二氧化碳捕集系統在燃煤電站項目上的工業化應用

0 引 言

大氣中CO2濃度升高對環境和社會產生了深遠影響,海平面上升與陸地淹沒、氣候帶移動、颶風加劇、植被遷徙與物種滅絕、洋流變化與厄爾尼諾頻發等重大災難與之密切相關。我國電力等相關行業消費產生的CO2排放量分別占煤炭消費產生CO2排放量的48%,從總量上看，目前我國的CO2排放量已位居世界第二；預計到2025年，我國的CO2總排放量很可能超過美國，位居世界第一。因此,CO2減排已成為當前國內外熱點研究領域和前沿研究課題，CO2的捕集對于溫室氣體減排具有全球性的深遠意義，并亟需有相應的工業應用，研究CO2捕集在電廠排放控制上的應用，實現電廠CO2減排行之有效的方案。在電廠項目中施行CO2捕集對我國乃至全球CO2減排工作都有重要的指引作用。

由于國際油價日益上漲，海灣國家將石油天然氣作為重要的出口資源，積極拓展其他替代能源發電，便考慮在產油國家建造燃煤電廠。但同時為了滿足中東地區部分國家參加了聯合國CO2減排計劃，便考慮燃煤電廠配套CCS系統由于1L液態體積CO2氣化之后為500L氣態CO2，較好的液態氣化體積比決定了CO2是非常好的趨油物質，也決定了CO2在中東產油國家有較好的市場需求。

1 項目總體方案

1.1 電廠方案介紹

本項目為2×135 MW電廠項目帶CO2捕集系統（carbon capture system--CCS），地址在中東阿聯酋Ras Al-Khaimah酋長國Saqr港保稅區，本項目采用印尼進口煤，含水分較高（36%總水分），采用上海鍋爐廠煤粉鍋爐，出力為490 t/h。項目特點為要求帶50萬t/年的CO2捕集系統，此系統由上海鍋爐廠供貨，電站集團工程公司總成。鍋爐島采用中速磨煤機、爐后煙氣系統采取液氨法SCR工藝技術、電除塵系統、石膏濕法脫硫系統。汽機島為135 MW汽輪機帶分缸抽汽用于CCS系統，直流海水循環冷卻；發電機為空氣冷卻135 MW出力發電機；升壓站為GIS系統。尾部煙氣流向分為兩個部分：第一部分30%左右煙氣經適當處理之后進入CCS系統，被化學藥劑捕集為純CO2，煙氣中其他成分直接排空；第二部分70%左右煙氣經適當處理之后，目前是進入煙囪排放，后期將對此70%煙氣設置處理系統，其中的CO2將用于養殖海藻。系統大致流程如圖1所示。

圖1 帶CO2處理的常規燃煤電站CCS系統流程示意

1.2 電廠方案與CCS系統接口聯系

1.2.1 煙氣

對于本項目所配套的CCS系統，處理的對象就是鍋爐系統尾部煙氣，主要的產物就是從煙氣當中捕集下來的CO2。所以，本項目給CCS系統提供的煙氣成分與參數至關重要，直接影響CCS系統工業應用。同時，CCS系統對輸入煙氣也提出了要求，如氮氧化物含量、二氧化硫含量等。上海鍋爐廠與電力設計院結合各方因素，設計了現在的煙氣系統。首先，鍋爐部分采用常規四角切圓型爐，適合高水分印尼褐煤。鍋爐廠按照設計煤種，給出鍋爐省煤器出口的煙氣如表1所示。

表1 省煤器出口煙氣成分

其中，需要注明的是煙氣中含有粉塵為3.91 g/m3及少量氮氧化物。而氮氧化物會與CCS系統化學藥劑反應，并且也需要滿足阿聯酋當地的環保指標，鍋爐尾部設置了液氨法SCR反應器；同時，在鍋爐空預器之后設置了電力除塵器，綜合考慮之后，設計除塵出口濃度為50 mg/m3。石膏濕法脫硫系統也是增加環保指標重要系統。CCS系統中的化學藥劑也會與酸性氣體二氧化硫反應，為了避免CO2吸收劑的過度消耗，需要盡可能降低二氧化硫的排放值。表2為脫硫系統出口煙氣成分。

表2 脫硫出口煙氣成分

此煙氣當中含有極少量粉塵、氮氧化物與其他不明雜質，都會引起后面CCS系統CO2吸收劑的運行損耗。到目前為止，此部分藥品損耗難以降低。

1.2.2 其他接口因素

CCS系統需要從電廠系統獲得以下資源：除鹽水、海水、蒸汽、壓縮空氣、電。除鹽水為CCS系統配CO2吸收劑配藥所需；海水主要用于脫硫之后煙氣洗滌與降溫；蒸汽提供CO2吸收劑在再沸器中分界所需熱量；壓縮空氣與電是常規閥門與用電設備所需。

