燃煤電廠碳捕集技術(shù)及節(jié)能優(yōu)化研究進展
燃煤電廠碳捕集技術(shù)及節(jié)能優(yōu)化研究進展
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摘要： 對燃煤電廠進行二氧化破捕集是減少溫室氣體排放的重要手段。論述了燃煤電廠二氧化碳捕集技術(shù)，包括燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集，其中基于化學(xué)吸收的燃燒后二氧化碳捕集技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。從系統(tǒng)工藝參數(shù)的優(yōu)化、吸收劑和工藝流程的改進以及新能源耦合等方面，總結(jié)了破捕集節(jié)能優(yōu)化技術(shù)的研究進展，對開發(fā)低能耗的碳捕集技術(shù)具有重要意義。
關(guān)鍵詞： 碳捕集技術(shù)；燃煤電廠；吸收劑；能耗；節(jié)能
根據(jù)國際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)顯示，2018年全球CO 2 排放總量為33143×10 6 t，其中我國CO 2 排放量為9481×10 6 t，占全球總量的28%。為應(yīng)對氣候變化，減少以CO 2 為主的溫室氣體排放，中國在2020年的第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，將力爭于2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和。在我國，燃煤電廠是溫室氣體排放的主要來源，約占全國溫室氣體排放總量的50% [1] ，對此類CO 2 進行捕集和封存是應(yīng)對氣候變化和減少溫室氣體排放的重要技術(shù)手段。因此，研究燃煤電廠CO 2 捕集技術(shù)，并降低其能耗和成本，對于早日實現(xiàn)“3060目標(biāo)”具有重要意義。
燃煤電廠CO 2 捕集技術(shù)大致可分為燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集，其中燃燒后捕集又包括化學(xué)吸收法、物理吸收法、膜分離法和低溫分離法等 [2] 。燃燒前CO 2 捕集技術(shù)，一般應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC（integrated gasification combined cycle））電廠，工藝流程如圖1所示。即煤經(jīng)過氣化裝置生成由CO和Ｈ 2 組成的合成氣，隨后CO在變換裝置中與蒸汽反應(yīng)生成CO 2 和H 2 ，再通過物理或化學(xué)的分離工藝將CO 2 分離，進一步壓縮儲存，富氫燃料進入口燃?xì)廨啓C。燃燒前捕集一般會降低電廠發(fā)電效率約７~10個百分點。
燃燒前CO 2 捕集技術(shù)在我國已有工程應(yīng)用，坐落于天津的華能IGCC電廠碳捕集裝置是我國首套燃燒前CO 2 捕集裝置，該裝置年捕集CO 2 能力10萬ｔ，CO 2 捕集率達90%以上。
燃燒中CO 2 捕集技術(shù)即富氧燃燒，工藝流程如圖2所示。即空氣先在空氣分離裝置分離出氧氣，燃料在高純度氧氣氛圍中燃燒，燃燒生成的煙氣成分主要為CO 2 和Ｈ 2 O，經(jīng)冷凝可將CO 2 分離，一部分煙氣通過再循環(huán)進入鍋爐起到控制燃燒溫度的作用。由于在燃燒時采用高純度氧替代空氣作為氧化劑，所以提高了煙氣中CO 2 濃度，降低了CO 2 捕集的能耗，但由于通過空分裝置制氧會增加相應(yīng)的能耗，這樣就會使燃煤電廠發(fā)電效率降低10~12個百分點。
富氧燃燒技術(shù)多處于試驗和示范階段。華中科技大學(xué)牽頭承擔(dān)的“35MWth富氧燃燒碳捕獲關(guān)鍵技術(shù)、裝備研發(fā)及工程示范”國家科技支撐計劃項目在2016年通過驗收。該示范工程在富氧干循環(huán)條件下干煙氣CO 2 體積分?jǐn)?shù)可穩(wěn)定在80%以上。華中科技大學(xué)的趙海波 [3] 等通過建立模型，對2×300MW富氧燃燒機組進行了經(jīng)濟評價，得出單位功率CO 2 捕集量為0.7375t(MW·h)，CO 2 捕集成本為135.06元/ｔ。
