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火电厂碳捕集与储存中吸收法的应用和改进

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第28卷第4期 2Ol4年7月 发电.没务 P0WER EQUIPMENT V0l_28,NO.4 July.2014 一’’’’’’’’’’ ’’’’、 :环保技术与装备: -t‘..‘‘Illltt。t。‘ 火电厂碳捕集与储存中吸收法的应用和改进 李 睿 ,王曙光 ,唐兆芳 (1.江苏省电力设计院,南京211102; 2.新海发电有限公司,江苏连云港222000) 摘要:介绍了碳捕集与储存技术在火力发电厂控制CO 排放的作用,重点介绍了碳捕集技术中吸收法 的工艺流程,并列举了国外应用的案例,分析了其工艺特点,指出今后此吸收法还应从改善化学反应过程,以 及整合脱碳系统与发电厂热力系统两个方面加以改进。 关键词:火电厂;碳捕集与储存;吸收法 中图分类号:X511 文献标志码:A 文章编号:1671—086X(2014)04—0305—05 Application and Improvement of Absorption Method in Carbon Capture and Storage of Thermal Power Piants Li Rui ,Wang Shuguangz,Tang Zhaofang (1.Jiangsu Electric Power Design Institute,Nanjing 211102,China; 2.Xinhai Power Generation Co.,Ltd.,Jiangsu Lianyungang 222000,China) Abstract:The roles of carbon capture and storage technology in controlling COz emission from thermal power plant are described in detail,with focus on the carbon capture process by absorption method. Meanwhile overseas application cases are listed and corresponding characteristic analysis is performed.It is pointed out that the absorption method shall be further optimized from two aspects,i.e.the improvement on chemical reaction process,and the integration of decarbonization system with thermal system of the power plant. Keywords:thermal power plant;carbon capture&storage;absorption method 温室气体(主要为C0 )的大量排放被广泛 认为是导致全球气候变化的主要原因,因此CO 料(例如生物质)而产生的CO ;(2)将这些CO。 运输到合适的封存地点;(3)储存CO。至地底岩 层深处。 的减排越来越受到整个社会的关注。《国家“十 二五”规划纲要》明确提出了将单位国内生产总 值CO:排放量降低17 的目标l1]。在我国能源 火电厂大型CCS项目均包含CO 捕集、运 输和储存整个流程,且CO 年捕集量不低于 结构以煤为主的现实情况下,火力发电一方面是 CO。的最大单一排放源[2],另一方面又在满足能 源需求方面起着重要作用;因此,急需采取行之 有效的CO 减排措施。碳捕集与储存技术 (CCS)能很好地满足这一要求。 8.0×10 t。根据全球碳捕集与封存研究所 (GCCSI)公布的数据,截至201 3年3月,全球 大型CCS项目的数量为74个_3]。 