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Hans Journal of Chemical Engineering and Technology
化学工程与技术
, 2011, 1, 4-10
http://dx.doi.org/10.12677/hjcet.2011.11002
Published Online July 2011 (htt
p://www.hanspub.org/journal/hjcet/)
Copyright © 2011 Hanspub
HJCET
The Capture of Carbon Dioxide from the
Power Plant Flue Gas
*
Fenfen Li
1
, Yonghong Yang
2
, Cheng Yang
2
, Wenyu Zhang
1
, Jinhu W u
2
1
Shandong Polytechnic University, Jinan
2
Key Laboratory of Biofuels, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese
Academy of Sciences, Qingdao
Email: yangcheng@qibebt.ac.cn
Received: Apr. 25th, 2011; revised: Jun. 10th, 2011; accepted: Jun. 12th, 2011.
Abstract:
The capture & separation of carbon dioxide is the premise of its storage and utilization. The re-
search progress and application perspective of the methods for CO
2
capture according to current power plant
flue gas are summarized in this paper. Moreover, the possible pathways for China’s coal-fired Power plants to
reduce carbon dioxide emissions are proposed, combining the processes of the coal-fired power plant and the
developments of the advanc
ed clean coal technology.
Keywords:
Carbon Dioxide; Coal-Fired Power Plant; Capture; Carbon Emissions Reduction
电厂烟气中二氧化碳的捕获
*
李芬芬
1
,杨永红
2
,杨
成
2
,张文郁
1
,吴晋沪
2
1
山东轻工业学院,济南
2
中国科学院青岛生物能源与过程研究所中科院生物燃料重点实验室,青岛
Email: yangcheng@qibebt.ac.cn
收稿日期:
2011
年
4
月
25
日;修回日期:
2011
年
6
月
10
日;录用日期:
2011
年
6
月
12
日
摘
要:
二氧化碳的捕获分离是其固定和利用的前提,本文首先概括比较了目前针对电厂烟气二氧化
碳捕获方法的研究进展和应用前景,进一步结合燃煤电厂自身工艺条件和世界先进的洁净煤技术发展,
探讨我国燃煤电厂实现二氧化碳减排的可能途径。
关键词:
二氧化碳;燃煤电厂;捕获;碳减排
1.
引言
大量化石燃料的燃烧所释放的温室气体对全球环
境的影响已经逐渐显现,饮用水的减少、海水的盐浓
度增加、海平面的上升、平均气温升高、洋流的变化
与厄尔尼诺频发等等严重威胁着人类的生存。大气中
增长的
CO
2
四分之三归因于化石燃料的燃烧,
以煤炭、
天然气、石油为代表的化石能源占了世界能源结构的
85%
[1]
。人口的急剧增长造成能源的大量消 耗,未来
更多国家的工业化使得
21
世纪人类对能源的需求更
大
[2]
。
CO
2
的捕获和固定是目前唯一可以实现继续使
用化石燃料而又不会遭受气候变化威胁的可靠选择。
从全球范围来看,人为产生的
CO
2
排放超过三分
之一来自于燃煤发电厂
[3,4]
。我国以煤为主的能源结构
特点在很长的时间内不会发生改变,由于煤炭消费比
重大,造成中国能源消费的
CO
2
排放强度也相对更高
[5]
。中国工程院的研究报告显示,我国
SO
2
、
CO
2
的排
放量的
85%
,烟尘的
70%
均来自于燃煤。据世界银行
预测,到
2020
年环境污染造成的经济损失将占
GDP
的
13%
。我国政府承诺
2020
年碳强度相对
2005
年减
少
40%
~
45%
,并且要把应对气候变化作为国家经济
社会发展的重大战略
[6-9]
,这表明了我国在碳减排方面
所做的努力和决心。本文首先总结比较了目前
CO
2
的
捕集分离技术研究进展,进而结合燃煤电厂的工艺特
点和世界先进的洁净煤利用技术,指出实现碳减排任
务的可能途径。
*
资助项目:中国科学院 战略先导 专项项目
(No.XDA05010300)
、山
东省自然科学基金项目
(No.2009ZRB01250)
、青岛市科技计划项目
(No.1263194353127)
。
李芬芬 等电厂烟气中二氧化碳的捕获
5
|
2.
