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国内外CCUS示范工程的经验

作者:a123456时间:2021-02-19 20:53 次浏览

碳捕获、利用和储存(CCUS)技术是一种温室气体减排技术,可以利用化石燃料大幅减少温室气体排放;包括二氧化碳捕获、运输、利用和储存四个环节。本文总结了国内外CCUS示范工程的特点和经验,分析了该技术的发展趋势,对CCUS相关工程的建设具有一定的指导作用。

尽管CCUS技术在中国起步较晚,但在政府的支持下,企业、科研机构和高等院校围绕配套政策、相关理论和关键技术参与了一系列研究,建立了专业研究团队,取得了一批成果和进展,并成功开展了产业级技术示范。本文总结了国内外CCUS示范工程的特点和经验,分析了该技术的发展趋势,对CCUS相关工程的建设具有一定的指导作用。

2008年6月,华能集团自主设计建造的中国首套燃煤电厂烟气CO2捕集装置在华能北京热电厂投入运行,每年捕集3000吨CO2。该装置投产以来,CO2回收率达85%以上,纯度达99.99%,各项指标均达到设计值。该装置的运行可靠性和能耗指标也处于国际先进水平。项目捕获的食品级CO2用于精制生产,可重复利用,供应北京碳酸饮料市场。

华能集团于2009年12月在上海石洞口二电厂启动的CO2捕集示范项目,采用具有自主知识产权的CO2捕集技术,年CO2捕集规模12万吨,CO2捕集纯度99.5%以上。捕获的CO2一部分经过精制系统后用于食品加工行业,其余用于工业生产。该装置投产时,是当时世界上最大的燃煤电厂烟气CO2捕集装置。

华能集团天津煤电250兆瓦IGCC机组于2011年建成投产,配备CO2捕集装置的400兆瓦IGCC机组于2016年建成投产。示范项目旨在研究、开发、示范和推广CO2排放接近于零的煤基发电系统,同时可以大大提高发电效率,掌握大型煤气化项目的设计、建设和运行技术。

2010年底,神华集团在内蒙古鄂尔多斯成功建设了全流程10万t/a注入规模的CCS示范工程。本示范项目利用鄂尔多斯煤气化制氢装置排放的CO2尾气,采用甲醇吸收法进行捕集、净化和液化,然后通过罐车运输至储存场所,加压加热,在超临界状态下注入目标地下1000-3000米深的盐水层,实现从捕集到储存的全过程CCS示范,注入规模达到10万吨/年。这是世界上第一个位于并埋在盐水层中的全过程CCS项目。作为国家“十二五”科技支撑计划CCUS领域的重点项目,该项目已完成总注入量30万吨的目标,收集尾气近35.6万吨。

2010年1月,中国电力集团公司承建的重庆合川双淮电厂CO2捕集工业示范工程正式投产。该装置每年可捕获10000吨CO2,浓度超过99.5%,CO2捕获率超过95%。在此基础上,中国电力投资集团完成了15万t/a碳捕集装置的方案研究和工程设计,并进行了CCS全流程方案预可行性研究。目前,该装置捕获的CO2主要用于电厂发电机的焊接保护和氢冷替代。

中石化在胜利油田建成了国内外首个燃煤电厂烟气CCUS示范工程。其中,胜利燃煤电厂已建成年产4万吨烟气二氧化碳捕集装置,二氧化碳纯度达99.5%以上。

华润海丰电厂计划总容量为4x1000MW 4x1000MW机组,将分期建设。一期1、2号机组为2x1000MW超超临界燃煤发电机组,2015年正式投产。碳捕集试验平台示范项目依托华润海丰电厂1号机组设计建造两套并联碳捕集装置,并预留捕集装置的位置。碳捕获试验平台设计碳捕获能力不低于20000t/a,运行时间为5500 h/a,建成后将成为中国首个多技术并行的国际碳捕获技术试验平台和华南首个CCUS中型试验示范项目。根据其净化程度,燃烧后捕获的CO2可以用于食品级,也可以输送到珠江口盆地的油田进行地质储存或提高石油采收率。

孟斯塔德技术中心(Monstad Technology Center)是世界上最大的碳捕获技术测试中心,位于挪威西海岸卑尔根北部,毗邻孟斯塔德炼油厂。TCM由两个碳捕获装置组成,每个装置每年可以从附近的炼油厂捕获8万吨二氧化碳,从燃气电厂捕获2万吨二氧化碳。未来,中医将有可用的空间和基础设施来维护下一代技术的测试。TCM于2012年开始运营,年运营成本3亿挪威克朗(约合4880万美元)。2015年8月,TCM宣布新的MEA碳捕集技术测试项目,研究如何扩大规模,降低未来全面捕集运行的技术风险。目前,壳牌康索夫公司正在验证其DC-201第二代碳捕获溶剂在该中心进行工业规模应用的可行性。此外,阿克、阿尔斯通和碳清洁解决方案公司也在该中心进行了测试。