发电领域大型CCS项目的数量为41个,该 数值大于其他工业领域的项目数量之和,是CCS 应用最多的工业领域。与其他工业领域相比,发 电行业具有大量且稳定的碳排放源,技术实现难 1 CCS技术及应用情况 CCS包括三个方面:(1)捕集大型工厂因使 用化石燃料(煤炭、石油和天然气)和其他含碳燃 度相对较低,且更能获得减排效果,因而在 资助中往往会获得最大份额的投资,见图1。 收稿日期:2013—10—10 作者简介:李睿(1983一),男,工程师,主要从事发电厂电力设计工作。 E—mail:lirui@jspdi.com.cn 发电没备 第28卷 籁 血 处然严严 料严烁 理气 图1各工业领域大型CCS项目数量分布情况(截至2013年3月) 已开发出的火电厂碳捕集技术可以分为燃 烧前碳捕集、燃烧后碳捕集、富氧燃烧技术等。 采用不同碳捕集技术的火力发电厂大型CCS项 目数量分布情况见图2。 燃烧后燃烧前富氧其他或 燃烧方法未定 图2 采用不l司碳捕集技术的火力发电/-大型 CCS项目数量分布情况(截至2013年3月) 从图2可见:燃烧后捕集是火力发电厂采用 最多的碳捕集技术,项目数量达18个。燃烧后 碳捕集技术具有技术成熟、对现有发电厂继承性 好的优点。因此,在火力发电厂大量存在的背景 下,采用燃烧后捕集技术改造已有发电厂,是实 现碳减排目的既经济又有效的手段。 2吸收法碳捕集技术 燃烧后碳捕集技术可分为吸收法、吸附法 和膜分离法等,其中吸收法通过将CO。吸收进 某种材料的相态中来实现碳捕集。它在化学、 石化等领域应用广泛,脱碳效率可以达到90 以上l4],技术相对成熟。事实上,目前中短期 的燃烧后碳捕集项目大部分都采用了吸 收法 引。 吸收法的典型工艺流程见图3。 至co2压缩 工艺段 咖蒜皿 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O 图3 吸收法捕集C02的典型工艺流程 在该工艺流程中,烟气从吸收塔下部进入塔 内,与自上而下流动的吸收剂发生气液接触,烟 气中的cO 被吸收剂吸收,剩余烟气则被排出吸 收塔。为防止吸收剂随烟气排气,在吸收塔 上部设有水洗环节;通过水洗,烟气中的吸收剂 被冷却回流至吸收塔内。吸收到一定量CO 的 富液经过贫/富液热交换器,进入吸收剂再生塔。 富液在塔内较高温度和较低压力的条件下释放 出CO 气体,从而变为贫液。贫液被送回到吸收 塔内,继续捕集烟气中的CO。。捕集到的Co 气 体经过收集、干燥、压缩后,被送至储罐储存。再 生塔下部与重沸器相连,再生塔内的贫液在重沸 器内被加热。重沸器一方面可以加热进入再生 塔的液体至合适的温度,从而使富液中的化学键 发生断裂脱出C0。;另一方面则可产生自下而上 的热贫液蒸汽,与自上而下的冷富液发生热交 换。再生塔的气体出口连至冷凝器,冷凝器不仅 可以保证CO 的纯度(质量分数),而且可以为再 生塔提供回流液体。 为了将吸收法工艺系统有机地整合入现有 火电厂系统中,并实现其最优的效果,仍需要对 吸收法工艺进行改进。目前,国内外多个火电厂 大型CCS项目已确定了吸收法的具体工艺流程。 3 CCS技术应用案例 在全球18个火电厂大型CCS项目中,边界 大坝整体碳捕集与分离示范项目已处于建设阶 段;而特纳斯卡开拓者能源中心项目和托莱港项 目也已处于定义阶段,项目进度较快;中石化胜 利油田EOR项目是中国目前唯一一个火电厂大 型CCS项目。此外,上述4个项目在技术工艺方 面各具特点,从多个方面对典型的吸收法碳捕集 工艺进行了改进。 3.1边界大坝整体碳捕集与分离示范项目 边界大坝整体碳捕集与分离示范项目位于 加拿大萨斯喀彻温省(Saskatchewan)的东南部, 第4期 李睿,等:火电厂碳捕集与储存中吸收法的应用和改进 由加拿大于2011年4月正式批准。项目 投资总额约12.4亿加元,其中2.4亿加元来自 加拿大,其余部分则由SaskPower公司出 资。该项目现处于建设阶段,计划于2014年建 成投运,设计寿命3O年。