二氧化碳的分离技术
CO
2
的分离成本占总的碳捕获和存储成本的很大
一部分
(
约
80%)
,所以首先要找到高效的
CO
2
捕获方
法。目前工业上使用比较广泛的
CO
2
捕集和分离技术
有许多种,主要包括吸收法,吸附法,膜分离法,微
生物固定法等。
2.1.
吸收法
2.1.1.
物理溶剂吸收法
物理吸收一般是在高压或低温条件下,选择合适
的溶剂的基础上利用二氧化碳在溶剂中溶解度大而除
去的方法。使用的溶剂在解吸时采用降压操作能耗较
小,因此在工业上有一定的应用。此法的关键就是寻
找性能优良的溶剂,即对
CO
2
溶解度大、选择性好、
沸点高、无腐蚀、无毒性、性能稳定。典型的物理吸
收法有加压水洗法、吡咯烷酮法、
Selexol
法、
Flour
法、
Rectisol
法等
[10,11]
。
2.1.2.
化学吸收法
化学吸收法是利用二氧化碳具有酸性可与碱性化
合物进行反应而实现。化学吸收法中,靠减压闪蒸解
吸的二氧化碳很有限,通常需要热法再生,其工艺流
程如图
1
所示。
化学吸收法
[10]
主要有热钾碱法和醇胺法两大类,
前者具体分为菲尔德法、砷碱法
(Vetro Cokes
法
)
、卡
苏尔法
(Carsol
法
)
、改良热碳酸钾法
(Cata Carb
法
)
;后
者主要包括一乙醇胺、二乙醇胺、
MDEA
法、联合碳
化公司的乙醇胺法、道化学公司的
2
–烷氧基乙胺法以
及劳尔夫–
2
巴逊斯法
[12]
。醇胺法具有吸收速度快、
吸收能力大及投资少等优点,但存在能耗高、胺降解
净化气
富液
烟气
吸
收
塔
吸收液
(
贫液
)
解
析
塔
净化气
Figure 1. The process flow of chemical absorption
图
1.
化学吸收法工艺流程
损耗大、设备腐蚀严重等技术难题
[13]
。在选择比较好
的胺吸收液时要考虑其负荷特性、对
CO
2
的溶解速度、
降解性能与排出气体中杂质的反应速率、再生性能等
因素。虽然化学吸收法在处理低浓度气体能耗高,但
鉴于该技术成熟度高,还是被工业界所认可和采用。
比如在合成氨工业中,通常采用醇胺法将半水煤气中
含量约为
18%
~
20%
的
CO
2
吸收下来,经过解吸纯化
后用于尿素合成中;美国
Bellingham
电厂
(320 MW)
基于胺法建立了烟气中
CO
2
的处理
(
示范
)
装置。另外
许多改进的胺类吸收方法正在研究中,美国的福陆公
司
(Fluor)
、日本的三菱重工业公司
(Mitsubishi Heavy
Idustries, MHI)
和
Cansolv Technologies
等正在从事这
方面的研究工作。
MHI
已经研发了一种新的吸收体
系,称为
KS-1
,其中的关键就是采用了一种新胺溶剂
从烟气中回收
CO
2
。
Cansolv Technologies
新创造的叔
胺溶剂有较快的传质力、好的化学稳定性和高的吸收
能力,每个循环可达到
0.5 mol(CO
2
)/mol(
胺
)
,相比于
MEA
的
0.25 mol(CO
2
) /mol(MEA)
优越很多
[6]
。
研究改
进的其它工艺途径包括修饰塔填料,减少压降和接触
面积;增强热联合,减少能量需求;添加添加剂,减
少腐蚀和提高胺的浓度;改进再生工艺条件等。
2.2.
吸附法
吸附法是利用吸附剂对二氧化碳选择性可逆吸附
的性质实现分离的,科学家们致力于研究一种用微孔
或中空材料
(
粉煤灰
[14]
、硅胶
[15,16]
、分子筛
[17,18]
、活
性碳
[19,20]
等
)
支撑的固体吸附剂来解决吸收法中存在
的腐蚀性、高再生能耗等问题。然而固态的吸附本身
就比液态的吸收过程复杂得多,所以尽管从大量的气
流中用分子筛除去杂质已经工业化,诸如生产高纯
H
2
,但是大规模的从烟气中脱除
CO
2
的固体吸附剂还
没有商业应用。活性炭、炭纳米管及分子筛等多孔材
料在室温或低温条件下表现出对
CO
2
的高吸附容量,
但
CO
2
在这些吸附剂上的吸附都是物理吸附,温度略
微升高,便会导致
CO
2
吸附容量的明显降低。因此,
在温度波动随时可能发生的实际条件下,这些材料都
不能直接作为
CO
2
捕获可靠的吸附剂。
2.2.1.
