火力发电厂CO_2捕捉技术
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第41卷第1期2010年1月 锅 炉 技 术BOILER TECHNOLOGYVol.41,No.1Jan.,2010
收稿日期:2009-06-15作者简介:肖琨(1982-),男,工学硕士,现主要从事电站锅炉燃烧系统的设计与开发。 文章编号: CN31-1508(2010)01-0073-04
火力发电厂CO2捕捉技术
肖 琨,陈 楠,甄飞强,陈 飞,郑 路
(上海电气电站集团技术研究与发展中心燃烧技术研究所,上海200241)
关键词: CO2捕捉;火力发电厂;富氧燃烧;烟气捕捉;燃烧前捕捉摘 要: CO2等温室气体造成的温室效应对全球生态系统及社会经济产生显著影响。CO2捕捉和储存技术受到越来越多的重视。火力发电厂是重要的CO2排放源,适合采用CO2捕捉技术。介绍了3种火力发电厂CO2捕捉技术,分析比较了各自的优缺点及成本,讨论了影响CO2捕捉技术发展的因素。中图分类号: X701 文献标识码: B
0 前 言
地球气候正经历一次以全球变暖为特征的
显著变化,这将对全球生态系统及社会经济发展
产生重要影响。研究表明,这主要是由于人类使
用化石燃料所排放的大量CO2等温室气体的增
温效应造成的。最近几十年,随着经济的发展,
CO2排放量一直在升高。2006年,世界CO2排放
量达280亿吨,其中中国占20.2%[1-2]。煤、石
油、天然气等化石燃料是CO2最主要的排放源。
这其中又以煤排放的CO2最多。煤是一种比较
“脏”的能源,相同热值的煤,排放的CO2远高于
石油,天然气,是最重要的CO2排放源。2006年,煤在世界一次能源消费中只占26%,但其排放的
CO2却占41.7%。这个问题在我国尤为突出,
2007年,我国煤炭消费量为25.9亿吨,占我国一
次能源消费量的69.5%,占我国CO2排放量的
80%以上。这其中有13.1亿吨被用来发电[1,3]。
2008年火力发电占到我国总发电量的80%,其
中绝大部分以燃煤电厂为主。由于煤炭价格低
廉,储量丰富,易于获得等优点,在未来相当长的
一段时间内,它仍将是我国的主要能源。
目前控制CO2的排放,主要有以下途径:提
高能源利用的效率;使用风能,太阳能,生物质能
等可再生能源及核能;对燃用化石燃料采用CO2捕捉技术。
在可预见的时期内,化石燃料仍将会是我们的主要能源,这要求我们必须采用CO2捕捉和储
存技术(CO2CaptureandStorage,CCS)以减少
CO2的排放。火力发电站是最重要的CO2排放
源,其排放的CO2超过总量的40%[2]。由于其集
中排放,便于控制,因此成为进行CO2捕捉和储
存技术的主要应用对象。
CO2的捕捉和储存是指将电厂排放的CO2收集起来,然后通过管道运输到CO2储存的地点。
本文主要侧重于CO2的捕捉技术。目前的CO2捕捉技术主要有3种:燃烧后捕捉技术(post2
combustiontechnology),富氧燃烧技术(oxy2
combustiontechnology),燃烧前捕捉技术(pre2
combustiontechnology)。
1 燃烧后捕捉技术
燃烧后捕捉技术是在燃烧后的烟气中捕捉
碳。它是用一乙醇胺(MEA)或其它溶液直接吸
收烟气中的CO2,进行捕捉。MEA溶液是一种
有机化学溶剂,60多年前就开始被用来去除天然
气中的酸性气体杂质,例如CO2,H2S等。其吸
收CO2属于化学吸附,可在加热情况下,释放
CO2。用此法来捕捉烟气中的CO2,
可以去除烟气中75%～90%的CO2,并获得纯度达99%的
CO2。其流程如图1所示[4-5]。
对烟气进行CO2捕捉,设备上需增加吸收塔
和再生塔,以吸收CO2和释放CO2。除此之外还
需对蒸汽系统进行改造,以抽取蒸汽加热溶液,锅 炉 技 术 第41卷
图1 烟气捕捉CO2技术流程
释放CO2。由于燃烧产生的烟气压力低(一般接
近于大气压),CO2浓度低(10%～15%),气体流
量巨大,导致捕集系统体积庞大并耗用大量能
量。燃烧后捕捉技术的主要能量损失在于MEA溶液的再生。据估计对于新建的带CO2捕捉的
机组,与相同参数机组比较,效率会下降20%～
30%左右,其中MEA溶液再生所消耗的能量占到了消耗总能量的一半以上[4,6]。再生所需的能
量通常来自汽轮机的低压抽汽。Alstom曾对美
国某一机组的CO2捕捉改造进行过研究,表明中
压缸之后79%的蒸汽都要被用于MEA溶液的
再生。由于抽汽使机组无法在最佳状况下运行,还会使效率继续下降[6-7]。
此外烟气中的SO2,NO2等酸性气体会和
MEA溶液反应,生成热稳定的盐,造成MEA溶液的损失。因此烟气中酸性气体的含量需控制
在10×10-6左右。这就要求对脱硫系统进行改
造,提高脱硫效率。至于NOx,由于烟气中的
NOx主要是NO,NO2只占5%左右,普通的SCR系统即可满足需要[5,7]。
2 富氧燃烧技术
富氧燃烧技术是通过制氧技术,将纯氧和部
分循环烟气通入锅炉燃烧,使烟气中CO2浓度达
95%以上,可直接进行压缩净化。其流程如图2所示。
