燃煤电厂烟气CO2捕集技术经济性分析

(重庆电力高等专科学校，重庆 400053)

据中国科学院发布的2010年我国行业CO2排放量名单，其中电力、热力的生产和供应业所占比例最大，达到40.1%。因此，降低电厂CO2的排放对于降低我国总CO2排放量具有重要的意义。近年来电厂CO2捕集与封存技术(CCS)已经被政府间气候变化专门委员会(IPCC)视为未来减少温室气体排放和应对气候变化的重要手段[1]。电厂CO2捕集系统需要增加电厂基建成本，消耗大量的能量，降低净输出功率，然而目前CO2捕集技术并没有在实际电厂中大量运用[2]。因此，有必要对燃煤电厂烟气CO2捕集系统进行经济性分析，为CO2捕集系统工业应用的推广提供理论依据。

目前，许多学者和研究机构对CO2捕集技术的经济性展开了研究。Gambini M.等对燃油电厂(OSC)、燃煤电厂(CSC)、联合循环电厂(CC)、整体煤气化联合循环电厂(IGCC)、先进混合循环电厂(AMC)这5种电厂配备CO2捕集系统后的经济性进行了模拟。结果表明，在不考虑加压CO2的存储和运输的情况下，采用传统化学吸收法将CO2加压到150 bar时电厂的净点效率下降了6%～13%，发电成本则增加了20%～42%；美国Bechtel电力公司的Ram G.Narula等对超临界煤粉循环电厂(PCSC)、天然气循环电厂(NGCC)、整体煤气化联合循环电厂(IGCC)和核电厂4种不同电厂进行了经济分析，结果表明，PCSC、NGCC、IGCC在配备了CO2捕集系统并对CO2进行储存以后，PCSC电价由4.08 cents/kW·h上升到8.08 cents/kW·h，上升了98%。

本文选取华能北京热电厂, 重庆合川发电有发责任公司双槐电厂和华能上海石洞口第二电厂这3家现运行的燃煤电厂CO2捕集示范装置为研究对象，对燃煤电厂烟气CO2捕集系统展开经济性分析。这3套CO2捕集的示范装置均采用以乙醇胺为主的化学吸收法，这也是目前最成熟、利用范围最广的CO2捕集方法。

1 华能北京热电厂CO2捕集系统

华能北京热电厂是热电冷联产系统，包括4台机组，选用神华低硫煤，总装机量为845 MW，采暖供热总量为4 900 GJ/h，可对外供应的工业蒸汽量为500 t/h。CO2捕集系统烟气来自1、2#机组湿法脱硫系统之后，CO2捕集规模为3 000 t/a。该CO2捕集系统全部采用国产化设备，投资约2 800万，其中捕集装置约2 400万，精制装置约400万[3-4]，主要工艺流程如图1所示。

表1中标识了CO2捕集系统中主要子系统造价，其中烟气吸收系统和CO2再生系统所占比例较大，分别为36.5%和47.2%；烟气吸收系统中的吸收塔造价为647万元，达到该子系统的63%；CO2再生系统的再生塔造价为820万元，达到该子系统的62%。

表1 华能北京热电厂CO2捕集系统主要子系统价格

图1 华能北京热电厂CO2捕集系统工艺流程

CO2捕集系统的运行成本主要有再生蒸汽消耗、电量消耗、吸收液消耗、冷却水等其他消耗。这些消耗带来的成本见表2。由于人工费、系统维修费等其他费用不会随着系统容量和种类的变化有太大的变化，所以在计算运行成本时不计在内。由表2可知，捕集1 t CO2的运行成本约为180元，其中再生蒸汽最高，为95元/t。根据计算，CO2捕集系统的投入使电价成本增加了约0.14元/kW·h。

表2 华能北京热电厂CO2捕集系统消耗的成本 元/t

2 重庆合川发电有限责任公司双槐电厂CO2捕集系统

该火电厂一期工程为2×300 MW发电机组，于2006年建成发电。2008年9月，在原来机组脱硫系统的基础上进行CO2捕集系统的建造，并于2010年1月投入正式运行。该CO2捕集系统是国内首套万吨级CO2捕集系统，主要用于研究开发适合中国燃煤电厂烟气特点的低成本、低能耗CO2捕集技术；开发电厂大规模CO2捕集与封存技术以及CO2资源化利用等技术的研究[7]。

该CO2捕集系统由原中电投远达环保工程有限公司自主设计建设，全部设备均为国产设备，系统总投资1 235万元，比国外同等规模的CO2捕集系统单位投资成本下降40%左右，很大程度上降低了投资成本。目前这套CO2捕集系统年烟气处理量3.5×107～5×107 Nm3，CO2捕集成本约为394元/t。工艺流程如图2所示。

图2 重庆合川双槐火电厂CO2捕集系统工艺流程

该系统CO2捕集及液化装置主要包括烟气再脱硫系统、吸收与再生系统、压缩/干燥系统和制冷液化系统(一些非标设备如反应塔、换热器、各类溶液槽)、定型设备(如风机、泵、压缩机、制冷设备等)及相应连接管道组成。烟气经再脱硫系统后进入吸收再生系统，所得CO2气体经过压缩、干燥、液化后可得到高纯度液体CO2。系统稳定运行的设计参数见表3。

表3 重庆合川双槐电厂CO2捕集系统主要设计参数

3 华能上海石洞口第二电厂CO2捕集系统

2009年，华能上海石洞口第二电厂二期2×660 MW超超临界机组同步建设10万吨级CO2捕集装置，工艺流程如图3所示。该厂CO2捕集技术与华能北京热电厂CO2捕集技术相同，都是采用华能所属西安热工研究院自主研发设计的捕集技术，是目前世界规模最大的燃煤电厂CO2捕集工程。该项目总投资1.5亿元，系统设备全部国产化，处理锅炉烟气量66 000 Nm3/h，约占单台机组额定工况下烟气总量的4%，设计年运行时间为8 000 h，年产食品级CO2气体10万t。运行过程中的消耗主要是再生蒸汽、电量、吸收液、冷却水等，每捕集1 t CO2所消耗的蒸汽量和电量分别为3.5 GJ和90 kW·h，设计的CO2捕集成本是376元/t[3-4]。捕集系统主要运行参数如表4所示。

图3 华能上海石洞口第二电厂CO2捕集系统工艺流程

表4 华能上海石洞口第二电厂CO2捕集系统主要运行参数

4 总结

目前国内外CO2捕集系统的CO2捕集量都不大，仍然处在研究试验阶段，工业应用还不成熟[6]。以上电厂CO2捕集系统都存在着设备造价高、蒸汽耗量大、电耗量大、烟气处理量低等问题，这些是CO2捕集系统大规模工业运用的主要障碍[7-8]。通过以上3个电厂CO2捕集系统的经济性分析，得到以下结论。

1)CO2捕集系统设备投资方面，吸收塔和再生塔的设备造价最高，约占了设备总投资的一半。要降低设备投资就需要强化气液接触工艺、提高反应速率，同时通过合理设计使设备紧凑，降低材料使用量。

2)通过CO2捕集系统的建设和运行分析，以捕集1 t工业级(99.5%)CO2的运行消耗成本为例，其中蒸汽消耗最多，其次是电耗和溶液消耗。开发廉价、低再生热的溶液，进行低品位热的回收，降低蒸汽、溶液和电耗是降低电厂捕集CO2的重要路线。