有机胺嫁接固体吸附剂
固体吸附剂所采用的嫁接胺类目前研究最多的主
要有
MEA
、
DEA
、
PEI
、
TEPA
、
APTS
、
E-100AN
等。
Cop
yright © 2011 Hanspub
HJCET
李芬芬 等电厂烟气中二氧化碳的捕获
6
|
美国国家能源技术实验室
(NETL)
已经研究了用富胺的
固体吸附剂从烟气中回收
CO
2
,
该吸附剂使用高比表面
积的载体和胺嫁接而成
[21]
。这种技术与
MEA
吸收相
比,可节省大量的水
[6,22]
,但同时存在的主要问题是吸
附解吸频繁、自动化程度要求高、需要大量的吸附剂。
为了提高吸附剂的二氧化碳吸附容量,将有机胺
嫁接到多孔硅或无机分子筛的表面是研究的热点,如
中孔二氧化硅
[23,24]
、
SBA-15
[21]
、
SBA-16
[25]
、
MCM-41
[25-27]
和
MC M-48
,它们的孔径大,有足够的胺分子修饰空
间,因此倍受关注。
Alex C. C. Chang
[28]
等采用
SBA-15-AP
,吸附量为
9 mg/g
~
18 mg/g(
吸附剂
)
;
Khatri
[29]
报道的
SBA-15-DA
吸附能力为
44 mg/g(
吸
附剂
)
。嫁接法的缺点是氨基数目有限,通常采用的浸
渍法负载嫁接的分散度不好,导致二氧化碳的吸附量
不高。为了提高负载量,
M.B.Xu e
[30]
等通过实验证明
多孔载体表面羟基的存在可以改变氨基与
CO
2
键合
/
反应的机理从而增强吸附能力,采用不去除模板剂
SBA-15
做支撑载体,在
CO
2
含量较低的情况下,多
次循环操作吸附剂仍具有好的吸附能力。
Xiaochun
Xu
[22]
等设计开发出一种具有“
molecular basket
”的吸
附剂
,
即
MCM-41-PEI-50
,
75
℃下吸附能力为
112mg/g-
吸附剂,多次循环操作之后性能仍稳定,所采用的
PEI
有机胺在材料中具有高分散度使得脱附过程比较完
全,但是在脱附过程中会脱出
NO
x
,因此需要预先在
烟道气中移除
NO
x
,研究中也发现水对材料吸附能力
有促进作用。
Gray
[14]
和他的同事为了得到比较经济型的固体
吸附剂,采用粉煤灰做支撑,嫁接
CPAHCL (3-chloro-
propylamine-hydro chloride)
有机胺,吸附能力为
174.5
μ
mol/g-
吸附剂,显然比商业化的吸收剂小很多。
M.
Mercedes Maroto-ValerT
[31]
等人利用蒸汽活化制备活
性无烟煤,嫁接
PEI
或进行
NH
3
热处理,其吸附能力
为
65.7 mg/g(
吸附剂
)
。为了解决固体吸附剂
/
吸附塔的
压降和传热问题,美国能源部资助
Akron
大学正在开
发金属箔片支撑的胺嫁接纳米分子筛整体式吸附系统
[6,32-34]
。
2.2.2.
金属有机骨架
(MOFs)
2008
年
2
月
15
日出版的《科学》杂志上,加州
大学洛杉矶分校
Omar Yaghi
研究组描述了金属有机
骨架材料相关的一些情况,称这种结构具有极高的空
隙率和很大的表面积,能吸收
80
倍于它们体积 的
CO
2
,而且只要很小的压力变动就能将
CO
2
释放出来。
这是一个很大的进步,因为不需要耗费太多的能量。
在过去几年的研究中,已经开发出
600
多种
MOFs
,
其中
MOF-177
在高压下的
CO
2
吸附容量最高
[35]
。当
然这种结构还有待评价稳定性,比如经过数千次循环
后的效率和典型的烟气中的杂质对其影响。美国环球
石油产品公司
(UOP)
已经成功开发了一种模型
VHTS
,
模拟合成
MOFs
的结果与实验结果吻合性很好。
UOP
、
密歇根州大学和西北大学组成的团队正在研究用这种
材料从煤基电厂的烟气中回收
CO
2
。
2.2.3.
