燃煤電廠二氧化碳捕集、利用和封存與“捕集預(yù)留”分析

余子炎

（廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516623）

0 引言

自前工業(yè)時代（1850～1900年）以來，大氣中CO2含量已經(jīng)大約增加了40%，到2013年達(dá)到了400mg/L。2006年的中國CO2排放總量62億噸，首次超越美國成為世界第一排放大國！2013年，中國的人均CO2排放量首次超過歐盟，碳排量比美國和歐盟的總和還高，總排量占到全球的29%，2015中國CO2排放總量已達(dá)104億噸。

普遍認(rèn)為全球變暖是由于溫室氣體（如CO2、CH4、N2O等）過多排放造成，其中CO2占總增溫效應(yīng)的63%，是最主要溫室氣體。而燃煤電廠是最大最集中的CO2排放源，占全球碳排放37%[1]，燃煤電廠開展二氧化碳捕集工作刻不容緩。

1 CCUS技術(shù)發(fā)展

CCUS是指將CO2從排放源中分離出來，通過交通運(yùn)輸或管道輸送到特定地點(diǎn)進(jìn)行利用或封存，使CO2與大氣長期隔離。當(dāng)前CCUS技術(shù)基本上仍處在研發(fā)和示范性階段，諸多因素制約了CCUS技術(shù)的發(fā)展，其中包括成本和能耗高、長期封存的可靠性和安全性難以評估等問題。

目前國際上使用較多的提法是碳捕集與封存（CCS）技術(shù)，將CO2資源化利用也作為該技術(shù)系統(tǒng)的組成部分則稱CCUS，二者并沒有本質(zhì)區(qū)別。

1.1 國際上CCUS技術(shù)進(jìn)展

近年來，多數(shù)發(fā)達(dá)國家都投入巨額資金開展CCUS研發(fā)和示范活動，至2011年全球CCUS項(xiàng)目超過200個，其中全流程項(xiàng)目約70個。

但近幾年CCUS技術(shù)發(fā)展緩慢，主要原因是高能耗、高成本、長期安全可靠性不確定等突出問題，特別是在封存選址、環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)影響、泄漏應(yīng)急等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的環(huán)境風(fēng)險問題。所以，CCUS技術(shù)在發(fā)達(dá)國家仍處于研發(fā)和示范階段。

1.2 中國CCUS技術(shù)進(jìn)展

我國CCUS技術(shù)發(fā)展較慢，各環(huán)節(jié)發(fā)展不平衡，距離產(chǎn)業(yè)化、全流程應(yīng)用示范仍存在較大差距。

經(jīng)過近年來的努力，我國在技術(shù)鏈各環(huán)節(jié)都已有一定的研發(fā)基礎(chǔ)，但是，整體上相比國外先進(jìn)水平仍存在較大差距，特別是在規(guī)模化、全流程示范、CO2封存監(jiān)測、泄漏預(yù)警等核心技術(shù)以及大規(guī)模運(yùn)輸與封存工程經(jīng)驗(yàn)等方面尤為明顯。

2 燃煤電廠CCUS技術(shù)

2.1 燃煤電廠碳捕獲技術(shù)

目前，燃煤電廠碳捕獲主要有三種不同的捕獲系統(tǒng)：燃燒后分離、燃燒前分離和富氧燃燒，本文主要介紹燃燒后捕獲與分離技術(shù)[2]。

燃燒后捕獲與分離是指煙氣中CO2與N2的分離。當(dāng)前最好的燃燒后CO2收集法是采用化學(xué)溶劑吸收法，該方法具有較高的捕集效率和選擇性，且能源消耗和收集成本相對較低。化學(xué)溶劑吸收法是用酸性氣體與堿性液體之間的反應(yīng)，常用的吸收劑是胺類吸收劑（如一乙醇胺MEA）。除了化學(xué)溶劑吸收法還有吸附法、膜分離方法等。

原煙氣在預(yù)處理后進(jìn)入CO2吸收塔，在溫度40～60℃環(huán)境下，CO2被吸收。然后凈煙氣進(jìn)入水洗容器平衡系統(tǒng)中的水分，除去煙氣中的吸收劑液滴和蒸汽，隨后離開吸收塔。

吸收了CO2的吸收劑被抽到再生塔的頂端，在比大氣壓略高的壓力和溫度100～140℃的環(huán)境下進(jìn)行再生。水蒸汽經(jīng)過凝結(jié)器冷凝后返回再生塔，而CO2排出再生塔。再生后的吸收劑被抽回吸收塔。

