淺談燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集工藝的近零排放

張啟陽（中石化石油工程設計有限公司,山東　東營　257026）

淺談燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集工藝的近零排放

張啟陽
（中石化石油工程設計有限公司,山東東營257026）

摘要：胺化學吸收法已廣泛應用在燃煤電廠燃燒后捕集工藝中。有機胺吸收CO2的最佳溫度在40-50℃，且與煙氣中SO2、NOx等酸性氣體可以發生反應，生成熱穩定性鹽，帶來二次污染。全球幾種先進、典型的CO2捕集工藝包中增加了對煙氣的降溫、精脫硫、吸收劑再生等環節，為碳捕集的近零排放提供工藝優化和改進提供導向。

關鍵詞：燃煤電廠;二氧化碳捕集;脫硫;零排放

我國以煤炭為主的能源結構，燃煤電廠煙氣的碳捕集是CO2減排的重要對象，因此，需要在碳減排的同時，盡量減少工藝的二次污染，實現碳捕集的近零排放。對于燃煤電廠煙氣燃燒后捕集技術來說，有機胺化學吸收法最為成熟。吸收劑對煙氣中的酸性氣體（CO2、NOx、SOx）不專一的選擇性導致了藥劑的額外損耗，與此同時還會產生熱穩定性鹽[1]，如氨基硫酸鹽等，帶來的二次污染無法實現碳捕集的近零排放；此外，SO2還會影響吸收劑的降解率。相關的研究表明：對于目前研發的吸收劑來說，煙氣中SO2的濃度控制在10mg/ m3[2]。盡管我國在全球范圍內對火力電廠大氣污染物制定的排放標準最為嚴格，SO2的排放濃度在50-200mg/m3，煙氣中SO2的濃度仍然不滿足碳捕集的要求。此外，考慮到吸收劑的最佳反應溫度通常在40-50℃，高于電廠煙氣溫度。綜上所述，需要對燃煤電廠的煙氣進行除硫、降溫的預處理。

殼牌康索夫、德國西門子、美國ΡowerSpаn開發的碳捕集工藝在全球處于領先水平。通過文獻調研，本文對幾種典型的碳捕集工藝的近零排放進行簡單的闡述，為碳捕集的近零排放提供工藝優化和改進提出一些想法。

1　殼牌康索夫（Consolv）

殼牌康索夫(ShellCаnsolv)是SO2和CO2回收領域的領導者，其開發的吸收藥劑為可再生的有機胺溶液。殼牌的Cаnsolv作為合作伙伴參與了全球幾個著名的碳捕集與封存項目，如加拿大的Weyburn MidаleCO2驅油項目，加拿大從1990年起至今共實施了43個注CO2提高采收率項目，Weyburn油田的項目是其中最成功的例子；澳大利亞的Otwаy項目，這是澳大利亞第一個完整的從源到匯的碳封存研究項目，儲層為枯竭氣田和地下咸水層；英國擬建的Ρeterheаd項目和加拿大在建項目Quest，碳捕集技術采用Cаnsolv工藝；挪威蒙斯塔德碳捕集研究中心測試的工藝中也有Cаnsolv工藝。它的碳捕集工藝包中提出：電廠煙氣先脫硫，再脫碳。該工藝已于14年10月在加拿大SаskΡower燃煤電廠煙氣燃燒后碳捕集（百萬噸CO2/年）示范工程中成功應用[3]，圖中兩個方形塔，其中較矮的為脫硫吸收塔。在工藝流程中，燃煤電廠煙氣經除塵、脫硫、脫硝處理后的煙氣首先進入脫硫吸收塔，煙氣中的SO2濃度進一步降低，剩余煙氣進入脫碳吸收塔。在脫硫吸收塔形成的富液進入脫硫再生塔，在高溫下對SO2進行釋放。脫碳工藝與脫硫相似，但需要強調的是加拿大SаskΡower碳捕集示范工程中對能量進行了梯級利用，即脫硫再生塔頂部排除的高溫、純的SO2的熱能經過換熱器對脫碳再生塔所需的部分蒸汽進行了加熱，以降低工藝的運行成本。純的SO2轉化為硫酸，進行外售。SаskΡower碳捕集示范工程每天可產生60噸的硫酸。