沸石咪唑酯骨架结构材料
(ZIFs)
加州大学洛杉矶分校还设计出能够捕捉并储存二
氧化碳的类似蓄水池结构的材料,储存于该材料中的
二氧化碳不会逃逸,这些新型材料属于沸石咪唑酯骨
架结构材料
(ZIFs)
——由一些可调整孔洞大小及化学
性质的金属有机配位子结构构成。将
ZIF-68
、
ZIF-69
和
ZIF-70
置于一氧化碳和二氧化碳,以及一氧化碳和
氮气的两种混合气流中,只有二氧化碳能够被捕获。
这种材料捕获二氧化碳不需要破坏强共价键,因而压
缩气体时也不需要太多的能量。该研究团队声称,这
种多孔晶体材料的商业化应用有望在近几年内实现,
因为他们开发的其他类似材料已经由巴斯夫公司
(BASF)
进行吨级生产了。
2.2.4.
高温固体吸附剂
最近,日本专利
(JP9-99214
、
JP2001-96122
、
JP2001-232186
、
JP2001-170480
、
JP2004-004878)
中介
绍了使用锂的锆酸盐和正硅酸盐作为捕获材料分离
CO
2
的技术,该类材料的吸附量可以直接在燃煤电厂烟
道气中
(>400
℃
)
使用,但此类吸附剂在吸附
CO
2
后其解
吸再生温度通常都很高,一般在
1000
o
C
以上,因而增
大了运行费用,限制了它们的使用。文献报道另一种固
体碱材料是将
CaO
与
ZrO
2
复合,通过高温焙烧使两者
形成一种稳定的介孔氧化锆复合氧化钙的固定碱体系
[36,37]
,这种固体碱不仅能在高温
(<700
℃
)
下保持氧化锆
的亚稳态四方相,而且不容易中毒和失活,能够有效地
降低固体碱活性组分在反应过程中的流失,大大提高了
催化剂的使用寿命。山西煤化所专利
(CN101497019)
中
介绍一种高温烟道气中
CO
2
吸附材料,具有从晶体学
Cop
yright © 2011 Hanspub
HJCET
李芬芬 等电厂烟气中二氧化碳的捕获
7
|
角度定义的氟化钙晶体 结构 的镁
-
锆二元复合金属化合
物材料,这种材料对二氧化碳的吸附温度范围在
140
℃~
160
℃,脱附温度控制在
200
℃~
350
℃,与以往的
高温二氧化碳吸附材料相比,脱附温度大大降低,减少
了材料再生能耗;材料高温下吸附量达到
22 mg/g
以
上;材料反复吸附–脱附的稳定性好。
2.3.
膜分离法
膜技术的优点是增加单位体积的传质面积,避免
气液接触表面产生的相关问题,膜分离烟道气
CO
2
基
本工艺流程如图
2
所示。从烟气中回收
CO
2
有很多种
膜可以采用
[38]
:常用的是束状有机膜,当烟气流经膜
管时,壳层流动的胺溶液就吸收了烟气中的
CO
2
,其
它的杂质不会被胺吸收,这就降低了胺的损失;无机
膜是发展的另一个方向,溶胶–凝胶过程形成的胺基
功能硅膜可以选择性从
CH
4
和烟气中分离
CO
2
。经过
修饰的硅膜,由于胺和
CO
2
之间的键合力更强,可以
在运输的其它气体如
O
2
、
N
2
和
SO
2
阻塞通道后,仍然
保持较强的吸附
CO
2
的能力。如果膜的渗透性和选择
性能够达到平衡,新型的胺基功能膜相比于纯硅膜有
很高的吸收选择性。新墨西哥矿物和技术研究机构
(New Mexico Tech )
正在从事分子筛膜的研究,利用分
子筛严密而整齐的孔径网状晶体结构,一方面具有较
高的
CO
2
吸附容量,另一方面可以进行分子选择性吸
附。该机构目前的研究工作就是从
N
2
中高温分离
CO
2
,膜操作温度的目标是
400
℃。
膜技术研究的方向是找到一种薄层复合聚合膜和
捕捉结构,增加
CO
2
在膜中的迁移速率,减少所需膜
面积。这种研究包括膜组件的分布情况,找到一种可以
应用在电厂的最优结构,以便于最大限度的增加膜的传
质力。日本
Yamaguchi
大学制造出一种沸石矿物膜,
在
200
℃下,烟气中的
CO
2
通过膜的速度是
N
2
的
100
倍
[39]
。美国
Envirogerics System
公司开发出一种名为
压缩机
预处理
膜反应器
缓冲罐
压缩机
烟道气
残气
Figure 2. The process flow of membrane separation
图
2.