2.2 碳運(yùn)輸和碳封存

管道輸送是CO2運(yùn)輸最安全、最成熟的辦法，首先將氣態(tài)的CO2進(jìn)行壓縮，提高氣體密度，降低運(yùn)輸成本。由于碳捕獲（包括壓縮）成本非常高，因而管道運(yùn)輸成本在整個流程中所占比例就很低了。因此只要捕獲和封存兩個環(huán)節(jié)成本較低，全流程運(yùn)作成本就會明顯降低；

碳封存是指將捕獲、壓縮后的CO2運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)進(jìn)行長期封存的過程。根據(jù)封存地點(diǎn)和方式不同，將碳封存分為地質(zhì)封存、海洋封存、碳酸鹽礦石固存和工業(yè)利用固存等。

普通燃煤電廠鍋爐排放的尾部煙氣CO2含量僅有大約3%～16%，可壓縮性比純的CO2小得多，在這樣的條件下儲存1tCO2大約需要68m3的空間。因此，只有分離煙氣中的CO2，才能充分有效地對它進(jìn)行運(yùn)輸和封存。

3 新建燃煤電廠的“捕集預(yù)留”

“捕集預(yù)留”是一個設(shè)計(jì)概念，意即在條件成熟時燃煤電廠能更為經(jīng)濟(jì)地、合理地改造為配套有CO2捕集與封存技術(shù)裝備的電廠。捕集預(yù)留不應(yīng)僅限于捕集，因?yàn)椴都c封存是捕集、運(yùn)輸與埋存的集合，因而電廠捕集預(yù)留的概念也包括了合理的廠址選擇，這樣才能將捕集到的CO2經(jīng)濟(jì)地輸送至封存地點(diǎn)，以降低整個CCUS過程的總體成本。

2014年，國內(nèi)首份百萬噸級“捕集預(yù)留”設(shè)計(jì)方案在華潤海豐電廠啟動[3]。該項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)8臺1000MW超超臨界機(jī)組。海豐電廠委托廣東電力設(shè)計(jì)院和英國愛丁堡大學(xué)進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，為一期2臺1000MW機(jī)組項(xiàng)目進(jìn)行“捕集預(yù)留”，并且考慮未來CCUS改造的方案，目前一期2臺1000MW機(jī)組已經(jīng)建成發(fā)電。

捕集預(yù)留電廠的具體要求如下：

（1）碳捕集預(yù)留發(fā)電廠需要為新增加的CO2捕集設(shè)備（如洗滌塔、CO2壓縮系統(tǒng)、生產(chǎn)氧氣系統(tǒng)等）預(yù)留安裝場地和空間，為增加部分系統(tǒng)而預(yù)留接口，此外還要預(yù)留改造時的施工場地和設(shè)備運(yùn)輸空間；

（2）燃煤發(fā)電廠采用燃燒后分離捕集CO2技術(shù)對煙氣中SO2和NO2濃度要求較高。要求的SO2和NO2濃度分別小于10～30mg/Nm3和40mg/Nm3，從而減少對吸收劑的影響。因此燃煤電廠在設(shè)計(jì)煙氣脫硫、脫硝系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)考慮把煙氣脫硫、脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)到符合CO2捕捉的要求，或者為將來的煙氣脫硫、系統(tǒng)升級進(jìn)行預(yù)留；

（3）汽輪機(jī)以及其脫硝汽管系統(tǒng)受碳捕集改造的影響最大。使用燃燒后胺吸收捕集技術(shù)，為了加熱胺再生溶液，需要大約40%～50%、壓力為0.36MPa的蒸汽從汽輪機(jī)低壓段前抽出。因此，汽機(jī)房應(yīng)預(yù)留空間，以保證能夠安裝閥門及大型低壓蒸汽管道；

（4）其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)留：壓縮空氣系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、全廠管道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

4 結(jié)語

CO2減排是一個全人類問題，并且認(rèn)定CO2為主要“溫室氣體”的觀點(diǎn)逐漸增多。隨著更多CCUS項(xiàng)目的開展，該技術(shù)將逐漸成熟、成本日趨下降并被普遍接受，并將成為燃煤電廠減少碳排放最最重要的技術(shù)和方式。

現(xiàn)階段，不僅要預(yù)測到CCUS良好的發(fā)展前景，更要深刻地認(rèn)識到開展CCUS所帶來的各種問題。因此，發(fā)展CCUS必須謹(jǐn)慎、前瞻，既要立足國情、量力而行，從大的層面要以加強(qiáng)CCUS 研發(fā)和示范為要務(wù)，避免盲目大規(guī)模上馬，又要面向國際、適度超前，為未來CCUS可能的大規(guī)模應(yīng)用做好前期準(zhǔn)備；從燃煤電廠層面主要是加強(qiáng)CCUS知識儲備、人才培養(yǎng)和對新建項(xiàng)目適當(dāng)超前的“捕集預(yù)留”。