这将是世界上第一个 投运的采用燃烧后碳捕集技术的火电厂大型 CCS项 。 的3号机组(150 MW)来实现。CO 捕集效率约 为90%,年捕集量可达1.0×10。t_7]。捕集到的 CO 主要通过管道被输送到油田,用于提高采油 率,额外部分则采用注入深部咸水层的方式进行 封存。 该项目在CO。捕集技术方面选择了燃烧后 捕集技术中的吸收法,具体采用了Cansolv公司 的SO。/co 整体捕集技术。该技术的工艺流程 见图4[ 。 项目中的CO 捕集部分通过改造SaskPow— er公司边界大坝(Boundary Dam)电站燃烧褐煤 图4 Cansolv公司SO2/CO2整体捕集技术工艺流程 与吸收法典型工艺流程(图2)相比,Cansolv 公司这项技术的特点为: (1)采用Cansolv公司自主研发的吸收剂进 3.2特纳斯卡开拓者能源中心项目 特纳斯卡开拓者能源中心项目计划建造一个 达到商业运行规模的具备CO 捕集能力的燃煤 发电厂。该电厂位于美国德克萨斯州兰县 (Nolan County)。电厂燃用次烟煤,采用燃烧后 碳捕集技术,总发电功率约765 MW,净发电功率 行脱碳。 (2)将脱硫与脱碳系统设计在一个模块内, 可以节省空间。 (3)脱硫工艺流程与脱碳工艺流程相似,采 用了Cansolv公司自主研发的吸收剂进行脱硫, 约600 Mw。项目计划捕集发电厂烟气中体积分 数为85 ~9O 的CO ,日捕集量约17 500 t,年 吸收剂可循环使用,脱硫得到的SOz产物可用于 生产硫酸。 (4)采用机械式蒸汽再压缩机进行热量回 捕集量可达5.75×10 t。捕集到的CO 通过管 道被输送到油田,用于提高采油率。该项目建成 后将是美国第一座碳捕集能力达到商业运行规模 收,以提高系统热效率。 的新建燃煤电厂,届时也将是世界上CO。年捕集 量最大的采用燃烧后碳捕集技术的发电项目_9]。 该项目采用Fluor公司的Econamine FG (5)吸收塔内设置中间冷却部分,用于降低 吸收剂温度,从而提高反应速率,增加吸收剂的 吸收能力。 PlussM技术n。。,其工艺流程见图5。 吱也泛备 第28卷 图5 福陆公司Econamine FG PLUS 技术(EFG+)工艺流程 与典型的吸收法工艺相比,此项技术具有以 下特点: 改造一座发电功率约660 Mw的燃烧煤与生物质 的超超临界火电厂,计划于2015年建成投运。其 中碳捕集部分需要处理的烟气量占发电厂总排放 量(体积分数)的5O ,烟气体积流量约为80 000 m。/h,相当于250 Mw净发电功率产生的CO , 捕集效率约9O ,年捕集量可达(1~1.5)× 1O。t。捕集到的CO。通过管道输送到指定位置, 而后注入亚得里亚海北部的深部咸水层l】 。 与边界大坝项目和特纳斯卡开拓者能源中心 项目相同,此项目的碳捕集部分也采用吸收法,但 其技术提供方为ENEL公司。在托莱港项目之 前,ENEL公司已在意大利的布林迪西(Brindisi)建 造并运行了一座捕集C 的中试电厂。对布林迪 西中试电厂碳捕集工艺流程与典型的吸收法工艺 比较,可以发现该工艺具有以下特点: (1)烟气在进入吸收塔前,先由直接接触冷 却器进行减温,冷却介质为循环冷却水。其优点 包括:①可在烟气进入吸收再生系统之前,将烟 气中的水蒸气冷凝下来,减少了吸收剂中水的质 量浓度,从而减少了吸收剂循环过程中重沸所需 的热量;②减少烟气中水蒸气质量浓度,可降低 进入风机的总质量流量;③减温后烟气具有更高 的密度,因而可降低通过风机流体的体积流速; ④当系统入口烟气中硫的质量浓度较高时,可以 通过从直接接触冷却器上部投放NaOH的方法, 进一步吸收SO。,以免SO。进入吸收塔中后导致 吸收剂失活。 (2)与Cansolv公司的脱碳工艺相同,在吸收 塔内也设有中间冷却部分。 (3)吸收剂在循环过程中会生成热稳定性好 的盐类。这部分盐类与吸收剂受热分解或氧化分 解的产物均无法通过吸收剂过滤的方式去除;因此 该工艺设置了吸收剂回收装置。该装置与再生塔 (1)在CO 捕集单元前设置了预处理单元。 