膜分离工艺流程图
“
Gasep
”的新型
CO
2
分离装置,是采用醋酸纤维素
不对称膜
(
活性层为
10 mm
,多孔性支承层约
0.2 mm)
,
以螺旋卷式膜组件构成,从天然气中分离回收
CO
2
,
该膜使用
3
年仍无明显损坏。由于中空碳纤维膜组件
其产量较高可以弥补价格上的缺陷,其经济效益较好,
在以色列已实现商业化规模生产
[40]
。这种膜适于回
收空气或生化气流中的
CO
2
,其中在空气中选择性回
收
CO
2
的能力是普通聚合物薄膜的
2
倍。
膜分离技术是有着光明前景的高新技术,甚至有
人将膜技术的应用称之为“第三次工业革命”,但是
膜的长期运行的稳定性问题不容小觑,清洗过程十分
复杂,投资维修费用高昂等限制了此法的广泛使用。
2.4.
微生物
/
藻类体系
生物体系是借助于
CO
2
在微生物体内尤其酶中的
自然反应达到从烟气中分离
CO
2
的目的。微生物
/
藻类
具有光合速率快、繁殖快、易与其他工程技术集成等特
点,在
CO
2
的吸收上表现出一定的优势。利用基因工
程技术构建固定
CO
2
的微生物并简化技术条件是此项
技术研究的发展趋势。此外,开发高效光生物反应器可
提高微型藻类固定
CO
2
的效率:华东理工大学在微型
藻类光生物反应器研究方面已取得一定进展并已实现
工业示范
[41]
。虽然微生物
/
藻类固定
CO
2
技术具有极高
的价值,从理论上讲是最有效的
CO
2
固定方法,但仍
存在着一系列问题,像捕获速度太慢,环境条件严格等。
2.5.
离子液体
离子液体
(ILs, ionic liquids)
是一类很广泛的盐系,
典型的是有机阳离子和无机阴离子或者有机阴离子组
成。离子液体可以溶解气态的
CO
2
,
在几百摄氏度的范
围内都是稳定的。较高的温度稳定性,
使其可以从未冷
却的烟气中回收
CO
2
。做为一种新型的
CO
2
固定体系,
离子液体可以通过吸附或转化这两种方式来处理
CO
2
。
阴离子是决定
CO
2
溶解度的关键因素,
F. S. Pereira
等
[32]
用胍类化合物
(TMG,TBD)
吸附
CO
2
。含功能胺的
特定离子液体
(TSIL)
用于提高
CO
2
溶解度的实验正在
进行中
[21]
。一些离子液体虽然市场上有售,但是非常
适合用于分离
CO
2
的离子液体只是小规模的在实验室
合成。
CO
2
转化法是指利用离子液体的催化特性将
CO
2
活化并与有机物反应形成一种新的物质,如铵盐型离子
液体主要用于催化
CO
2
转化成环状碳酸酯。
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HJCET
李芬芬 等电厂烟气中二氧化碳的捕获
8
|
离子液体作为一类全新的绿色介质和软功能材
料,具有低挥发性、可设计性、热稳定性好、液态温
度范围宽等独特的性质
[42]
,为创建高效、清洁、节能
的新工艺提供了新机遇。以离子液体为介质进行捕集
分离及转化利用
CO
2
的新技术同时具备吸收和催化转
化的功效
[43,44]
,恰好满足工业上对
CO
2
吸收介质的要
求,是最有可能实现
CO
2
的较大规模捕集、分离和资
源化利用的体系之一。
3.
