟的工业技术、缺乏持续的资金支持、缺乏统一的监管和标准和缺乏长期的发展规划等等。中国是世界最有潜力的CCS市场，当前中国发展CCS技术的机遇与挑战并存。

[1] 崔振东, 刘大安, 曾荣树,等. 中国CO2地质封存与可持续发展[C]∥中国科学院地质与地球物理研究所第十届(2010年度)学术年会论文集(下). 2011:9-13.

[2] 宿建峰, 李和平, 贠小银,等. IGCC的特点与CO2捕捉技术[J]. 华电技术, 2009, 1(1):60-65.

[3] 廖小花, 陈海平, 李京茂. IGCC系统控制CO2排放的研究进展[J]. 节能技术, 2010, 5:458-462.

[4] 林汝谋, 段立强, 金红光. CO2准零排放的IGCC系统探索研究[J]. 工程热物理学报, 2002, 23(6):661-664.

[5] 阎维平, 鲁晓宇. 富氧燃烧锅炉烟气CO2捕集中回收NO的研究[J]. 动力工程学报, 2011(4):294-299.

[6] 廖小花, 陈海平, 李京茂. IGCC系统控制CO2排放的研究进展[J]. 节能技术, 2010(5):458-462.

[7] 阎维平, 米翠丽. 300 MW富氧燃烧电站锅炉的经济性分析[J]. 动力工程学报, 2010(3):184-191.

[8] 吕碧洪, 金佳佳, 张 莉,等. 有机胺溶液吸收CO2的研究现状及进展[J]. 石油化工, 2011,8(8):803-809.

[9] 崔振东, 刘大安, 曾荣树,等. 中国CO2地质封存与可持续发展[J]. 中国人口·资源与环境, 2010,3:9-13.

[10] 李宏军, 黄盛初. 中国CCS的发展前景及最新行动[J]. 中国煤炭, 2010,1(1):13-17.

Research Review and Prospect of Carbon Capture and Storage Technology

WEI Yi-hang1, TONG Bo-heng2

(1. Xi'an Senior High School,Xi’an 710032,Shanxi Province,China;2. Thermal and Power Engineering Laboratory, Tsinghua University, Beijing 100084,China)

Nowadays, the environment protection and restriction of carbon emission amount have been paying more and more attention. The tendency of industry development is to use carbon capture and storage (CCS) technology to reduce carbon emission. We review three types of CCS technology and principles respectively and make a prevision of CCS development. The carbon capture technology includes pre-combustion capture, post-combustion capture and rich oxygen combustion. We illustrate the critical factor of IGCC specially. Then two technologies of carbon storage are compared and carbon latent capacity in China is analyzed. We illustrate the difficulties and future development direction in the end, which is a guide for researching.

CCS； Carbon Capture； Carbon Storage

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.12.012

2015-10-28

2015-11-27

魏义杭(1998-)，男，陕西省西安中学高中生。

X822.7

B

1009-3230(2015)12-0036-04