2 CO2捕集系統

2.1 CO2捕集系統總體方案

本項目CCS系統采用的是胺類溶劑吸收法CO2捕集工業化技術，胺類CO2化學吸收法較為成熟，該工藝流程具有能量消耗低、工藝過程簡單、設備投資少、產品質量好、生產成本低等特點,特別適用于煙道氣濃度在13%左右的低濃度CO2回收工程。主要采用的化學藥物為胺類CO2化學吸收劑，R1R2NH化學試劑針對煙道氣中的低濃度CO2，具有吸收容量大、吸收速率快、不易降解、再生溫度低等優點，吸收溶劑使CO2氣體濃度從13%提升至95%。為后續的CO2的精制提純做準備。該工藝由于采用新型吸收溶劑，較傳統的MEA吸收法降低了能量消耗、減少了設備投資、簡化了工藝流程、體現了低碳環保的理念。具體過程如下：CO2+R1R2NH+H2O=R1R2NH+HCO。此胺基溶劑與CO2反應形成不穩定的氨基甲酸鹽，其吸收CO2的最大容量為1 mol CO2/mol胺。圖2為電廠用CO2捕集系統流程。

圖2 CO2捕集系統流程

2.1 CO2捕集系統主要流程

2.1.1 水洗塔系統

脫硫后的煙氣從水洗塔下部進入，與從塔頂逆流而下的水接觸降溫后從塔頂流出，經分離器分出水分后，氣體由引風機送入吸收塔。頂部流下的水從塔底流出，通過泵送入冷卻器冷卻后，再進入水洗塔，構成循環。水洗塔的主要作用為洗去煙氣中的殘余粉塵并將煙氣的溫度降至50℃。

2.1.2 吸收塔系統

降至50℃的煙氣由引風機送入吸收塔，從吸收塔下部進入與塔頂逆流而下的溶液接觸，其中一部分CO2被溶劑吸收，吸收CO2的尾氣由塔頂排出。在吸收塔中CO2濃度為13%的煙道氣與高效CO2吸收溶劑逆向接觸。煙氣中的CO2被吸收溶劑吸收，吸收CO2后的吸收溶劑由貧液變為富液。由于吸收過程反應放熱，吸收后的富液溫度升高。脫除CO2后的煙氣進入吸收塔上段與洗滌水逆向接觸，除去從吸收段帶來的微量吸收溶劑后在塔頂放空，此時未被吸收的煙氣中的其他成分被直接排空，主要成分為氮氣、水蒸氣、氧氣等。水洗液在吸收塔洗滌段重復循環，其中吸收劑的濃度不斷增加，需定期監測處理。富液被送往再生塔進行回收利用。

2.1.3 換熱系統

溶液（貧液）吸收CO2后由塔底經泵送入貧富液換熱器，與來自再生塔的貧液進行換熱，回收熱量后送入再生塔。富液（已吸收CO2）從再生塔上部進入，與自下而上的水氣、CO2接觸，解吸部分CO2，然后進入煮沸器，使其中的CO2進一步解吸。解吸CO2后的貧液由再生塔底流出，經貧富液換熱器換熱后，用泵送至水冷器，冷卻后進入吸收塔。溶劑往返循環構成連續吸收和解吸CO2的工藝過程。富液與來自再生塔頂的再生氣體進行了熱量交換，富液溫度被升高，再生氣溫度降低，并有部分蒸汽被液化。升溫后的富液進入貧富液換熱器，與來自再生塔底的貧液再次進行熱量交換。富液溫度再次升高，貧液溫度降低，使能量得到了充分利用。

2.1.4 尾部工序

解吸出的CO2連同水蒸氣經冷卻、分離除去水分后得到純度99.5%（干基）以上的產品CO2氣，送入后序工段使用。再生氣中被冷凝分離出來的冷凝水，用泵送至再生塔，維持系統水平衡。為了維持溶液清潔，約10%～15%的貧液經過分離過濾，除去溶液中雜質；為處理系統的降解產物，設置胺回收加熱器，需要時，將部分貧液送入胺回收加熱器中，通過蒸汽加熱，將胺、水蒸餾進入再生塔。

3 結 語

該項目對環保要求較高，雖然項目本身在中東地區，但其電廠設計的環保要求都按照國內最新的燃煤電廠環保要求設計。本項目設置了脫硝系統、高效電除塵器、脫硫系統等環保設施，即煙氣中SOX、NOX、粉塵等含量都已經降至國標以內，并兼顧滿足CCS系統入口煙氣要求。由于本項目CCS系統是用于燃煤電廠鍋爐尾部煙氣處理，其CCS系統本身針對電廠煙氣成分的特殊性也做了針對性系統設置，如適用于電廠的特殊化學吸收劑吸附；吸收塔之前的水洗塔，用于降低脫硫塔之后的煙氣溫度，減少煙氣中剩余的粉塵含量，以滿足R1R2NH溶液化學吸收CO2的參數需要。在電廠項目中施行如此巨大的CO2捕集系統，使得CO2捕集在電廠中工業化應用有了先例，而這種工業化應用恰恰滿足了全世界對節能減排的需求，也滿足了中東業主對成本合理的CO2的需求，用于趨油與食品都有較高的性價比。對我國來說，煤電是主要的能源，也是主要的污染來源。一種能用于發電廠、能工業化的、經濟合理的CO2捕捉系統，對于減輕電廠的溫室氣體排放有示范作用，能成為“十二五”節能減排行之有效的措施。

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