火電行業碳捕集技術現狀及發展趨勢

摘要：在碳達峰碳中和背景下，我國火電行業碳捕集技術雖然取得一定進展，但還存在示范項目規模較小、產業鏈尚未形成等問題。本文結合火電行業碳捕集技術現狀，以重慶市為例，分析制約化學吸收法商業化應用的因素，展望技術發展趨勢。研究表明，化學吸收法在未來5～10年仍將是火電行業碳捕集的主導技術，必須不斷進行優化，最終實現廣泛推廣應用。

關鍵詞：火電行業；碳捕集；化學吸收法；發展趨勢

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.026

Abstract： In the context of carbon peak and carbon neutrality， although China's thermal power industry has made some progress in carbon capture technology， there are still problems such as small scale demonstration projects， and the industrial chain has not yet formed. Based on the current status of carbon capture technology in thermal power industry and taking Chongqing City as an example， this paper analyzes the factors that restrict the commercial application of chemical absorption method and looks forward to the development trend of technology. Research has shown that chemical absorption method will continue to be the leading technology for carbon capture in the thermal power industry in the next 5～10 years， and it must be continuously optimized to ultimately achieve widespread promotion and application.

Keywords： thermal power industry; carbon capture; chemical absorption method; development trends

2020年，電力行業碳排放量約占我國碳排放總量的38%[1]，在我國提出“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”目標后，電力行業，特別是火電行業的碳減排任務艱巨。碳捕集、利用與封存（CCUS）作為將我國從化石能源為主的能源體系向低碳能源體系平穩轉變的重要技術保障，是未來我國減少CO2排放、保障能源安全的重要手段，在我國碳中和進程中不可或缺[2]。因此，探索火電行業碳捕集技術的發展路徑對于未來保障能源安全和實現我國碳中和目標均具有重要意義。

1 火電行業碳捕集技術現狀

火電行業碳捕集技術主要有化學吸收法、膜法、化學吸附法、物理吸附法、富氧燃燒法與化學鏈燃燒法等。膜法處于實驗室研究與工業示范之間，化學吸附法和物理吸附法整體處于中試研究階段，富氧燃燒法和化學鏈燃燒法分別處于工業示范階段、工業化中試階段，而化學吸收法已實現100萬噸級及以上規模的商業應用，是現階段燃燒后碳捕集工藝路線中最成熟的技術[3]。因此，本文主要針對化學吸收法開展分析。

1.1 化學吸收法簡介

化學吸收法的典型工藝流程如圖1所示。煙氣經除塵、脫硫及洗滌后進入吸收塔內，與塔頂噴淋下來的貧CO2溶液（簡稱貧液）發生逆相接觸反應，脫碳后煙氣從吸收塔上部排出，吸收CO2的富CO2吸收液（簡稱富液）經貧富液熱交換器與熱貧液進行熱交換后，被送入再生塔中再生。再生后的貧液則經過貧富液換熱器換熱和貧液冷卻器冷卻（達到所需溫度）后重新噴入吸收塔中，再生氣則經冷凝、氣液分離后進入后續壓縮干燥工序。總體來說，該技術投資成本較低，脫除效率高，運行穩定，已在石油化工、火電等領域得到應用。

1.2 國內外發展情況

如表1所示，國外已有百萬噸級的燃煤電廠碳捕集裝置建成，而國內火電行業碳捕集起步較晚，只有部分國有大型電力企業開展化學吸收法的研究及示范工作。先后投運的項目有華能北京高碑店電廠（2008年，3 000 t/a）、上海石洞口電廠（2009年，12萬t/a）、國家電投重慶合川電廠（2009年，1萬t/a）、大唐北京高井熱電廠（2014年，1 500 t/a）、國家能源錦界電廠（2021年，15萬t/a，國內火電行業最大）等。總體來說，近年來，我國碳捕集技術取得一定進展，但與國外相比，無論是項目規模、運行時間還是技術水平，均存在一定差距。

通過調研國內外火電行業已建及規劃中的百萬噸級CCUS項目情況，筆者發現，這些項目大多采用化學吸收法，化學吸收法在未來5～10年仍將是火電行業碳捕集的主導技術，應用前景廣闊。

2 制約化學吸收法商業化應用的因素

現階段，化學吸收法面臨的主要問題是再生能耗和成本較高。就重慶市而言，除2010年重慶合川雙槐電廠萬噸級碳捕集裝置外，暫未有其他碳捕集項目建成。重慶市開展了一些碳捕集技術的前沿探索，但總體上仍處在試驗和早期技術示范階段，尚未解決化學吸收法商業化應用的兩個瓶頸。總體來說，由于成本及消納等問題，化學吸收法的商業化道路目前仍然不明朗。

2.1 經濟成本高

化學吸收法適用的煙氣條件一般為低壓、低CO2濃度，捕集過程會造成大量的能源消耗，運行成本高，一般為250～500元/t CO2。根據《重慶統計年鑒2021》[4]，2020年，重慶市能源消費總量約為7 622萬t標準煤，經折算，碳排放量為1.56億t。同時，根據相關機構預測，重慶市碳排放達峰時總量可達2.0億t，到2035年和2050年，碳排放總量下降至1.9億t和0.8億t，到2060年，碳排放總量下降至0.3億t。因此，若要實現如此大規模的碳減排目標，按照當前化學吸收法捕集成本估算，每年資金消耗量為300～600億元，將會對地區財政造成較大壓力。