烟气中
CO
2
捕获
电厂烟气中
CO
2
的捕获存在着许多难题,如前所
述,就处理工艺而言有如下几点:
(1)
许多捕获方法必
须在低温下进行,烟气的出口温度较高,所以必须采
用大量的额外冷量将烟道气降温至
25
℃左右,浪费了
大量能量,几乎占整个捕集成本的
20%
;
(2)
烟气的流
量非常大,目前所使用的的几种处理方法仅适合在小
点源的电厂的小规模使用,几乎无法实现大规模的烟
道气
CO
2
捕集,且设备投资巨大
(
$
40 - 60/t CO
2
)
,如
火力发电厂增加烟气碳捕获装置将使电厂投资提高
50%
,能耗增加约
30%
,电价成本提高
20%
~
30%
[45]
;
(3)
目前使用的几种主要技术普遍存在成本高、选择性
不高、稳定性不够好、吸附速度较慢、溶剂易氧化降
解以及设备腐蚀严重等缺点。因此,适合电厂烟气使
用的二氧化碳捕获材料要具备以下特点:
(1)
高吸附容
量;
(2)
在燃煤电厂或煤气化尾气气氛中能够长时间使
用,再生性能好;
(3)
再生能量要求低。这些都对目前
的二氧化碳捕集分离技术提出了更高的要求。
3.1.
脱碳技术路线
为了提高燃煤电厂
CO
2
的捕获效率,从捕获分离
技术使用在燃烧的不同阶段可以分为以下几种技术路
线
[46]
:燃烧后脱碳、燃烧前脱碳、纯氧燃烧技术以及
化学链燃烧技术
(
见图
3)
[47]
。
燃烧后脱碳技术是在燃烧后产生的含
NO
x
和
SO
2
烟中捕获或者分离
CO
2
。燃烧前脱碳技术则是在碳基
燃料燃烧之前将其化学能从碳转移到其他物质中,然
后再将其进行分离:如图
3
所示,燃料首先进入气化
炉气化,生产出煤气,然后重整煤气,使其变为
CO
2
和
H
2
,从而将燃料化学能转移到
H
2
中,然后再对
CO
2
和
H
2
进行分离。整体煤气化联合循环
(IGCC
,
Integrated
gasification combined-cycle)
就是最典型的可以进行燃
烧前脱碳的系统。纯氧燃烧技术是一个通过改进燃烧
过程提高烟气中
CO
2
浓度,从而达到从尾气中更易分
离
CO
2
的方法。化学链燃烧技术
(CLC, Chemi-
cal-looping combustion)
通过金属氧化物
(MeO,
如
Fe
2
O
3
,
NiO
,
CuO
,
Mn
2
O
3
等
)
携带活性氧,使燃料与
空气不直接接触,
CO
2
产生在专门的反应器中,避免
了空气对
CO
2
的稀释;金属氧化物在燃料反应器中与
燃料进行与空气隔绝的反应
(1)
,产生热能、金属单质
以及
CO
2
和水:
MeO +
燃料
→
Me + H
2
O + CO
2
(1)
金属单质通过输送到空气反应器中与氧气进行反
应
(2)
,再生为金属氧化物:
Me + 1/2O
2
→
MeO (2)
反应体系的能量和热量平衡主要取决于这两个反
应,原则上,所有的燃料都可以采用化学链燃烧技术。
燃烧后脱碳技术可以使用
2/3
的传统工艺单元,
但投资运行的成本很高;由于一般
IGCC
系统的气化
炉都采用富氧或纯氧技术,所需分离气体体积大幅度
CO
2
N
2
+O
2
锅炉
电力,热
,蒸汽
分离
气化炉
煤气
分离
燃机
燃料电池
纯氧燃烧
系统
空分
电力,热
,蒸汽
燃料反应器
空气反应器
电力,热
,蒸汽
电力,热
,蒸汽
燃料
空气
烟气
燃料
重整
H
2
空气
空气
N
2
燃料
O
2
CO
2
燃料
Me
空气
MeO
CO
2
CO
2
燃烧后
PC
燃烧前
PCDC
纯氧燃烧
Oxyful
化学链
燃烧
脱碳烟气
Figure 3. The separation technology pathways of Co
2
of power plants
图
3.