燃燒后CO 2 捕集技術(shù)流程如圖3所示。即煤粉與空氣在鍋爐內(nèi)燃燒，燃燒后的煙氣經(jīng)過脫硝、除塵、脫硫后進入口CO 2 捕集裝置，分離后的CO 2 壓縮儲存。由于燃燒時以空氣作為氧化劑，所以煙氣中含有大量的Ｎ 2 ，CO 2 的濃度低，分離能耗高，一般會降低發(fā)電效率8~13個百分點。
燃燒后捕集技術(shù)不改變原有燃燒方式，是在目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，已有多個工程應(yīng)用。燃燒后CO 2 捕集一般采用化學(xué)吸收法，即通過將煙氣中CO 2 與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將CO 2 吸收，再通過對吸收劑加熱，將CO 2 分解出來。國家電投合川雙槐電廠CO 2 捕集裝置于2010年投運，是我國首套萬噸級CO 2 捕集系統(tǒng)，該CO 2 捕集系統(tǒng)由國家電投集團遠達環(huán)保工程有限公司自主研發(fā)設(shè)計建設(shè)，設(shè)備均實現(xiàn)了國產(chǎn)化，項目總投資1235萬元，與國外同等規(guī)模的裝置相比，單位投資成本下降40%左右，系統(tǒng)捕集成本約為394元/t [4] 。
對于燃煤機組，基于單乙醇胺MEA（monoe-thanolamine）吸收劑的碳捕集技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的，但是MEA吸收劑也存在再生能耗大、吸收劑損失大、對設(shè)備腐蝕性髙以及易降解產(chǎn)生污染物等問題。為了降低CO 2 捕集能耗，我國科研入口員開展了眾多研究，研究的路線主要包括系統(tǒng)工藝參數(shù)的優(yōu)化、吸收劑的改進、工藝流程的改進以及新能源耦合等方式。
在系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化方面，白亞開 [5] 利用Aspen Plus軟件對基于MEA吸收劑的二氧化碳捕集技術(shù)進行了能耗分析，研究了CO 2 捕集率、貧液負(fù)荷、吸收劑濃度、貧液入口溫度以及解吸塔壓力等因素對碳捕集系統(tǒng)能耗的影響。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)能耗隨著CO 2 捕集率的增高而增高；能耗隨著貧液負(fù)荷的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并在0.24mol/mol附近達到最小值；系統(tǒng)能耗隨著MEA吸收劑濃度的增高而降低，但考慮到設(shè)備腐蝕的問題，吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%是最佳選擇；隨著解吸塔壓力的升高，系統(tǒng)能耗逐漸減少，考慮到設(shè)備承壓能力的因素，0.19MPa為最佳壓力；貧液入口溫度越低解吸能耗越小，但是貧液入口溫度降低會增加冷卻水量，綜合考慮40t脫碳成本最低。通過參數(shù)優(yōu)化后，與常規(guī)參數(shù)碳捕集系統(tǒng)相比，發(fā)電效率提高了0.17%碳捕集成本降低了4.3元/t。
在吸收劑改進方面，主要有單一吸收劑、混合吸收劑和相變吸收劑的研究。林海周[6]等對單乙醇胺、甲基二乙醇胺MDEA（methyldiethanolamine）、2-氨基－2－甲基－1－丙醇AMP（2-amino-2-methyl-1-propanol）和哌嗪（piperazine）等單一胺類吸收劑的CO 2 吸收特性進行了對比，結(jié)果如表1所示。研究顯示，甲基二乙醇胺具有較低的吸收反應(yīng)熱，哌嗪由于其具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，CO 2 吸收速率較快，同時CO 2 吸收容量較高。
由于單一胺類吸收無法同時滿足較高的吸收容量、較高的吸收速率以及較低的反應(yīng)熱，因此，將不同特性的吸收劑按比例混合，從而得到吸收速率、吸收容量和反應(yīng)熱倶佳的混合吸收劑是主要的研究方向之一。如國家電投遠達環(huán)保工程有限公司和重慶大學(xué) [7] 公開了一種二氧化碳復(fù)合胺吸收劑，即在一乙醇胺（MEA）中加入口活化劑，活性劑一般為哌嗪、N－（2－羥乙基）乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺或四乙烯五胺中的一種或多種混合物，得到復(fù)合胺吸收劑吸量可達0.65~1.3mol/mol，且具有較髙的吸收速率和較低的腐蝕性。
