段玉燕，羅海中，林海周，吳阿峰，鄧廣義，孫張偉

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

盡管中國(guó)CCUS技術(shù)起步較晚，但在政府的支持下，企事業(yè)、科研單位和高等院校共同參與，圍繞配套政策、相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了一系列研究，建立起專(zhuān)業(yè)的研究隊(duì)伍，取得了一批成果和進(jìn)步，并成功開(kāi)展了工業(yè)級(jí)技術(shù)示范[1]。文章綜述了國(guó)內(nèi)外CCUS示范項(xiàng)目的特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，并分析了該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)CCUS相關(guān)項(xiàng)目的建設(shè)起到指導(dǎo)性的作用。

1 中國(guó)CCUS示范項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)對(duì)比

國(guó)內(nèi)主要工業(yè)試點(diǎn)和示范工程的具體情況如下所述，技術(shù)對(duì)比詳見(jiàn)表1[2]。

(1) 華能集團(tuán)北京高碑店熱電廠(chǎng)碳捕集示范項(xiàng)目

2008年6月，由華能集團(tuán)自主設(shè)計(jì)并建設(shè)的中國(guó)第一套燃煤電廠(chǎng)煙氣CO2捕集裝置在華能北京熱電廠(chǎng)投入運(yùn)行，每年捕集3000噸CO2。裝置投運(yùn)以來(lái)，CO2回收率大于85%，純度達(dá)到99.99%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)值。裝置運(yùn)行可靠度和能耗指標(biāo)也都處于國(guó)際先進(jìn)水平。項(xiàng)目捕集并用于精制生產(chǎn)的食品級(jí)CO2可實(shí)現(xiàn)再利用，以供應(yīng)北京碳酸飲料市場(chǎng)。

(2) 華能集團(tuán)上海石洞口碳捕集示范項(xiàng)目

華能集團(tuán)于2009年12月在上海石洞口第二電廠(chǎng)啟動(dòng)的CO2捕集示范項(xiàng)目使用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CO2捕集技術(shù)，年捕集CO2規(guī)模達(dá)12萬(wàn)噸，捕集CO2純度達(dá)到99.5%以上。捕集的CO2部分經(jīng)過(guò)精制系統(tǒng)后用于食品加工行業(yè)，其余部分用于工業(yè)生產(chǎn)。該捕集裝置在投產(chǎn)時(shí)是當(dāng)時(shí)世界上最大的燃煤電廠(chǎng)煙氣CO2捕集裝置。

(3) 華能集團(tuán)天津綠色煤電IGCC電廠(chǎng)CCUS示范項(xiàng)目

華能集團(tuán)天津綠色煤電250MW級(jí)IGCC機(jī)組于2011年建成投產(chǎn)，于2016年建成400MW容量且配備CO2捕集裝置的IGCC機(jī)組，示范工程旨在研究開(kāi)發(fā)、示范推廣CO2近零排放的煤基發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)可大幅提高發(fā)電效率，并掌握大型煤氣化工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行技術(shù)。

(4) 神華集團(tuán)鄂爾多斯CCS項(xiàng)目

神華集團(tuán)于2010年底在內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)成功建設(shè)注入規(guī)模10萬(wàn)t/a的全流程CCS示范工程。該示范工程利用鄂爾多斯煤氣化制氫裝置排放出的CO2尾氣經(jīng)甲醇吸收法捕集、純化、液化后，由槽車(chē)運(yùn)送至封存地點(diǎn)后加壓升溫，以超臨界狀態(tài)注入到1000～3000米深的目標(biāo)地下咸水層，實(shí)現(xiàn)從捕集到封存的全流程CCS示范，注入規(guī)模可達(dá)10萬(wàn)噸/年，是世界第一個(gè)定位埋存在咸水層的全流程CCS工程。作為國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目CCUS領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目目前已完成30萬(wàn)噸注入總目標(biāo)，捕集尾氣近35.6萬(wàn)噸。

(5) 中電投重慶雙槐電廠(chǎng)項(xiàng)目

2010年1月，中國(guó)電力集團(tuán)建設(shè)的重慶合川雙槐電廠(chǎng)CO2捕集工業(yè)示范項(xiàng)目正式投入運(yùn)營(yíng)，該裝置每年可捕集1萬(wàn)噸CO2，濃度在99.5%以上，CO2捕集率達(dá)到95%以上。在此基礎(chǔ)上，中電投集團(tuán)完成了15萬(wàn)t/a的碳捕集裝置方案研究和工程設(shè)計(jì)，開(kāi)展了CCS全流程方案預(yù)可研工作。目前該裝置捕集的CO2主要用于焊接保護(hù)和電廠(chǎng)發(fā)電機(jī)氫冷置換等領(lǐng)域。

(6) 中石化勝利油田CCUS項(xiàng)目

中石化在勝利油田建成了國(guó)內(nèi)外首個(gè)燃煤電廠(chǎng)煙氣CCUS全流程示范工程。其中，在勝利燃煤電廠(chǎng)建成了年產(chǎn)能力4萬(wàn)噸的煙氣二氧化碳捕集裝置，二氧化碳純度大于99.5%。

