劉 昆，強(qiáng)栓榜，韓小東

（1.河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河北唐山063009；2.河北省安裝工程公司，河北保定071000；3.唐山市熱力總公司，河北唐山063009）

燃煤電廠CO2減排技術(shù)進(jìn)展

劉 昆1，強(qiáng)栓榜2，韓小東3

（1.河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河北唐山063009；2.河北省安裝工程公司，河北保定071000；3.唐山市熱力總公司，河北唐山063009）

溫室氣體CO2的減排問(wèn)題已經(jīng)引起了國(guó)際社會(huì)的極大關(guān)注。火電行業(yè)是CO2排放量的主體。燃煤電廠實(shí)施碳減排和碳零排放是走向清潔能源必由之路。目前，燃煤電廠實(shí)施CO2的減排主要是從常規(guī)燃煤電廠煙道氣分離CO2，其中，電廠CO2捕集技術(shù)路線主要包括燃燒后脫碳、燃燒前脫碳、富氧燃燒以及化學(xué)鏈燃燒技術(shù)。

燃煤電廠；CO2減排；捕集

目前，由溫室效應(yīng)造成的氣候變暖、海平面上升等，已經(jīng)成為全球性的環(huán)境問(wèn)題。其中，CO2約占溫室氣體的2/3，是造成溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w之一。而以化石燃料為主要能源的火電廠所排放的CO2，占CO2排放總量的30%左右。因此，研究燃煤電廠CO2減排，對(duì)于控制和減少溫室氣體的排放，應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)具有重要意義。同時(shí)對(duì)于燃煤電廠，面對(duì)日益增長(zhǎng)的能源消耗以及其所引起的溫室效應(yīng)，發(fā)展CO2捕集技術(shù)將成為燃煤電廠減排CO2的重要措施。

1 CO2的分離捕集技術(shù)

CO2的分離捕集技術(shù)主要是從常規(guī)尾氣中分離CO2。CO2在常規(guī)燃煤電廠煙道氣中的體積分?jǐn)?shù)一般為14%～16%。電廠煙道氣有如下特點(diǎn):（1） 氣體流量非常大；（2） 出口溫度較高；（3） CO2分壓較低；（4） 主要雜質(zhì)氣體為SOx、NOx、O2等。其中，SOx與NOx的質(zhì)量濃度達(dá)到800～3 000mg·m-3，并且含有大量惰性氣體 N2。

電廠減排CO2從煙氣中分離回收CO2的技術(shù)包括:吸附分離法、低溫蒸餾法、吸收分離法、膜法、電化學(xué)法等。其中，吸附分離法因?yàn)楝F(xiàn)有吸附劑的吸附能力和對(duì)CO2選擇性較差，從而導(dǎo)致能耗大、成本高[1]；低溫蒸餾法是指將煙氣進(jìn)行壓縮和冷卻，引起CO2的相變，通過(guò)低溫冷凝分離出CO2。但是低溫蒸餾法適用于CO2體積分?jǐn)?shù)較高的煙氣，較適用于油田現(xiàn)場(chǎng)。

1.1 吸收分離法

吸收分離法可分為物理吸收法、化學(xué)吸收法和混合溶劑吸收法。這種方法只在氣源中CO2含量低于20%時(shí)才適用。其中，物理吸收法主要有環(huán)丁砜法、聚乙二醇二甲醚法、甲醇法，利用CO2在這些溶液中的溶解度隨壓力的變化而變化的原理來(lái)吸收氣體。此法適用于CO2濃度較高的的煙氣，但是CO2去除率較低；混合溶劑吸收法的溶劑是由特定的物理溶劑和化學(xué)溶劑混合而成的。此類工藝應(yīng)用較少，但在某些情況下是一種有效的分離方法。

化學(xué)吸收法是利用CO2和吸收劑在吸收塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的一種可溶于水的鹽，然后在還原塔內(nèi)加熱吸收液使CO2解析出來(lái)，同時(shí)吸收劑得以再生，吸收劑可以重復(fù)使用。化學(xué)吸收劑包括無(wú)機(jī)吸收劑、有機(jī)吸收劑和混合吸收劑，如單乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）、K2CO3等。目前關(guān)注最多的是單乙醇胺（MEA） 的醇胺法。醇胺法是指利用帶有氫基和胺基的堿性溶液作為溶劑，先后利用吸收塔和再生塔對(duì)CO2進(jìn)行捕集。

由于化學(xué)吸收法中的吸收液直接與煙道氣接觸，因此具有很高的選擇性，并且技術(shù)成熟，應(yīng)用較廣，缺點(diǎn)是耗能較大?；瘜W(xué)吸收法適合于中等或較低CO2分壓的煙氣[2]，因此對(duì)于火電廠煙道氣中低濃度CO2的分離較為適用，華能北京熱電廠采用化學(xué)吸收法捕碳技術(shù)。Huang Bin[3]等通過(guò)介紹試車及工業(yè)測(cè)試表明此技術(shù)對(duì)燃煤電廠捕獲CO2是一個(gè)很好的選擇。

