碳捕捉与封存技术的发展前景与挑战_郭韵

化　　工　　进　　展　 　２０１２年第３１卷增刊　　　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＰＲＯＧＲＥＳＳ 檿檿檿檿檿檿檿檿檿 檿 檿檿檿檿檿檿檿檿檿 檿 殨 殨殨 殨 进展与述评 碳捕捉与封存技术的发展前景与挑战 郭　韵１，２，黄志强２ （１ 上海工程技术大学，上海２０１６２０；２ 上海理工大学，上海２０００９３） 摘　要：中国的能源特色是以煤为主，火力发电是主要的ＣＯ２ 排放来源，因此煤炭的高效清洁利用是解决低碳 发展的关键。碳捕捉与封存 （ＣＣＳ）是当前唯一可用的能实现日益增长的化石燃料使用与气候变化目标的技术。 联合国政府间气候变化专业委员会 （ＩＰＣＣ）已将ＣＣＳ作为一种经济且有效保持大气环境中的温室气体浓度的必 要技术。文章介绍了ＣＣＳ技术的发展现状，重点 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了ＣＣＳ技术特点以及该技术面临的政策、成本和技术上的 挑战和发展途径。研究ＩＧＣＣ运行工况下的高效低耗新型ＣＣＳ技术，提出碳捕捉和整体煤气化联合循环结合的 技术路线，具有十分重要的战略意义。 关键词：碳捕捉；节能减排；技术路线；可持续发展 　　随着京都议定书的签订、以及后续巴厘岛路线 图、哥本哈根全球环境峰会等一系列举措的实施， 低碳经济时代已经到来，大力发展高效、清洁能源 已成为世界各国能源领域发展的重要方向。 我国一次能源结构多煤贫油少气，这些因素决 定了煤炭是中国能源的基础。尽管水电、风电、太 阳能等可再生能源以及核能发展迅速，但其总量还 较少，要满足经济快速增长的需要，在相当长的一 段时间内我国一次能源仍需依靠煤炭［１］。目前，我 国煤炭主要用于直接燃烧，由此产生的 ＳＯ２、 ＮＯｘ、ＣＯ２ 以及粉尘等大气污染物约占我国大气污 染物排放总量的７０％～８０％以上［２］。其中，电力 工业是最主要的ＣＯ２ 排放源，大约占总量５０％， 并且还在不断增加，如图１所示。能耗高和环境污 染严重已成为制约我国经济发展的两大突出问题。 图１　中国各行业ＣＯ２ 排放量比较 因此，我国能源的特色在煤，煤碳的高效、清 洁利用 （ＣＯ２ 等温室气体减排）是解决低碳发展 的关键，已成为我国能源工业发展的重要课题和紧 迫任务。 １　碳捕集和封存技术的发展 燃煤发电碳减排直接有效的途径是将产生的二 氧化碳捕集后进行封存。 二氧化碳的捕集和封存 （ＣＣＳ）是利用吸附、 吸收、低温及膜系统等现已较为成熟的工艺技术将 二氧化碳捕集下来，并进行长期或永久性的储 存［３］。ＣＣＳ主要由捕获、运输、封存３个环节 组成［４］。 目前，正在大力开发的电厂碳捕集方式主要有 ３种，即燃烧后捕集、燃烧前捕集以及富氧燃烧， 如图２所示。其中燃烧前捕捉技术只能用于新建发 电厂，而另两种技术则可同时应用于新建和既有发 电厂。 第一作者及联系人：郭韵 （１９７６—），女，博士，副教授，现主要 从事煤及天然气开发利用技术的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ　ｇｒａｃｅｇｕｏ１９７７＠ １２６．ｃｏｍ。 　 燃烧后捕集碳的技术是从烟气中分离二氧化 碳，同现已大规模用于天然气分离ＣＯ２ 的技术相 似，主要采用化学吸附法。在目前的工艺条件下， 溶剂再生以及为便于运输而压缩二氧化碳，都需要 消耗大量的能量，因而会大大折减净发电量，只在 特定条件下经济可行。国内已投运的燃烧后碳捕集 装置有北热电厂３０００ｔ／ａ，远达公司合川双槐电厂 １００００ｔ／ａ等，如图３所示。目前燃烧后捕集技术 的潜在二氧化碳捕捉效率可达到９０％。 燃烧前捕集碳技术在肥料制造业和氢生产业中 ·５４１· 图２　碳捕集系统示意图 　 图３　燃烧后碳捕集装置 　 已得到广泛应用。电力领域该方式要与ＩＧＣＣ发电 形式联合使用 （图４），首先，化石燃料与氧或空 气发生反应，产生由一氧化碳和氢气组成的混合气 体。