电厂
CO
2
分离技术路线
Cop
yright © 2011 Hanspub
HJCET
李芬芬 等电厂烟气中二氧化碳的捕获
9
|
变小、
CO
2
体积分数显著变大,从而分离单元规模大
幅度减小,降低了投资和运行费用。美国的未来电力、
中国的绿色煤电、日本的鹰计划以及澳大利亚的零排
放发电等技术均计划采用
IGCC
作为基础,进行燃烧
前的脱碳,但是该技术要将附加成本控制在
10%
[48]
;
纯氧燃烧技术可以避免其它污染物和稀释剂的排放,
但是需要采用专门的纯氧燃烧技术和专门材料的纯氧
燃烧设备以及空分系统,这将大幅度提高系统的投资
成本,同时加上部分尾气的回流显著降低了其经济效
益,该技术还不成熟,它的操作、维修和建设成本可
以与燃烧前脱碳相比;化学链燃烧技术避免了空气对
CO
2
的稀释,
尾气主要由
CO
2
和水构成,
所以
CO
2
通
过压缩就很容易的捕获,相比于传统的胺捕获技术来
说,不需要消耗额外的巨大能量,这是其最大的优势,
但是此技术仍处于研究阶段。
3.2.
二氧化碳的捕获与埋藏
二氧化碳的捕获与埋藏
(CCS)
技术就是将利用燃
料而产生的
CO
2
与其他气体分离开,然后经过压缩、
脱水和输送,最后将其安全长久地封存在地质层中。
CCS
最主要的目的就是减少由于化石燃料的使用而大
规模集中排放的
CO
2
[16]
。
各国都在通过发展能源技术,
调整能源结构以提高能源使用效率,降低高碳基燃料
的使用,取得了巨大的进步。而对于
CCS
技术,虽然
在化工、食品等行业,
CO
2
的分离已经较为成熟,在
石油开采行业,也已经有了较成熟的
CO
2
驱油技术
(EOR)
,但是对于电力行业,
CCS
技术的研究仍处于
起步阶段,迄今还未有大容量和价格低廉的技术产生。
IGCC
发电是当今国际上最引人注目的新型、高效的洁
净煤发电技术之一,其基本工艺过程为:煤
(
或者其他
含碳燃料,如石油焦、生物质等
)
经气化生成中低热值
合成气,经过除尘、脱硫等净化工艺成为洁净的合成
气供给燃气轮机燃烧做功,燃气轮机排气余热和气化
岛显热回收热量经余热锅炉加热给水产生过热蒸汽,
带动蒸汽轮机发电,从而实现了煤气化燃气蒸汽联合
循环发电过程。
IGCC
发电系统把环境友好的煤气化技
术和高效的燃气蒸汽联合循环发电技术相结合,实现
了煤炭资源的高效、洁净利用,具有高效、洁净、节
水、燃料适应性广、易于实现多联产等优点,并且与
未来二氧化碳近零排放、氢能经济长远可持续发展目
标相容。以美国为例,美国能源部
2000
年开始实施的
21
世纪前景发展计划
(Vision 21)
,
2007
年
8
月发布了
第三方关于化石燃料电厂投资和性能的研究成果:考
虑二氧化碳脱除要求后,近零排放的
IGCC
系统与近
零排放的常规燃煤电站相比具有较强的竞争优势。
2008
年美国
EPRI
提出了
IGCC
+
CCS
示范的
思路,分别支持进行
10
%~
20
%二氧化碳脱除的
IGCC
、
50
%~
70
%二氧化碳脱除的
IGCC
、
80
%~
90
%二氧化碳脱除的
IGCC
示范。发达国家这些中、长
期重点研究开发课题,展示了
21
世纪世界能源科技的
趋向,将对世界能源前景和全球环境的改善产生重大
的影响。
4.
结语
二氧化碳的捕获、分离、固定和利用
(CCSU)
已经
成为各国政府、企业和学术界共同关注的问题。综合
考虑目前
CO
2
捕集分离技术的研究进展,结合我国燃
煤电厂的工艺技术特点,对电厂烟气的碳排放进行控
制的有效途径是:首先,结合源头
IGCC
工艺条件设
计开发新型
CO
2
吸收和吸附介质与功能化材料,发展
CO
2
捕集分离的新技术;其次,要结合现场地质、地
理与生态条件,提出和发展
CO
2
封存模式;再次,积
极考虑
CO
2
的有效和综合利用,比如用于提高油田采
收率或者在捕获分离的同时生产化学品
(
微藻技术
/
离
子液体捕获和转化等
)
。
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