燃煤電廠二氧化碳捕集、利用和封存與“捕集預留”分析

余子炎

（廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾 516623）

0 引言

自前工業時代（1850～1900年）以來，大氣中CO2含量已經大約增加了40%，到2013年達到了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104億噸。

普遍認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技術發展

CCUS是指將CO2從排放源中分離出來，通過交通運輸或管道輸送到特定地點進行利用或封存，使CO2與大氣長期隔離。當前CCUS技術基本上仍處在研發和示范性階段，諸多因素制約了CCUS技術的發展，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，將CO2資源化利用也作為該技術系統的組成部分則稱CCUS，二者并沒有本質區別。

1.1 國際上CCUS技術進展

近年來，多數發達國家都投入巨額資金開展CCUS研發和示范活動，至2011年全球CCUS項目超過200個，其中全流程項目約70個。

但近幾年CCUS技術發展緩慢，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、環境監測、生態影響、泄漏應急等關鍵環節的環境風險問題。所以，CCUS技術在發達國家仍處于研發和示范階段。

1.2 中國CCUS技術進展

我國CCUS技術發展較慢，各環節發展不平衡，距離產業化、全流程應用示范仍存在較大差距。

經過近年來的努力，我國在技術鏈各環節都已有一定的研發基礎，但是，整體上相比國外先進水平仍存在較大差距，特別是在規模化、全流程示范、CO2封存監測、泄漏預警等核心技術以及大規模運輸與封存工程經驗等方面尤為明顯。

2 燃煤電廠CCUS技術

2.1 燃煤電廠碳捕獲技術

目前，燃煤電廠碳捕獲主要有三種不同的捕獲系統：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[2]。

燃燒后捕獲與分離是指煙氣中CO2與N2的分離。當前最好的燃燒后CO2收集法是采用化學溶劑吸收法，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。化學溶劑吸收法是用酸性氣體與堿性液體之間的反應，常用的吸收劑是胺類吸收劑（如一乙醇胺MEA）。除了化學溶劑吸收法還有吸附法、膜分離方法等。

原煙氣在預處理后進入CO2吸收塔，在溫度40～60℃環境下，CO2被吸收。然后凈煙氣進入水洗容器平衡系統中的水分，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℃的環境下進行再生。水蒸汽經過凝結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 碳運輸和碳封存

管道輸送是CO2運輸最安全、最成熟的辦法，首先將氣態的CO2進行壓縮，提高氣體密度，降低運輸成本。由于碳捕獲（包括壓縮）成本非常高，因而管道運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節成本較低，全流程運作成本就會明顯降低；

碳封存是指將捕獲、壓縮后的CO2運輸到指定地點進行長期封存的過程。根據封存地點和方式不同，將碳封存分為地質封存、海洋封存、碳酸鹽礦石固存和工業利用固存等。

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行運輸和封存。

3 新建燃煤電廠的“捕集預留”

“捕集預留”是一個設計概念，意即在條件成熟時燃煤電廠能更為經濟地、合理地改造為配套有CO2捕集與封存技術裝備的電廠。捕集預留不應僅限于捕集，因為捕集與封存是捕集、運輸與埋存的集合，因而電廠捕集預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經濟地輸送至封存地點，以降低整個CCUS過程的總體成本。

2014年，國內首份百萬噸級“捕集預留”設計方案在華潤海豐電廠啟動[3]。該項目規劃建設8臺1000MW超超臨界機組。海豐電廠委托廣東電力設計院和英國愛丁堡大學進行項目設計，為一期2臺1000MW機組項目進行“捕集預留”，并且考慮未來CCUS改造的方案，目前一期2臺1000MW機組已經建成發電。

捕集預留電廠的具體要求如下：

（1）碳捕集預留發電廠需要為新增加的CO2捕集設備（如洗滌塔、CO2壓縮系統、生產氧氣系統等）預留安裝場地和空間，為增加部分系統而預留接口，此外還要預留改造時的施工場地和設備運輸空間；

（2）燃煤發電廠采用燃燒后分離捕集CO2技術對煙氣中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。因此燃煤電廠在設計煙氣脫硫、脫硝系統時，應當考慮把煙氣脫硫、脫硝系統設計到符合CO2捕捉的要求，或者為將來的煙氣脫硫、系統升級進行預留；

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

（4）其它系統設計預留：壓縮空氣系統、水處理系統、污水系統、電氣系統、全廠管道系統、控制系統等。

4 結語

CO2減排是一個全人類問題，并且認定CO2為主要“溫室氣體”的觀點逐漸增多。隨著更多CCUS項目的開展，該技術將逐漸成熟、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和方式。

現階段，不僅要預測到CCUS良好的發展前景，更要深刻地認識到開展CCUS所帶來的各種問題。因此，發展CCUS必須謹慎、前瞻，既要立足國情、量力而行，從大的層面要以加強CCUS 研發和示范為要務，避免盲目大規模上馬，又要面向國際、適度超前，為未來CCUS可能的大規模應用做好前期準備；從燃煤電廠層面主要是加強CCUS知識儲備、人才培養和對新建項目適當超前的“捕集預留”。