煤化工二氧化碳捕集輸送與封存概述

張軍武

（北京石油化工工程有限公司，北京 100107）

煤化工二氧化碳捕集輸送與封存概述

張軍武

（北京石油化工工程有限公司，北京 100107）

介紹煤化工企業所排放的二氧化碳如何進行捕集、輸送與封存。

煤化工；二氧化碳；CCS

二氧化碳是引起全球氣候變化的最主要的溫室氣體之一，控制二氧化碳排放問題受到世界各國的廣泛關注[1]。隨著人類對化石能源的依賴越來越大，二氧化碳減排成為人類必須解決的、不可回避的重大問題。

目前被廣泛認可的CO2減排途徑，包括節能、發展低碳能源（如核能和可再生能源等）、CO2轉化、增加生物碳匯、CO2捕集與封存（CO2Capture and Storage，簡稱CCS）等，其中CCS是應對氣候變化問題最具發展前景的解決方案之一，CCS技術成為各國研究的熱點和國際社會減少溫室氣體排放的重要策略。CCS即一種將工業和能源排放源產生的CO2進行捕集、輸送并安全存儲到某處使其長期與大氣隔離的過程，從而達到減少CO2排放、減緩氣候變暖的目的[2]。CCS主要由捕集、輸送與封存三個環節組成。

本文將討論二氧化碳排放大戶之一的煤化工企業生產過程中所排放的大量CO2如何進行捕集，并通過管道輸送至封存地封存。

1 捕集

煤化工企業主要的碳排放有兩個來源，其中一個是工藝生產中的低溫甲醇洗裝置排放的約60%～98%的CO2氣體（根據氣化工藝和低甲裝置的設置有高低濃度之分），另一個是燃煤蒸汽鍋爐所排放的含CO2的煙氣（類似電廠捕集方案）。本文只針對工藝低溫甲醇洗裝置排放的大量CO2進行捕集研究。

以某企業6.5MPa水煤漿氣化爐（1 500t/d原煤處理量）配套生產60萬t/a甲醇裝置為例，低溫甲醇洗裝置將高低濃度的二氧化碳分開排放（一般企業為合并后高空排放），其氣體組成見表1。

表1　排放的CO2氣體組成

對于高濃度CO2氣體，通過加壓冷卻后即可滿足輸送和封存的要求，無須再處理。但對于低濃度CO2氣體，則需要首先通過升壓、提純、脫水后才能達到輸送封存的要求，以表1低濃度氣體組成提純后達到輸送條件10MPa（G）、40℃為例，具體提純方法有以下幾種。

1.1冷凝法

低濃度CO2尾氣經氣液分離后，進壓縮機升壓至1.0MPa（A）冷卻后進分子篩脫水裝置將尾氣中的H2O脫至103×10-6以下，再經壓縮機升壓至3.5MPa（A），機間冷卻后經丙烯制冷冷卻至-32℃以下，約60%的CO2被冷凝下來，絕大部分N2仍然為氣相排走，通過氣液分離得到純度96.2mol%的液體CO2產品，再利用泵加壓至10MPa（A）。整個過程電力消耗為9 277.54kW，整體運行成本較高，回收率較低。

1.2吸附分離法

低濃度CO2尾氣經氣液分離后，進壓縮機升壓至1.0MPa（A）冷卻后進分子篩脫水裝置將尾氣中的H2O脫至103×10-6以下，然后經吸附分離裝置（如PSA）將CO2與N2分離，從而獲得98mol%的CO2，再經壓縮機升壓至目標壓力10MP（aA）。其中CO2回收率85%，整個過程電力消耗為8 099kW。

1.3吸收法

低濃度CO2尾氣經氣液分離后，進吸收塔吸收以熱鉀堿液或MDEA作為吸收劑，大量CO2被吸收后在解析塔解析，回收率可達95%以上，純度可達到99mol%以上。然后再經壓縮機加壓至目標壓力10 MPa（A），其中第2級機間抽出進分子篩脫水將氣體中的H2O脫至103×10-6以下。整個過程電力消耗為6 793kW，需要消耗蒸汽87.5t/h，設備投資偏高。

幾種提純方案主要的指標見表2。

表2　主要指標

根據以上對比冷凝法回收率太低不可選，吸附分離法運行成本最低，但受PSA設備等規模限制，占地較大，小規模捕集可選，大規模捕集吸收法最優。

2 輸送

2.1概況

將二氧化碳（CO2）從捕集地輸送到封存地，輸送方法主要分為管道輸送和槽車輸送兩種方式。對于大規模、長距離輸送，管道輸送是最為經濟的方法。CO2管道輸送可分為氣態、液態、超臨界以及密相（壓力高于臨界壓力、溫度低于臨界溫度）等狀態。同時輸送時必須保持單相態輸送，避免兩相狀態進行輸送，否則會引起管道震動及安全事故[3]。

輸送管道材質一般采用碳鋼，可根據CO2氣體的雜質組成確定防腐涂料的選擇，同時需做好輸送管道的泄漏檢測以及應急保護措施等。

純二氧化碳（CO2）的物性參數[4]，見表3。

表3　物性參數

2.2輸送相態的選擇

2.2.1氣相輸送

氣態輸送過程中CO2輸送壓力應不高于4.0MPa（A）（物性參數處于較穩定的氣相區）。管道無須保溫，短距離范圍不增設增壓站，在輸送末端設壓縮機加壓至注入壓力。大規模CO2輸送時，管徑較大投資偏高。