2.2 碳消納途徑少

全球范圍來看，驅油是目前最經濟、安全的碳消納方式，但燃煤電廠碳捕集的規模為100萬～1 000萬t/a，未來整個重慶市的碳捕集總量更是高達數億噸，如此大規模的CO2很難短時間內找到經濟可接受、轉化速率快的消納途徑。針對重慶市，除天然氣及石油開采行業，捕集的CO2一部分還可以應用于化工、食品行業的生產中，但是由于重慶市產業結構的特點，這兩部分的碳需求量遠遠低于地區總碳排放量。

3 發展趨勢

針對制約化學吸收法商業化應用的再生能耗和成本較高等問題，眾多學者開展大量研究。未來，該技術的發展將集中在高效吸收劑開發、工藝過程優化等，以進一步降低捕集能耗和運行成本。

3.1 高效吸收劑開發

目前，吸收劑的開發方向主要包括新型復合胺吸收劑、相變吸收劑、離子吸收劑等。其中，新型復合胺吸收劑以傳統吸收劑為基礎進行改進，保留良好的吸收性能，同時大幅降低再生能耗，現階段最具有商業化應用價值。相變吸收劑是通過吸收CO2后分相，減少再生能耗，而離子吸收劑則采用高吸收性能、低比熱容的離子型溶劑來降低再生能耗，這兩種吸收體系優勢明顯，但是存在穩定性差、分相困難、黏度大和價格高等缺點，短期內暫不具備商業化應用的潛力。因此，目前吸收劑的開發以復合胺吸收劑為主。日本開發出以位阻胺為主要成分的KS-1吸收劑，再生能耗約為3.0 GJ/t CO2，相比傳統吸收劑能耗降低至少20%，它已應用于多個大規模碳捕集示范項目[5]。英國開發出一種復合胺混合溶劑作為吸收劑并在碳捕集規模6 t/d的中試裝置上進行測試，再生能耗約為2.8 GJ/t CO2，結合先進工藝后，預計可降至2.5 GJ/t CO2[6]。我國在勝利電廠4萬t/a的碳捕集裝置上測試所開發的新型復合胺吸收劑，再生能耗可降至2.7 GJ/t CO2[7]。

3.2 工藝過程優化

除了開發新型復合胺吸收劑降低化學吸收法的能耗，還要對系統工藝過程配置進行優化。目前，化學吸收法吸收端的工藝改進主要包括級間冷卻、富液分流等，再生端的工藝改進有半貧液回流、貧液閃蒸壓縮等。根據研究[8]，吸收劑為乙醇胺時，富液分流工藝可使系統再生能耗較傳統工藝降低7.7%。研究發現，錦界電廠15萬t/a碳捕集系統集成“級間冷卻+富液分流+閃蒸壓縮”工藝后，再生能耗可由傳統工藝的4.09 GJ/t CO2降低至2.64 GJ/t CO2，下降約35.28%[9]。在不考慮投資的情況下，級間冷卻、富液分流、貧液閃蒸壓縮等優化工藝均有較好的改進效果，由于吸收端和再生端工藝優化所利用的原理并不完全相同，因此同時針對這兩端的工藝改進組合將具有更好的節能效果。隨著新型高效吸收劑的開發，吸收劑與工藝改進的匹配研究將成為未來研究的重點，這也是建立先進碳捕集工藝系統的關鍵環節。

3.3 技術發展預測

經過國內外的廣泛開發，目前針對以上兩個問題的研究已取得顯著成果。隨著技術的發展，2030年，捕集能耗可降至小于2.0 GJ/t CO2，捕集成本降至小于180元/t CO2[10]，完全實現大規模商業化，全國碳捕集規模達到2億t/a；2050年，捕集能耗可降至1.5 GJ/t CO2，捕集成本降至130元/t CO2，全國碳捕集規模達到8億t/a。總的來說，隨著技術的不斷創新和工藝的不斷優化，化學吸收法是最有望實現大規模應用的碳捕集技術，將成為我國實現碳中和目標的重要保障。

4 結論

未來，化學吸收法的重點發展方向主要集中在高效吸收劑開發、工藝過程優化等關鍵技術，以大幅降低碳捕集能耗和成本，同時避免二次污染。開發高效吸收劑、提升吸收性能是化學吸收法產業化發展需要解決的核心技術難題，方向有新型復合胺溶劑、化學物理混合溶劑、有機無機復合溶劑等。工藝過程優化方面，可與新型吸收劑結合，通過煙氣預處理、吸收塔溫度調節、富液分流解吸、貧液閃蒸壓縮等組合工藝降低系統能耗。特大型分離設備面臨的主要問題是如何保證流場分布均勻度和傳質效率，這就需要考慮碳捕集設備的放大特性，提升特大型反應器和內構件的設計、加工和制造技術水平。另外，可加強塔內件除霧性能研究，降低煙氣霧沫夾帶產生的吸收劑損失。二次污染是碳捕集不可忽視的問題。吸收劑使用過程中的劣化降解是不可避免的，要開發吸收劑的回收、純化、再生和處理等技術，確保碳捕集的安全環保性。

參考文獻

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