图2 富氧燃烧技术流程 采用富氧燃烧技术捕捉CO2,设备上主要增
加空气分离装置,烟气再循环装置,CO2压缩净化
装置。富氧燃烧技术的主要能量损失在于空气
分离制取氧气,目前常用的冷却分离空气技术,耗能巨大,所需电能要占到整个发电量18%左
右,同时由于烟气流量减小,排烟热损失降低,锅
炉效率可升高3%左右,综合下来,整个电厂的效
率会下降20%～30%[8-10]。目前正在研究新的
低成本制氧技术,如离子传送膜(oxygenandion
transportmembrane,OTM)技术,一旦突破,可大幅度降低富氧燃烧技术的成本。
由于烟气不断循环,导致烟气中的SO2浓度
是空气燃烧的2～3倍,如果煤的含硫量较高,则
烟气当在脱硫系统之后抽取,以防止设备腐蚀。
如果不高,可以取消脱硫设备。NOx的排放在采
用低NOx燃烧技术的前提下会大幅降低,一方面
是因为烟气中缺少N2,没有热力型NOx生成,另
一方面是因为NOx可以在循环时被进一步还原。
CO2压缩液化后,不可凝气体,包括过量的氧气,漏入锅炉的空气,SO2,NOx等,将会被分离出来,其中的污染物可依当地的环保要求进行
处理[10-11]。
3 燃烧前捕捉技术
燃烧前捕捉技术主要和IGCC技术联用。
IGCC(IntegratedGasficationCombinedCycle)
是将煤气化技术与联合循环相结合的先进技术。
图3是IGCC脱除CO2的流程图,虚线框内是增
加捕捉系统后增加的部分。IGCC系统进行CO2捕捉,需要添加变换反应器,CO2的分离及压缩净
化装置。煤在汽化炉内高温高压富氧的环境下,转变为CO和H2为主的合成气;在变换反应器
中,合成气中的CO和水蒸气在催化剂的作用下,生成CO2和氢气。因为此时气体的压力较高,
CO2的浓度也较高,可以用聚乙二醇二甲醚法(Selexol)吸收CO2。此法属物理吸收法,降低溶液压力,就可以释放CO2,使溶液再生,其能耗比
图3 IGCC脱除CO2流程47第1期肖琨,等:火力发电厂CO2捕捉技术
MEA法小的多。同时由于气体压力较高,也降低了后续CO2压缩流程的能耗[6,12]。
有学者对500MW的IGCC系统进行分析,认为安装CO2捕捉系统后,IGCC的效率会由
38.4%(HHV)下降为31.2%(HHV)。其中,变换反应器和CO2的压缩影响最大,分别使效率下
降了4.2%和2.1%。此法的CO2脱除成本大约
在20＄/t左右[6]。
4 3种技术前景
燃烧后捕捉技术是目前最为成熟的技术,已投入应用。我国首个燃煤电厂CO2捕集装
置———华能北京热电厂3000～5000t/年CO2捕集示范装置就是采用的这种技术。富氧燃烧
技术目前是一个研究热点,但技术还不是很成
熟,多停留在实验室和中试阶段。目前世界上
最大的富氧燃烧项目是德国2008年9月建成
的30MW的vattenfall项目,该项目采用Als2
tom技术。此外,BlackHills公司联合B&W,
AirLiquide等公司将在美国怀俄明州建设100
MW的富氧燃烧电站,该项目计划2015年建成。燃烧后捕捉技术和富氧燃烧技术均可用于
现有电厂的改造,富氧燃烧技术成本相对低廉。
但如果只选择捕捉部分CO2,则燃烧后捕捉技
术更加适合[7,9]。IGCC是世界上最干净的燃煤
技术,但过高的成本,不成熟的技术限制了它的
应用。但是,安装CO2捕捉后,它的成本增加最
少,CO2脱除费用也最低,随着技术的发展,
IGCC在将来会得到广泛的应用。缺点就是该技术只能用于新建电厂,无法对现有的电厂进
行技术改造。
无论哪种技术都对场地有一定的要求。因
此新设计的电厂,应必须考虑CO2的捕捉,预先
想好采用何种技术,为CO2脱除设备预留空间,并就近寻找合适的储存地点。
5 CO2捕捉技术的推广
虽然CO2捕捉技术已成为研究热点,但仍未
在世界上获得推广,这主要受以下因素影响:(1)经济性方面的考虑:进行CO2捕捉之后,整个电厂的效率会下降20%～30%,发电成本因
此大幅上升。已盈利为目的企业没有动力进行
CO2捕捉。(2)国家政策的影响:进行CO2捕捉必须依靠国家政策推动。政府可以考虑采用征收CO2排放税等形式,推动CO2捕捉和储存技术的应用。
(3)技术上的问题:目前CO2捕捉技术还没有进行大规模应用,技术上存在许多不确定性。
但这点会随着技术的进步加以解决。
(4)公众认知度:采用CO2捕捉技术后,电价必然大幅上升,无论是上调电价还是征收碳税,都需要得到公众的认可和支持。
建设示范电厂是推动CO2捕捉技术推广的有效措施。欧盟已计划到2012年建设12座大型
CO2捕捉示范电厂,为2020年向全世界大规模推广做好准备。
6 结 论
介绍了3种燃煤电厂CO2捕捉技术,比较了
各种技术的优缺点及成本,并对CO2捕捉技术的推广进行了分析,成本过高仍然是制约CO2捕捉技术发展的主要因素。要综合考虑,合理设计集成系统以降低成本,例如利用生成的
CO2提高油田的采油率,在富氧技术中,利用进口液化天然气的冷能进行空气分离,降低制氧
成本等。
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