2　德國西門子（Seimens）

德國西門子碳捕集工藝包中，吸收劑為氨基酸鹽。西門子曾經為挪威、荷蘭、阿聯酋的CO2捕集項目做過氨基酸鹽捕集工藝的可行性研究。該工藝在煙氣進入吸收塔之前也是進行了降溫和脫除SO2和NOx的預處理，通常使用NаOH溶液作為吸收劑。對SO2引起的額外的吸收劑的損耗，而是采用了氨基酸鹽的再生技術，產生硫酸鹽類的化肥作為副產品進行銷售以及氨基酸鹽吸收劑的再生[4]。

圖1　加拿大SaskPower燃煤電廠燃燒后捕集（100萬噸CO2/年）示范項目

圖2　德國西門子氨基酸鹽捕集CO2的工藝

3　美國PowerSpan

美國ΡowerSpаn研發的ECO2工藝采用的是液氨捕集CO2。該工藝于2008年在美國俄亥俄州的20t/d的中試試驗裝置上得到過驗證，并與2012年與華能集團在北京密云建成了2.5t/d的試驗平臺，對該工藝進行驗證和優化。由于液氨也能夠捕集其他的酸性氣體，圖3給出了ΡowerSpаn開發的除塵、脫硫、脫汞和脫CO2聯合處理工藝，其中也是將脫硫工藝（ECO-SO2）安排在脫碳工藝之前。由于ECO-SO2工藝脫硫效果高于98%，煙氣經過除塵、脫硫和脫汞后無需再進行精脫硫。工藝過程中的副產品硫酸銨可以作為化肥進行銷售[5]。

4　結語

綜上所述，對于燃煤電廠煙氣燃燒后捕集工藝來說，吸收劑不能專一的吸收煙氣中的CO2，為了減少吸收劑的消耗量，保證更少的熱穩定鹽產生，需要對煙氣中的SOx進行預處理。目前，典型的碳捕集工藝包開發商均研制過煙氣脫硫工藝，因此，采用脫硫和脫碳串聯流程以減少吸收劑的額外損耗，并降低熱穩定性鹽的產生。此外，有些工藝還會對熱穩定鹽的再生中增加硫的回收利用和吸收劑的再生工藝，實現資源化利用。無論是碳捕集的脫硫預處理，還是對吸收劑的再生，均會增加碳捕集工藝的運行成本。然而，電廠在滿足現行國家標準《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的前提下又無法滿足碳捕集吸收劑對SO2和NOx的要求。因此，我國的碳捕集工藝開發商應加速新型吸收劑的研發和優化碳捕集工藝流程，最大限度的降低煙氣中SO2和NOx對吸收劑的影響，提升吸收劑的競爭力，真正實現碳捕集的近零排放。

圖3　美國PowerSpan的ECO2工藝

參考文獻：

[1]J.Thompson, et al.Heat stable salt accumulation and solvent degradation in a pilot-scale CO2capture process using coal combustion flue gas.Aerosol and Air Quality Research,2014(14)550-558.

[2]Puxty G.et al.A novel process concept for the capture of CO2and SO2using a single solvent and column. Energy Procedia,2014(63):703-714.

[3]K.Stephenne.Start-up of world’s first commercial postcombustion coal fired CCS project:Contribution of Shell Cansolv to SaskPower Boundary Dam ICCS project.Energy Procedia,2014(63):6106-6110.

[4]Jockenhovel T.et al.Towards commercial application of a second-generation post-combustion capture technology-Pilot plant validation of the Siemens capture process and implementation of a first demonstration case.Energy Procedia,2011(04):1451-1458.

[5]McLarnon C,et al.Testing of ammonia based CO2capture with multi-pollutant control technology.Energy Procedia,2009(01):1027-1034.

作者簡介：張啟陽，高級工程師，研究方向：煙道氣脫硫脫碳處理技術以及油田地面工程技術。