(7) 華潤(rùn)海豐電廠(chǎng)碳捕集測(cè)試平臺(tái)示范項(xiàng)目

華潤(rùn)海豐電廠(chǎng)規(guī)劃總?cè)萘繛?×1000MW+4×1000MW機(jī)組，分期建設(shè)，一期1號(hào)和2號(hào)機(jī)組為2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，于2015年正式投運(yùn)。碳捕集測(cè)試平臺(tái)示范項(xiàng)目依托華潤(rùn)海豐電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組，設(shè)計(jì)并建設(shè)兩套并行的碳捕集裝置，且另外預(yù)留捕集裝置位置。碳捕集測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)碳捕集量不低于2萬(wàn)t/a，運(yùn)行時(shí)間5500h/a。該平臺(tái)建成后將是中國(guó)首個(gè)多技術(shù)并聯(lián)國(guó)際性碳捕集技術(shù)測(cè)試平臺(tái)，也是南方首個(gè)CCUS中等規(guī)模試驗(yàn)示范項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)燃燒后捕集的CO2根據(jù)其純化級(jí)別既可以進(jìn)行食品級(jí)利用，也可以通過(guò)管道運(yùn)輸至珠江口盆地油田處進(jìn)行地質(zhì)封存或用于提高石油采收率。

表1 國(guó)內(nèi)部分示范項(xiàng)目規(guī)模及技術(shù)對(duì)比表

2 國(guó)外示范項(xiàng)目介紹

(1) 挪威蒙斯塔德技術(shù)中心(TCM Mongstad)

蒙斯塔德技術(shù)中心是世界上規(guī)模最大的碳捕集技術(shù)測(cè)試中心，位于挪威西海岸卑爾根市北部，毗鄰蒙斯塔煉油廠(chǎng)。TCM由兩個(gè)碳捕集裝置組成，每個(gè)裝置每年能從附近的煉油廠(chǎng)捕集8萬(wàn)噸二氧化碳，從燃?xì)怆姀S(chǎng)能捕集2萬(wàn)噸二氧化碳。未來(lái)TCM擁有可用空間和基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)維持下一代技術(shù)的測(cè)試。TCM于2012年開(kāi)始運(yùn)行，每年的運(yùn)行成本達(dá)到3億挪威克朗(約4880萬(wàn)美元)。2015年8月TCM 宣布了一項(xiàng)新的MEA碳捕集技術(shù)測(cè)試項(xiàng)目，研究如何擴(kuò)大規(guī)模和降低未來(lái)全規(guī)模捕集運(yùn)行的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。目前，殼牌康索夫公司正在該中心驗(yàn)證其DC-201第二代碳捕集溶劑進(jìn)行工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的可行性。除此之外，阿克(Aker)、阿爾斯通和Carbon Clean Solutions公司也在該中心進(jìn)行過(guò)測(cè)試。

(2) 加拿大SaskPower碳捕集測(cè)試裝置

2015年6月18日，SaskPower公司在薩斯喀徹溫省埃斯特萬(wàn)啟動(dòng)新的碳捕集測(cè)試裝置。該裝置位于邊界大壩碳捕集項(xiàng)目附近，依托Shand電廠(chǎng)建造，耗資7000萬(wàn)美元。加拿大政府通過(guò)加拿大自然資源部的生態(tài)能源技術(shù)倡議對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)提供130萬(wàn)美元的資助。該裝置與運(yùn)營(yíng)中的Shand燃煤電廠(chǎng)連接，提供一個(gè)測(cè)試不同的胺溶液捕集技術(shù)的獨(dú)特平臺(tái)。此碳捕集測(cè)試裝置是一個(gè)模塊化裝置，許多獨(dú)立的部分都可以進(jìn)行分離、修改和操作，以測(cè)試特定的碳捕集技術(shù)。建筑前設(shè)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，定期測(cè)試胺溶劑樣品。企業(yè)能夠追蹤其技術(shù)在運(yùn)行過(guò)程中的性能表現(xiàn)，以響應(yīng)實(shí)際的商業(yè)化運(yùn)行條件。

(3) 美國(guó)能源部國(guó)家碳捕集中心(NCCC)

美國(guó)國(guó)家碳捕集中心為響應(yīng)發(fā)展具有成本效益的燃煤電廠(chǎng)碳捕集技術(shù)而成立，由美國(guó)能源部進(jìn)行資助并提供設(shè)施，在商業(yè)化燃煤煙氣和合成氣環(huán)境下長(zhǎng)期測(cè)試開(kāi)發(fā)商的技術(shù)，以加快具有成本效益的碳捕集技術(shù)的開(kāi)發(fā)，并確保能繼續(xù)利用煤炭發(fā)電。從2011年開(kāi)始，NCCC測(cè)試并評(píng)估CO2控制技術(shù)，包括CO2捕集溶劑、傳質(zhì)設(shè)備、低成本水氣交換反應(yīng)堆、規(guī)模擴(kuò)大的薄膜技術(shù)，以及改善CO2壓縮方法。由于具備在多種流程和工藝條件下運(yùn)行的能力，NCCC的研究可以有效地評(píng)估技術(shù)的成熟性。目前已經(jīng)有20家技術(shù)開(kāi)發(fā)商在該平臺(tái)測(cè)試24種不同技術(shù)，以及NETL項(xiàng)目中的創(chuàng)新技術(shù)。NCCC兩個(gè)主要的研究領(lǐng)域包括CO2燃燒前捕集和燃燒后捕集。