混合气体冷却后，在催化转化器中与蒸汽发生 反应，使混合气体中的一氧化碳转化为二氧化碳， 并产生更多的氢气。最后，将氢气从混合气中分 离，干燥的混合气中的二氧化碳含量可达１５％～ ６０％，总压力２～７ＭＰａ。二氧化碳从混合气体中 分离并被捕获和储存，氢气被用作燃气联合循环的 燃料送入燃气轮机，进行燃气轮机与蒸汽轮机联合 循环发电。而目前ＩＧＣＣ发电在全球只有少量示范 工程，这制约了现阶段燃烧前二氧化碳捕集的 应用。 图４　西班牙ＩＧＣＣ电站燃烧前碳捕集装置 　 富氧燃烧碳捕集是指燃料在氧气和二氧化碳的 混合气体中燃烧，燃烧产物主要是二氧化碳、水蒸 汽以及少量其它成分，经过冷却后二氧化碳含量在 ８０％～９８％。在富氧燃烧系统中，由于二氧化碳浓 度较高，因此捕获分离的成本较低，但是供给的富 氧成本较高。另外，由于燃烧发生在低氮环境中， 因而大大降低了氮氧化合物的生成量。该技术尚处 于示范阶段 （图５），我国还没有工业性的示范工 程报道。 图５　富氧燃烧碳捕集装置 　 ＣＯ２ 的运输是指将分离并压缩后的ＣＯ２ 通过 管道或运输工具运至存储地。ＣＯ２ 在３０℃和５个 大气压条件下就可以保持液态，使用管线或者船舶 运送。 ＣＯ２ 存储方式分成４种：通过化学反应将ＣＯ２ 转化成固体无机碳酸盐；工业直接应用或作为多种 含碳化学品的生产原料；注入海洋１０００ｍ深处以 下；注入地下岩层。最后一种方式最具潜力：这个 过程涉及许多在石油和天然气开采和制造业中研发 和普遍应用的技术，如用泵向井下注入ＣＯ２，并通 过在井底部的凿孔或筛子使ＣＯ２ 进入岩层。此外 ＣＯ２ 回注油田可以提高采油率，在煤层中注入 ＣＯ２，可以回收煤层气，这个过程也就是通常所说 的强化采油 （ＥＯＲ）和强化采煤层气 （ＥＣＢＭ）［５］。 二氧化碳用于增产石油和煤层气开发，既能利用， 又可大规模封存，是公认的近中期二氧化碳最重要 封存方式。澳大利亚ＺｅｒｏＧｅｎ项目中主要关注超 临界二氧化碳在深层砂岩结构中的存储［６］，并开始 于２０１０年１１月在丹尼森海槽进行超临界二氧化碳 注入测试，如图６所示。我国电力、石油、煤碳企 业分别在碳捕集、强化采油、开采煤层气等方面开 展了研究与示范，但彼此未建立起合作平台，使二 氧化碳捕集与封存未能相互连接，迟滞了我国二氧 化碳捕集与封存的技术发展。 目前ＣＣＳ技术发展面临的主要问题有：一是 ·６４１· 　化　　工　　进　　展　 　２０１２年第３１卷　 图６　ＺｅｒｏＧｅｎ项目中的ＣＯ２ 注入井和注入设施 　 研发投入高，高成本将是阻碍ＣＣＳ技术发展的一 大障碍，需要政府重点支持，引导企业加快该技术 的发展。二是资源化利用渠道不畅。将捕集的二氧 化碳资源化利用，不仅能减少排放，还可获得部分 经济效益，抵消部分减排成本，促进技术成熟发 展。但目前还存在较多开采气井、煅烧石灰石以获 取二氧化碳的行为，既与碳减排背道而驰，又消耗 了大量资源和能源，也不利于燃煤电厂二氧化碳捕 集资源化技术的推广应用。三是缺乏跨行业间合作 平台。二氧化碳捕集与封存是不可分割的两部分。 ２　ＩＧＣＣ＋ＣＣＳ系统的环保性能 大规模加压气流床煤气化技术是洁净煤技术的 重要发展方向，作为" 旧能源、新 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 "，整体煤 气化联合循环 （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，并可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。ＩＧＣＣ发电技术基本工艺过 程如图７所示。 图７　ＩＧＣＣ系统示意图 从系统构成及设备制造角度来看，ＩＧＣＣ继承 和发展了热力发电系统几乎所有先进技术。将空气 分离技术、煤的气化技术、煤气净化技术、燃气轮 机联合循环技术以及系统的整体化技术有机集成， 综合利用了煤的气化和净化技术，实现了煤化学能 的梯级利用，是当前国际公认的最新高效环保的发 电技术［７，８］。