1.2 膜法

膜法可以分為膜分離法和膜吸收法。其中，膜分離法是依靠待分離混合氣體與薄膜之間產(chǎn)生化學(xué)或物理反應(yīng)，氣體混合物在壓力推動(dòng)下通過(guò)膜時(shí)具有不同的傳遞速率，從而將混合氣體分成穿透氣流和剩余氣流兩部分。因此，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于在分離過(guò)程中沒(méi)有相變，能耗低，設(shè)備簡(jiǎn)單易操作，但是這類膜在高溫、高腐蝕性環(huán)境中容易老化，因此不大適用于低濃度化石燃料燃燒產(chǎn)生的氣體脫除[4]，比較適合處理含量較高的氣體，例如天然氣的處理。

膜吸收法將化學(xué)吸收法的優(yōu)點(diǎn)和膜分離法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。在膜吸收中，在薄膜的一側(cè)有化學(xué)吸收液存在，另一側(cè)則是待分離混合氣體，這樣氣體和吸收液不直接接觸，二者分別在膜兩側(cè)流動(dòng)，膜的作用只起到隔離氣體和吸收液的作用，本身對(duì)氣體沒(méi)有選擇性。膜吸收法的主要原理是氣相組分在驅(qū)動(dòng)力濃度差的作用下，從氣相主體擴(kuò)散通過(guò)氣相邊界層，到達(dá)膜壁，再通過(guò)膜孔擴(kuò)散至液相邊界層，通過(guò)吸收液的選擇性吸收達(dá)到分離氣體某一組分的目的。膜吸收法的優(yōu)點(diǎn)在于工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備投資較少，操作簡(jiǎn)單靈活，容易放大，是一種很有前途的氣體分離法。但是在分離燃煤電廠煙氣中的CO2方面，由于膜材料的分離純度不高、穩(wěn)定度以及耐久度等問(wèn)題，目前還處于試驗(yàn)階段。

1.3 電化學(xué)法

熔融碳酸鹽電化學(xué)分離法是指在氧化條件下從碳酸鹽中分離CO2，其中，Winnick最早提出使用熔融碳酸鹽燃料電池膜分離飛行艙的空氣中CO2，同時(shí)對(duì)用熔融碳酸鹽膜分離電廠煙氣中CO2進(jìn)行了研究。

熔融碳酸鹽電化學(xué)電池分離CO2有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):分離電廠煙氣中CO2的附加電力費(fèi)用較低，在燃料電池的應(yīng)用方面，熔融碳酸鹽有著廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)；最近，日本、英國(guó)和意大利都分別研究了熔融碳酸鹽電化學(xué)法對(duì)煙道氣中CO2進(jìn)行分離捕集[5～7]。但熔融碳酸鹽電化學(xué)分離法還存在缺點(diǎn):煙氣中存在的SO2會(huì)生成硫酸鹽毒化電池，縮短其使用壽命；在高溫條件下，熔融碳酸鹽具有極強(qiáng)的腐蝕性，造成其制作和操作都很困難；電池在高溫?zé)煔猸h(huán)境下會(huì)造成電解質(zhì)隔離和電極退化等問(wèn)題。熔融碳酸鹽電化學(xué)法如果在具有更高傳導(dǎo)性的碳酸鹽離子固態(tài)電解質(zhì)研制方面取得突破，改進(jìn)后的方法將會(huì)成為一種有前途的CO2分離捕集技術(shù)[8]。

2 電廠CO2捕集技術(shù)路線

由于火電廠煙氣中CO2的濃度較低（4%～15%），按照燃燒的不同階段劃分，CO2捕集技術(shù)路線可分為4種:燃燒后捕集、燃燒前捕集、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)以及富氧燃燒。

2.1 燃燒后捕集技術(shù)

燃燒后捕集技術(shù)是指在燃燒設(shè)備之后采用合適的方法，如分離煙氣中CO2的過(guò)程。這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍廣，對(duì)現(xiàn)有電站繼承性好。燃燒后捕集主要應(yīng)用于傳統(tǒng)燃煤電廠煙道氣中CO2與NOX、SOX的分離。燃燒后捕集技術(shù)有可能在不久之后應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，因?yàn)榇思夹g(shù)可以應(yīng)用于現(xiàn)有的火電廠以及新建的電廠中，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值[9～13]。但捕集系統(tǒng)因煙氣體積流量大、CO2的分壓小，膜吸收及物理吸收都不能應(yīng)用于燃燒后捕集技術(shù)。因此技術(shù)路線主要以化學(xué)溶劑吸收法工藝為基礎(chǔ)，也是目前唯一已進(jìn)入工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)的技術(shù)路線，但是脫碳過(guò)程的能耗較大，設(shè)備的投資和運(yùn)行成本較高，造成CO2的捕集成本較高[14～15]。

2.2 燃燒前捕集技術(shù)

燃燒前捕集技術(shù)就是采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ谠先紵郧皩⒒瘜W(xué)能從碳中轉(zhuǎn)移出來(lái)，并且將攜帶這種化學(xué)能的物質(zhì)和碳分離，從而達(dá)到脫碳的目的。其中，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）是最典型的燃燒前脫碳的系統(tǒng)。

