火力发电低碳转型CCUS技术

火力发电低碳转型CCUS技术

李洋

辽阳石化热电运行部，辽宁 辽阳 111000

摘要：目前，全球发电行业所排放的二氧化碳占全球二氧化碳总排放量的40%，预计到2030年时，全球发电量将比现在增加一倍，二氧化碳排放量也将随之增长。而在火力发电占绝对主导地位的我国，发电过程中排放的二氧化碳大部分来自燃煤排放，在“双碳”背景下，CCUS技术将是火力发电厂的主要减排手段，本文就适合燃煤电厂的碳捕集和分离技术以及CO2运输、利用和封存进行简要阐述。

关键词：碳减排；碳捕集；分离技术；

CCUS(二氧化碳捕集、利用与封存）技术是我国协同实现大规模碳减排、保障能源安全和可持续发展目标的有效途径，也是燃煤电厂大规模减排的首要选择。火电中的CCUS技术是将二氧化碳从化石燃料电厂中捕集提纯，然后通过运输投入新的生产过程加以利用，最终实现有效封存二氧化碳的过程。

1. 燃煤电厂碳捕集

CO2捕集技术可以分为燃烧前碳捕集、富氧燃烧及燃烧后碳捕集等。

燃烧前捕集是相对成本较低、效率较高的一种方法。此方法将化石燃料气化成合成气(主要成分为H2和CO)，然后通过变换反应将CO转化为CO2，再通过溶剂吸收等方法将H2和CO2分离开对CO2进行收集，主要用于燃气与IGCC电厂中。

富氧燃烧捕集是利用空气分离系统获得富氧，以富氧替代空气作为化石燃料燃烧的氧化剂，在燃烧前即去除了大量的N2，这将使得燃烧后烟气中的主要成分仅为CO2和水蒸气，再利用烟气分离技术即可回收得到高浓度的CO2，由于惰性成分氮气浓度大大降低，相应能源消耗也大幅降低，同时烟气中二氧化碳浓度可提高至90%，从而更容易补集，目前大型的富氧燃烧技术仍处于研究阶段。

燃烧后捕集目前最为成熟，燃烧后捕集技术是指从燃烧设备（锅炉、燃气机等）化石燃料燃烧的烟气中采用化学或物理方法对CO2进行选择性富集。

燃烧后捕集装置通常位于锅炉燃烧后的烟气通道上，类似于燃煤电厂的烟气脱硫，系统原理简单，不需要改变现有火电厂己有的发电流程，可适用于现有的绝大多数常规燃煤电厂。

2. 燃煤电厂碳分离

根据CO2分离原理的不同，可分为物理溶剂吸收法、化学溶剂吸收等。

物理吸收法是在一定加压条件下，利用有机溶剂对弱酸性气体CO2进行吸收从而达到分离脱除的目的。由于物理吸收是物理过程不发生化学反应，吸收CO2后溶剂的再生是通过降压的方式来实现，因此所需再生能量少。所选用的吸收剂是否对CO2具有较大溶解度、选择性好、化学性能稳定、沸点高、无腐烛性、无毒性等，是考察物理吸收法的吸收效果好坏的关键。传统的物理吸收法有加压水溶法、甲醇法、聚乙二醇二甲醚法、粉末溶剂法等。

化学吸收法目前主要有醇胺法和氨法。醇胺法是利用胺类分子中有氮原子，胺首先在水溶液中发生解离，使溶液转换为碱性，然后与CO2这类酸性气体发生化学反应，从而达到碳捕获和回收CO2目的。单乙醇胺（ MEA )、二乙醇胺（ DEA )、三乙醇胺（ TEA )、 N ﹣甲基二乙醇胺（ MDEA )等链烷醇胺溶液脱碳工艺已经非常成熟，应用最为广泛，未来几年应该可以应用于燃煤电厂烟道气CO2燃烧后捕获系统。但上述醇胺吸收剂存在溶液再生耗能高、吸收剂易发生氧化降解反应、设备腐蚀、CO2吸收容量和吸收速率较低等

由于燃煤电厂烟气二氧化碳的摩尔分率低、分压低，同时化学吸收法具有吸收速度快、吸收能力强、处理量大的优点。因此燃煤电厂适合采用化学吸收法。

3. CO2运输

CO2运输是CCUS技术系统的中间环节，可选的运输方式有管道运输和各种交通工具运输，如罐车和船舶运输，适用于不同场景。如管道运输适用于大规模、长距离运输CO2；公路罐车适用于小容量、短距离运输，铁路罐车适用于大容量、长距离运输；船舶运输运量大，运输距离超远，适合于近海碳封存运输，具体应根据供应用户位置、运输距离等条件来考虑实际的运输方式。

4.利用和封存
  CO2利用可分为地质利用、化工利用、生物质利用、地质封存等多种途径。二氧化碳用途非常广，可广泛用于食品加工、机械制造、石油化工、精细化工、医药农药等行业。目前，二氧化碳有效的封存方法主要是地质封存，即将超临界状态的二氧化碳注入地质结构中，比如油田、气田、咸水层、无法开采的煤矿等。

5.总结

目前，在“双碳”背景下，低碳经济以及碳资源的低碳利用已经成为主要发展趋势。火力发电CCUS(二氧化碳捕集、利用与封存）不但能够减少二氧化碳排放，而且还能创造经济效益，对我国做好碳达峰、碳中和具有重要的战略意义。

参考文献：

[1] 翟融融著《二氧化碳捕集技术及其在火力发电厂的工程应用》，化学工业出版社，2019

[2] 樊静丽，张贤著《中国燃煤电厂CCUS项目投资决策与发展潜力研究》，科学出版社，2022