ＩＧＣＣ技术正朝着大容量、高效率、 多联产、低排放和低造价的方向发展，并完成零排 放的全方位环保性能，在实现近零脱硫、脱硝的同 时，实现二氧化碳的近零排放和二氧化碳的捕集、 封存和再利用技术集为一体的复合技术。ＣＣＳ与 ＩＧＣＣ有机结合是煤清洁利用的重要出路。 ３　ＩＧＣＣ和ＣＣＳ研究示范项目 国际上提出了多项将ＩＧＣＣ发电与ＣＣＳ技术 相结合的ＣＯ２ 近零排放电站项目［９］。例如美国提 出的 “未来发电 （ＦｕｔｕｒｅＧｅｎ）” 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，将在美国 本土建立多个不低于３００ＭＷ 等级的集二氧化碳 捕集和封存、发电、制氢于一体的ＩＧＣＣ发电示范 项目，每年捕获封存２００×１０４ｔ以上ＣＯ２。如图８ 所示该计划是将煤炭用氧气、水蒸汽气化产生一氧 化碳和氢气，再将一氧化碳经变换反应生成二氧化 碳和额外的氢气。将氢气和二氧化碳分离后，氢气 直接用于燃气蒸汽联合循环发电产生电力。而二氧 化碳则泵送到几千尺深的盐水井中液化贮存 （也可 贮存在采空的煤矿井和枯竭的石油井中）［１０］。日本 则提出建立整体煤气化燃料电池联合循环 （ＩＧＦＣ） 示范机组用于提高能源利用效率及ＣＯ２ 的捕捉与 封存。欧洲也提出拟建５座ＩＧＣＣ＋ＣＣＳ示范电 站，用于发展新型ＣＯ２ 零排放煤基发电技术［１１］。 澳大利亚ＺｅｒｏＧｅｎ示范基地将在２０１７年建成世界 上第一个通过结合煤气化和二氧化碳捕集与储存技 术来生产低排放电力的燃煤发电示范厂。 图８　美国ＦｕｔｕｒｅＧｅｎ示范项目概念 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 中国的能源特色在煤，以煤为主又必须适应低 碳发展趋势。从国家能源战略高度看ＩＧＣＣ对保障 我国的能源安全、应对石油短缺和改善环境质量有 重要意义。我国五大发电集团也相继提出各自的 ＩＧＣＣ发电发展规划，目前我国拟建或在建的 ＩＧＣＣ项目有９项，另有５项处于可研状态。其中 华能集团天津绿色煤电项目的目标是研究开发和示 ·７４１·　增刊　 　郭韵等：碳捕捉与封存技术的发展前景与挑战 范推广以整体煤气化联合循环为基础 （图９），以 煤气化制氢、氢气轮机联合循环发电和燃料电池发 电为主，并进行ＣＯ２ 分离和处理的煤基能源系统； 大幅度提高煤炭发电效率，使煤炭发电达到污染物 和ＣＯ２ 的近零排放［１２］。 图９　天津ＩＧＣＣ示范电站 　 如图１０所示，绿色煤电计划主要涉及以下几 个关键技术：大型高效煤气化技术、煤气净化技 术、氢气轮机发电技术、燃料电池发电技术、膜分 离技术、ＣＯ２ 封存技术、系统集成技术。绿色煤 电计划分为三个阶段，将用十余年的时间完成，最 终形成一座２５０ＭＷ　ＩＧＣＣ示范电站及一座４００ ＭＷ 的绿色煤电近零排放示范电站。 图１０　中国ＧｒｅｅｎＧｅｎ示范项目技术路线图 　 综上所述，目前全球范围内处于积极推进状态 的ＩＧＣＣ项目大部分都包含或者考虑了二氧化碳的 捕集和处置问题。ＩＧＣＣ＋ＣＳＳ是理想的煤炭高效 清洁利用技术，是低碳发展战略选择的重要选项。 ４　我国ＣＣＳ技术发展的有效途径 目前全球范围内基于ＩＧＣＣ的ＣＣＳ技术尚处 于起步阶段，为此，有必要对基于ＩＧＣＣ气化合成 气组分 （ＣＯ＋Ｈ２）的ＣＣＳ技术进行深入研究，以 带动我国以煤炭为基础的能源行业在节能减排方面 的长足发展。 首先，国家加大科研投入力度，结合已开展的工 业级规模的二氧化碳减排示范系统，建立国家级研究 平台。以这些平台为基础，一方面培养核心研发队 伍，另一方面进行低成本、低能耗的减排技术研发。 其次，由国家部委牵头，为我国经济利用二氧 化碳寻找出路。协调燃煤电站与石油企业合作，尽 快开展二氧化碳捕集与增产石油的示范，并为此提 供相应的资金支持和配套优惠政策；同时限制、停 止开采气井、煅烧石灰石以获取二氧化碳的行为。 最后，针对较长时期内我国以常规火电机组为 主的现状，应将燃烧后碳捕集技术作为研究重点之 一，积极研发低成本燃烧后碳捕集技术。 ５　结　语 ＣＣＳ技术仍旧充满挑战但是已经有了很好的起 步。在对ＣＯ２ 捕集及利用技术现状进行充分分析的 基础上，确定现阶段的技术发展路线是十分必要的。 为配合ＩＧＣＣ示范项目添加ＣＣＳ技术，我国亟待需 要对基于ＩＧＣＣ气化合成气组分的高效低耗ＣＣＳ技 术进行研究，为我国中长期可能面临的碳减排压力 做好技术储备，共同支持环境友好、高效、自主创 新的可持续发展的能源技术。随着国际和中国国内 节能减排的发展，这类技术必将得到广泛应用。 参　考　文　献 ［１］ 阎维平 ．洁净煤发电技术 ［Ｍ］．北京：中国电力出版社， ２００８，１１． ［２］ 施强，乌晓江，徐雪元，等 ．整体煤气化联合循环 （ＩＧＣＣ） 发电技术与节能减排 ［Ｊ］．节能技术，２００９，２７ （１）：１８－２０． ［３］ 于方，宋宝华 ．二氧化碳捕集技术发展动态研究 ［Ｊ］．中国 环保产业，２００９ （１０）：２７－３０． ［４］ 赵卉，刘永琪 ．二氧化碳捕获和存储作为清洁发展机制项目 的潜力与障碍分析 ［Ｊ］．四川环境，２００８，２７ （２）：６１－６３． ［５］ 钱伯章 ．碳捕捉与封存 （ＣＣＳ）技术的发展现状与前景［Ｊ］． 中国环保产业，２００８ （１２）：５７－６１． ［６］ Ｍａｒｔｉｎ　 Ｏｅｌｔｉｎｇｅｒ．ＺｅｒｏＧｅｎ———Ｎｅｗ　 ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　 ｃｏａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ［Ｃ ］／／２００８ ＧＴＣ　 Ｃｏｎｇｅｒｅｎｃｅ， ＵＳＡ： Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，２００８． ［７］ 董明声，王震华，刘勃，等 ．世界上的ＩＧＣＣ电站工程概览 ［Ｊ］，燃气轮机技术，２００９，２２ （１）：１５－１９． ［８］ Ｈａｒｒｙ　Ｊａｅｇｅｒ．ＩＧＣＣ　ｐｏｗｅｒ，ｈｏｗ　ｆａｒ　ｏｆｆ［Ｊ］．Ｇａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｗｏｒｌｄ，２００７，３７ （１）． ［９］ 李现勇，孙永斌，李惠民 ．国外ＩＧＣＣ项目发展现状概述 ［Ｊ］．电力 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，２００９，６ （３）：２８－３３． ［１０］ Ｃｈｒｉｓ　Ｈｉｇｍａｎ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ　ｃｏａｌ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ ［Ｃ］． ＦｕｔｕｒｅＧｅｎ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊａｐａｎ：Ｔｏｋｙｏ，２００８． ［１１］ Ｈｅｌｅｅｎ　ｄｅ　Ｃｏｎｉｎｃｋ，Ｔｏｄｄ　Ｆｌａｃｈ，Ｐａｕｌ　Ｃｕｒｎｏｗ，ｅｔ　ａｌ．Ｔｈｅ ａｃｃｅｐｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＣＯ２ｃａｐｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｏｒａｇｅ （ＣＣＳ）ｉｎ　Ｅｕｒｏｐｅ： Ａｎ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　Ｇａｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００９，３ （３）：３３３－３４３． ［１２］ 许世森，郜时旺 ．燃煤电厂二氧化碳捕集、利用与封存技术 ［Ｊ］．上海节能，２００９，９：８－１３． ·８４１· 　化　　工　　进　　展　 　２０１２年第３１卷