2015年6月18日,SaskPower公司在萨斯喀彻温省伊斯特班启动了一项新的碳捕获测试设备。该装置位于边境大坝碳捕获项目附近,该项目由山德电厂建造,耗资7000万美元。加拿大政府通过加拿大自然资源部的生态能源技术倡议为该设备的设计提供了130万美元。该装置与运行中的山德燃煤电厂相连,为测试不同的胺液捕集技术提供了一个独特的平台。这种碳捕获测试设备是一种模块化设备,许多独立的部分可以分离、修改和操作,以测试特定的碳捕获技术。楼前有实验室定期检测胺溶剂样品。企业可以跟踪其技术在运营过程中的表现,以响应实际的商业运营条件。

美国国家碳捕获中心的建立是为了响应燃煤电厂的高性价比碳捕获技术的发展。由美国能源部资助,提供设施,在商业化燃煤烟气和合成气环境中对开发商的技术进行长期测试,以加快开发具有成本效益的碳捕集技术,确保煤炭可以继续用于发电。自2011年以来,NCCC对CO2控制技术进行了测试和评估,包括CO2捕集溶剂、传质设备、低成本水煤气交换反应器、膨胀膜技术和改进的CO2压缩方法。由于NCCC研究所能够在各种工艺和技术条件下运作,它能够有效地评估技术的成熟度。目前,已有20家技术开发商在该平台上测试了NETL项目中的24种不同技术和创新技术。NCCC的两个主要研究领域包括燃烧前CO2捕获和燃烧后CO2捕获。

燃烧后碳捕获中心(PC4)位于阿拉巴马州加斯顿电厂5号机组。它使用乙醇胺溶液捕获90%以上的CO2,捕获规模为10吨/天。NCCC将这组数据作为评估燃烧后CO2捕集技术的基准。自1996年以来,电力系统开发设施一直在测试气化和预燃烧捕获技术。

碳捕集技术主要包括燃烧前碳捕集、燃烧后碳捕集和富氧燃烧三种不同的技术。由于捕获部分占CCS总成本的2/3甚至更高,国际研发方向主要是提高捕获效率和规模

燃烧后碳捕获技术主要用于燃煤锅炉和燃气轮机发电设施。其优势在于现有电厂可以改造为燃烧后碳捕集应用,技术引进速度更快。但由于烟气中CO2浓度较低,燃烧后碳捕集技术成本偏高,因此现阶段的研发主要集中在降低燃烧后碳捕集成本上。目前,燃烧后捕集技术主要基于化学吸收法,但其成本和能耗较高,使用大多局限于油气和石化行业。因此,能够大规模应用于燃煤电厂的碳捕集技术仍然是国际努力的方向。在大力发展化学吸附法的基础上,物理吸附碳捕集技术也在不断发展。

预燃捕集技术通过将气化技术与碳捕集技术相结合而备受关注。气化技术在高温炉中产生主要由一氧化碳和氢气组成的合成气。一般来说,蒸汽与一氧化碳反应,转化为H2和CO2,然后通过气体分离装置将比例和CO2分离。分离浓缩后的H2可直接用于发电,而高浓度的CO2可被捕获、压缩和净化以供利用或储存。与燃烧后碳捕集相比,燃烧前碳捕集的运行成本较低,但初始资金投入较高,气化炉运行稳定性风险较大。

富氧燃烧技术是用氧气和CO2的混合气体代替燃煤电厂中用于与煤粉反应的空气进行燃烧。主要的燃烧产物是CO2,其中一部分将被直接捕获,而其余的将被重新引入富氧锅炉进行反应。以这种方式捕获的CO2浓度相对较高,通常可以在气体处理后以低成本直接压缩进行封存。富氧燃烧捕集技术将碳捕集的成本转移到空分设备,该技术的未来发展取决于空分设备的成本。

各种碳捕集技术各有利弊,但对于传统燃煤电厂来说,燃烧后化学吸收碳捕集是目前比较成熟的方案。对于现有的燃煤机组,进行燃烧后捕集转化比采用富氧燃烧技术捕集碳更经济。

(1)中国的CCUS技术起步较晚。虽然近年来取得了一些成绩,但中国的CCUS技术与欧美发达国家仍有很大差距;企业、科研机构和高校仍然需要抓住碳捕集技术未来的发展趋势,在国家政策的支持和扶持下不懈努力。

(2)各种碳捕集技术各有利弊,但对于传统燃煤电厂来说,燃烧后化学吸收碳捕集是目前比较成熟的方案。对于现有的燃煤机组,进行燃烧后捕集转化比采用富氧燃烧技术捕集碳更经济。

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