燃燒后碳捕集中心(PC4)位于Alabama電力 Gaston 電廠(chǎng)的5號(hào)機(jī)組，利用乙醇胺溶液捕集超過(guò)90%的CO2，捕集規(guī)模為10噸/天。NCCC將這組數(shù)據(jù)作為評(píng)估燃燒后CO2捕集技術(shù)的基準(zhǔn)。電力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)施自1996年以來(lái)一直在測(cè)試氣化和燃燒前捕集技術(shù)。

3 未來(lái)碳捕集技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

碳捕集技術(shù)主要包含燃燒前碳捕集、燃燒后碳捕集和富氧燃燒捕集三種不同技術(shù)[3]。由于捕集部分占整個(gè)CCS費(fèi)用的2/3甚至更高，因此國(guó)際間主要以“提高捕集效率及規(guī)模，降低捕集成本”為重點(diǎn)研發(fā)方向。

燃燒后碳捕集技術(shù)主要應(yīng)用于燃煤鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)施，其優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)有電廠(chǎng)可經(jīng)過(guò)機(jī)組改裝進(jìn)行燃燒后碳捕集應(yīng)用，技術(shù)導(dǎo)入速度較快。但由于煙氣中CO2濃度低，燃燒后碳捕集技術(shù)成本偏高，因此現(xiàn)階段研發(fā)重點(diǎn)主要集中于降低燃燒后碳捕集的成本。目前，燃燒后捕集技術(shù)以化學(xué)吸收法為主，但成本與能耗偏高，其使用也多局限于油氣及石化產(chǎn)業(yè)，因此能夠大規(guī)模應(yīng)用于燃煤電廠(chǎng)的碳捕集技術(shù)仍是國(guó)際上努力的方向。在大力發(fā)展化學(xué)吸收法的基礎(chǔ)上，物理吸附法碳捕集技術(shù)也在不斷的發(fā)展。

燃燒前捕集技術(shù)則以氣化技術(shù)搭配碳捕集技術(shù)而備受矚目。氣化技術(shù)在高溫爐中產(chǎn)生以CO和H2為主的合成氣，一般利用水蒸氣與CO反應(yīng)轉(zhuǎn)化成H2與CO2，再通過(guò)氣體分離裝置將H2與CO2分離。分離濃縮后的H2可直接用于發(fā)電，高濃度的CO2則可被捕集、壓縮、純化以進(jìn)行利用或封存。與燃燒后碳捕集相比，燃燒前碳捕集的運(yùn)行成本較低，但前期資本投入較高，且氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)較大。

富氧燃燒技術(shù)是將燃煤電廠(chǎng)用于與煤粉進(jìn)行反應(yīng)的空氣替換成氧氣和CO2的混和氣進(jìn)行燃燒。其燃燒產(chǎn)物主要是CO2，部分生成的CO2將被直接捕集，而余下CO2則被重新引入富氧鍋爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。這樣被捕集的CO2具有相對(duì)較高的濃度，通?？梢栽诔杀据^低的氣體處理后，直接壓縮用于封存。富氧燃燒捕集技術(shù)把碳捕集的成本轉(zhuǎn)移到空分設(shè)備中，該技術(shù)未來(lái)的發(fā)展取決于空分裝置成本的高低。

各種碳捕集技術(shù)各有優(yōu)劣，但對(duì)傳統(tǒng)燃煤電廠(chǎng)，燃燒后化學(xué)吸收法碳捕集是目前較為成熟的方案。對(duì)于現(xiàn)有燃煤機(jī)組，目前進(jìn)行燃燒后捕集改造比采用富氧燃燒技術(shù)進(jìn)行碳捕集更為經(jīng)濟(jì)。

4 小結(jié)

(1) 我國(guó)的CCUS技術(shù)起步較晚，雖然經(jīng)過(guò)近些年的努力取得了一定的成果，但就目前中國(guó)CCUS的技術(shù)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍具有較大差距；各企事業(yè)、科研單位和高等院校仍需在我國(guó)政策的支持和扶植下，抓住未來(lái)碳捕集技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)而不懈努力。

(2) 各種碳捕集技術(shù)各有優(yōu)劣，但對(duì)傳統(tǒng)燃煤電廠(chǎng)，燃燒后化學(xué)吸收法碳捕集是目前較為成熟的方案。對(duì)于現(xiàn)有燃煤機(jī)組，目前進(jìn)行燃燒后捕集改造比采用富氧燃燒技術(shù)進(jìn)行碳捕集更為經(jīng)濟(jì)。