2.2.2液相輸送

由于液相輸送CO2穩定狀態范圍較窄，當CO2氣體中含有少量N2和甲烷等不凝氣時，采取液相輸送操作壓力不低于3.0MPa（A）。液相輸送管道應做好保冷措施，需增設沿途的冷凍站，同時注入井口還需設加熱站。一旦有氣體產生將使管內出現兩相流，甚至在局部管段內出現氣錘或段塞流現象，破壞管道，造成土壤凍結及較差的社會影響。

2.2.3超臨界輸送

國內外很多文獻資料均推薦超臨界輸送，輸送過程中CO2在管道內始終保持超臨界狀態（溫度、壓力均高于臨界值）]。輸送過程中也應做好保溫措施，敷設好保溫層，同時需增設換熱站保持最低運行溫度。

2.2.4密相輸送

參考國外工程資料，大多工程項目均采用輸送壓力高于臨界值、輸送溫度低于臨界溫度的一種相態“密相”進行操作輸送。由于密相輸送過程中操作壓力高于7.38MPa（G），溫度與土壤溫度范圍接近，無須保溫、無須換熱站，操作范圍廣，輸送的能力大。

以36萬t/a高純度二氧化碳（組成見表1）輸送為例，分別以氣相、液相、超臨界和密相輸送進行對比計算，輸送距離100km，選用相同管徑時，末站注入壓力暫定為8.8MPa（A），起點為0.18MPa（A），詳見表4。

通過計算分析密相輸送總的能量消耗最低；液相輸送能量消耗最大；氣相輸送管道投資最低；超臨界輸送管道投資最高；從壓降分析密相和液相輸送能力最大；從操作上分析氣相輸送和密相輸送最優，小規模短距離氣相輸送較優，大規模長距離密相輸送最優。

3 封存

二氧化碳封存是指將捕集、壓縮后的CO2輸送到指定地點進行長期封存。目前，主要的封存方式有地質封存、海洋封存和礦物封存等[5]。

表4　對比表

3.1地質封存

地質封存是直接將CO2注入地下的地質構造當中，如油田、天然氣儲層、含鹽地層和不可采煤層等儲存。地質封存取決這些構造的物理和地球化學的俘獲機理。CO2注入后，儲層構造上方的大頁巖和粘質巖起到了阻擋CO2向上流動的物理俘獲作用。

然而，在許多情況下，儲層構造的一側或多側保持開口，以便于CO2在蓋層向下側流動。如果CO2在現場水中溶解，充滿CO2的水的密度會越來越高，因此會沉伏于儲層構造中實現CO2的地質封存。地質封存是最有發展潛力的一種方案。

3.2海洋封存

海洋封存主要有兩種方案：一種是通過船或管道將CO2輸送到封存地點，并注入到1 000m以上深度的海中，使其自然溶解；另一種是將CO2注入到3 000m以上深度的海里，由于CO2的密度大于海水，因此會在海底形成固態的CO2水化物或液態的CO2“湖”，從而大大延緩了CO2分解到環境中的過程。海洋封存尚未進入實際應用，仍然處在研究階段。

對CO2海洋封存的最大擔憂來自于其可能產生的環境影響，主要是對海洋生物的影響。其次海洋封存的另一個問題是溶解的CO2隨著洋流運動最終仍將回到大氣中。

3.3礦物封存

礦物封存主要是模仿自然界中鈣/鎂硅酸鹽礦物的風化過程，即利用通常存在于天然硅酸鹽礦石中的堿性氧化物，如氧化鎂和氧化鈣將CO2固化成穩定的無機碳酸鹽從而達到固定CO2的目的。與其他封存方式相比，二氧化碳的礦物封存具有許多優點：一是由于碳酸鹽的熱穩定性及其對環境無任何影響，因此二氧化碳礦物封存是一種最安全、最永恒的固定方式；二是用于二氧化碳礦物封存的原料來源豐富、儲量巨大、價格低廉，因此具有大規模固定的潛力和經濟效益。

4 結語

將煤化工企業排放的大量二氧化碳適時進行捕集、輸送并封存與地層中有效減少二氧化碳排放，為建設資源節約型和環境友好型社會提供了必要的科技支持，實現經濟效益和環境效益的雙贏。

[1] 劉宇，曹江，朱聲寶.挑戰全球氣候變化-二氧化碳捕集與封存[J].前沿科學，2010，（1）:40-51.

[2] 潘一，梁景玉，吳芳芳，等.二氧化碳捕捉與封存技術的研究與展望[J].當代化工，2012，41（10）:1072-1077.

[3] Design and operation of CO2 pipelines，Recommended practice DNVRP-J202，DNV，April 2010.

[4] 張軍，李桂菊.二氧化碳封存技術及研究現狀[J].能源與環境，2007，（2）:33-35.

Coal-chemica Carbon DioxideCapture Transport and Storage Summarize

Zhang Jun-wu

Introduces how to capture transport and storage the carbon dioxide of the Coal-chemical Company discharge

coal-chemical；carbon dioxide；ccs

X701

A

1003-6490（2016）01-0016-02

2015-12-20

張軍武（1982—），男，陜西西安人，本科，中級職稱，主要研究方向為煤化工精細化工設計研究。