相變吸收劑在與CO 2 反應(yīng)或加熱后，會形成兩個不相容的液相，只有CO 2 捕集率超過90%的富相需要通過解吸，貧相則可直接進吸收塔循環(huán)，可有效降低解吸能耗。張藝峰？通過實驗得到了DETA/PMDETA/環(huán)丁砜相變?nèi)軇┑淖罴褜嶒炁浔取Ｎ談┖虲O2反應(yīng)后，溶液分成上下2層，上層為PMDETA/環(huán)丁砜，下層為含有CO2的DETA/PMDETA/環(huán)丁砜。與傳統(tǒng)的MEA吸收劑相比，該相變吸收劑的再生顯熱和潛熱分別降低了49.4%和80.1%，再生能耗降至2.48GJ/t，降低了35%。周小斌 [9] 利用DETA和PMDETA研發(fā)了新型相變胺吸收劑。通過實驗，確定了0.5MDETA+1.5AMP+3MPMDETA（0.5D1.5A3P）的最佳配比。通過建模對再生能耗進行了評估，結(jié)果表明，改相變吸收劑再生能耗可降至1.83GJ/t，與傳統(tǒng)MEA吸收劑相比降低了52%。
通過對碳捕集工藝流程的改進，同樣可以達到降低碳捕集能耗的目的，常見的工藝流程改進方法有中間冷卻（如圖5所示）和富液分流（如圖6所示）。
中間冷卻是將貧液分開并分別通過2個換熱器和冷卻器，然后將貧液送至吸收塔的進料點：一個位于塔頂，另一個位于吸收塔中部。在塔中部注入較冷的貧液導(dǎo)致溫度降低，從熱力學(xué)方面來看，有利于CO 2 的吸收。重新注入口冷的貧液而不是冷卻部分負(fù)載的溶劑使得熱力學(xué)驅(qū)動力增大且進一步改善CO 2 的吸收。
富液分流是基于熱力學(xué)原理，即降低驅(qū)動力以減少溶劑再生的蒸汽消耗，同時降低CO 2 捕集成本。該過程與傳統(tǒng)MEA法的區(qū)別主要在于：具有分流過程的捕集過程將從吸收塔底部流出的富液分為2股，一股進入口解吸塔頂部，向下流動，從解吸塔中部離開，先經(jīng)過貧富液換熱器與低溫貧液換熱，再經(jīng)過半貧液冷卻器進入口吸收塔中部；另一股則進入口解吸塔中部，向下流動，從解吸塔底部離開，經(jīng)過貧富液換熱器回到吸收塔頂部。
由于基于MEA吸收劑的捕集方法，吸收劑再生所需熱能一般來自燃煤機組抽汽，除了對碳捕集系統(tǒng)自身工藝流程改進外，還可以通過改進燃煤電廠汽水系統(tǒng)與碳捕集系統(tǒng)的耦合，達到降低捕集能耗的目的。彭行行Ｍ以二次再熱機組為研究對象，開展了機組抽汽與碳捕集系統(tǒng)耦合的熱力特性研究，通過對比分析4種方案，確定了在一次再熱段進行抽汽，在5號、6號加熱器之間回水的最佳位置，與傳統(tǒng)碳捕集方案相比系統(tǒng)循環(huán)熱效率提高了1.47%，發(fā)電煤耗率降低8.53g/(kW·h)。
使用清潔能源與系統(tǒng)集成也是一種降低能耗的思路。郭石琪 [11] 以某660MW二次再熱機組作為研究對象，通過熱經(jīng)濟性比較，并結(jié)合投資成本，確定了以太陽能系統(tǒng)用于加熱回?zé)嵯到y(tǒng)中的主凝結(jié)水，以汽輪機中壓缸排汽為捕碳系統(tǒng)中的再生熱源，做功后的蒸汽最終流入口凝汽器的集成方案 [12] 。
ａ）燃煤機組是我國碳排放的主要來源，對燃煤機組開展碳捕集是減少溫室氣體排放的重要方式。CO 2 捕集技術(shù)主要包括燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集，其中基于化學(xué)吸收的燃燒后捕集應(yīng)用最廣泛。
ｂ）碳捕集系統(tǒng)能耗較高，為了降低捕集能耗，科研入口員在系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化、吸收劑改進以及工藝流程改進等方面進行了節(jié)能研究。單一的節(jié)能優(yōu)化方式對碳捕集系統(tǒng)降耗的貢獻有限，對碳捕集系統(tǒng)進行多種節(jié)能方式的集成，對系統(tǒng)麟十分重要。
c）開發(fā)出低能耗、低成本的碳捕集技術(shù)，是加快碳捕集技術(shù)全面進入口商業(yè)運營的前提，也是實現(xiàn)“3060”雙碳目標(biāo)的重要保障。
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