IGCC的工藝路線:在壓力作用下，煤與空氣或氧發(fā)生氣化及轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成CO和H2為主要成分的混合氣體燃料，等氣體冷卻后，與水蒸汽在催化轉(zhuǎn)化器中發(fā)生反應(yīng)，其中的CO轉(zhuǎn)化CO2，并產(chǎn)生更多的H2[16～17]。最后，由于CO2分壓較高，有利于分離，H2則作為燃料進(jìn)行循環(huán)發(fā)電。

IGCC系統(tǒng)的氣化爐一般都采用純氧或富氧技術(shù)，這樣大幅度減小了所需分離氣體的體積，相應(yīng)地增加了CO2的體積分?jǐn)?shù)，從而降低了生產(chǎn)費(fèi)用，使IGCC成為未來(lái)電力行業(yè)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)選。

2.3 化學(xué)鏈燃燒

化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是指燃料從金屬氧化物中取得氧原子來(lái)完成燃燒過(guò)程，它包括空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器兩個(gè)串聯(lián)的反應(yīng)器。其中，在空氣反應(yīng)器中，金屬與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，合成所需的金屬氧化物；在燃料反應(yīng)器中，燃料與金屬氧化物進(jìn)行還原反應(yīng)，還原出相應(yīng)的金屬，釋放出CO2和水蒸氣。

在燃料反應(yīng)器中，只還原生成CO2、H2O，所以得到高純度的CO2只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的冷凝，能耗較低，且能實(shí)現(xiàn)CO2的高濃度富集[18]，不需要空分系統(tǒng)等額外的設(shè)備以及能耗。同時(shí)，該技術(shù)基于兩步化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能梯級(jí)利用，具有更高的能量利用效率。因此化學(xué)鏈燃燒技術(shù)前景看好，但此技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，主要是因?yàn)樵谘踺d體的制備和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、反應(yīng)性研究和運(yùn)行以及系統(tǒng)集成優(yōu)化和分析三部分的問(wèn)題還需解決。

2.4 富氧燃燒

富氧燃燒是指不用空氣作為氧化劑，而用純氧和再循環(huán)煙氣構(gòu)成的混合氣進(jìn)行助燃，這樣所得煙氣經(jīng)干燥后得到的CO2濃度高達(dá)95%，排氣經(jīng)脫水后，其量的70%～75%可循環(huán)使用[19]。

富氧燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):在O2/CO2的氣氛下，將會(huì)減少NOx的生成，如果與低NOx燃燒技術(shù)相結(jié)合，則有可能不用或少用脫硝設(shè)備；在處理煙氣時(shí)，SO2也被液化回收，這樣就可以不用煙氣脫硫設(shè)備[8]。同時(shí)，該技術(shù)大大減少了煙氣量，大幅度降低了排煙損失，能夠顯著提高電廠效率。但其主要問(wèn)題在與CO2壓縮設(shè)備和制氧設(shè)備需要消耗大量電力、鍋爐火焰和熱傳輸?shù)奶攸c(diǎn)不易掌握，以及造成更多的SO2生成等。

Jie Xiong[20]等指出為了減少燃煤電廠CO2的排放，O2/CO2循環(huán)燃燒技術(shù)已經(jīng)被提議與傳統(tǒng)的帶有深冷空氣分離系統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)相結(jié)合。這個(gè)技術(shù)具有使CO2富集濃縮的能力，并且使CO2的分離更有效，更節(jié)能。同時(shí)通過(guò)計(jì)算表明O2/CO2循環(huán)燃燒技術(shù)不僅對(duì)當(dāng)前電廠CO2排放控制可行，同時(shí)還非常經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，化石燃料在今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都是主要的能源，而伴隨其使用必將產(chǎn)生大量的CO2，因此CO2減排越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。對(duì)于燃煤電廠來(lái)說(shuō)，發(fā)展CO2捕集技術(shù)勢(shì)在必行。同時(shí)，CO2在捕集分離以后，要對(duì)其綜合利用，使其資源化，提高其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Technology Progress of CO2Em ission Reduction of Coal-fired Power Plants

Liu Kun1， Qiang Shuanbang2， Han Xiaodong3
（1.College of Chemical Engineering,Hebei United University,Tangshan Hebei063009；2.Hebei Installation Engineering Co.Ltd,Baoding Hebei071000；3.Tangshan Thermal Company,Tangshan Hebei 063009）

The issue of CO2emission reduction has caused great concern of the international community.Fire electricity industry is the most important part of CO2discharges.Implementing carbon abatement and carbon zero discharge in coal-fired power plants is the only way to clean energy.CO2emission reduction for coal-fired power plants is mainly to separate CO2from conventional coal-fired power plants stack,power plant CO2capture technical route.

coal-fired power plants； CO2emission reduction；capture.

X38

A

1008-813（2011）02-0054-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2011.02.016

2011-04-02

劉昆（1983—），女，河北保定人，河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工藝專業(yè)在讀研究生，主要從事關(guān)于功能化離子液體固定CO2性能的研究工作。