该单元包括一个石灰石脱硫装置和一个湿式电 除尘装置。根据布林迪西中试电厂公布的数据, 通过预处理,可将SO 质量浓度从400 mg/m。降 至20 mg/m。以下,颗粒质量分数和质量浓度分 别从(8~10)×10 和50 mg/m。降至痕迹,而烟 下部相连,采用纯碱作为吸收剂再生剂,利用低压 蒸汽提供热量,从而降低了吸收剂损耗。 (4)采用Fluor公司自主开发的脱碳吸收剂。 Fluor公司的技术也被其他一些火力发电厂 大型碳捕集项目采用,其中就包括已处于定义阶 段的荷兰鹿特丹碳捕集与储存示范项目和美国 气温度则降至50℃以下口 。 (2)与Fluor公司的碳捕集工艺流程相同, 也设有吸收剂回收装置,供热来源为中压蒸汽。 (3)开发了基于MEA的脱碳吸收剂。 3.4中石化胜利油田EoR项目 NRG能源领域碳捕集与储存项目。 3.3托莱港项目 中石化胜利油田EOR项目位于山东省东营 市,受到“十二五”国家科技支撑计划支持,立项 名为“大规模燃煤电厂烟气二氧化碳捕集、驱油、 托莱港项目位于意大利威尼托,项目内容包括 第4期 李睿,等:火电厂碳捕集与储存中吸收法的应用和改进 封存(CCUS)技术开发及应用示范项目”。通过 改造现有CFB锅炉电站来实现CO。的燃烧后捕 集,计划于2017年投入运行,这将是中国首个燃 煤电厂CCUS项目。项目建成后,其CO 捕集效 率为85 490 ,年捕集量可达1.0×10 t,这相 当于101~205 MW发电功率产生的CO 量,而 累计捕集可达(2.1~3.0)×10 t。捕集到的 COz通过管道被输送到胜利油田,用作驱油剂, 可提高1O ~15 的产油率。脱碳后烟气中氧 的质量浓度降低至6 以下,氮气的质量浓度超 过91 。这种脱碳后的烟气可用于氮气泡沫驱 油,从而进一步降低驱油成本_】 。 该项目的碳捕集技术采用吸收法。比较胜 利发电厂100 t/a CO。捕集量中试项目的工艺流 程与典型的吸收法工艺流程可以发现:该项目工 艺的主要改进在于开发了一种超重力机,用以替 代传统的吸收剂再生塔。与传统的吸收剂再生 塔相比,超重力机传质比表面积更大,传质速率 更高,因而具有占地小、高度低、投资少的优点。 此外,在提高吸收剂性能方面,中石化集团开发 了一种以MEA为主吸收剂,添加有活性胺、抗氧 化剂和缓蚀剂的名为MSA的化学吸收剂。与 MEA相比,MSA的吸收能力提高了3O ,而腐 蚀速率和降解速率均大幅降低L1 。 4 结语 笔者对应用吸收法进行碳捕集的4个火电 厂大型CCS项目的分析,为今后采用吸收法进行 碳捕集的研究和决策提供了技术方面的参考。 吸收法技术较为成熟,脱碳效率可达到9o% 以上,且安装于火电厂尾部,对发电厂原有系统 影响较小,是现阶段火电厂进行脱碳改造切实可 行的技术选择。吸收法也存在一些不足,包括: (1)吸收剂再生能耗较高;(2)烟道气中的某些气 体(如H S)会使吸收剂失去活性;(3)吸收剂在 再生过程中存在损耗;(4)目前使用的吸收剂具 有一定的毒性和腐蚀性。 针对上述问题,这4件个案均采取了一些改进 措施。这些措施可以归纳为:(1)致力于开发高性 能脱碳吸收剂;(2)提高吸收效率,除了从提高吸收 剂性能人手外,还从反应条件人手,如边界大坝整 体碳捕集与分离示范项目和特纳斯卡开拓者能源 中心项目均在吸收塔内设置了中间冷却环节;(3) 通过回收吸收剂的方法降低吸收剂损耗,减少运行 成本,如特纳斯卡开拓者能源中心项目和托莱港项 目均设置了吸收剂回收装置;(4)提高吸收剂再生 转化效率,如中石化集团提出以超重力机替代再生 塔的方案;(5)尽可能回收余热,提高系统热效率, 如边界大坝整体碳捕集与分离示范项目采用了机 械式蒸汽再压缩机。 综上所述,改进化学反应过程、合理整合脱 碳系统与发电厂热力系统将是吸收法未来发展 的方向。随着工艺技术的不断进步,吸收法也将 会在火电厂碳捕集领域发挥出更积极的作用。 参考文献: Eli.中国“十二五”规划纲要ER3.北京:,2011. 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