江 蓉，張 進，李小姍，倪宏偉，賴勇杰，曹 峻，張立麒

(1.四川空分設備(集團)有限責任公司，四川 簡陽 641400；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

在我國提出2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和目標的背景下，如何實現燃煤電廠的碳減排得到了越來越多研究人員的關注。一般來說，燃煤電廠碳捕集技術分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒技術。其中富氧燃燒技術利用空分裝置生產出的高純度氧氣代替空氣進入燃燒室與燃料燃燒，經煙氣再循環(huán)系統(tǒng)后可直接獲得含高體積分數CO2的煙氣，便于進行CO2的壓縮純化分離，實現封存或利用，其系統(tǒng)流程如圖1所示[1]。研究表明，富氧燃燒技術具有較好的工藝承接性，且相較于其他碳捕集技術，在捕集成本和易規(guī)模化方面均具有較大優(yōu)勢，因此也被認為是最有工業(yè)化應用前景的碳捕集技術之一。

圖1 燃煤富氧燃燒碳捕集技術原理示意[1]Fig.1 Schematic diagram of the principle of carbon capture technology for coal-enriched oxy-fuel combustion[1]

燃料經過富氧燃燒可實現煙氣中CO2的富集，富氧燃燒煙氣中CO2體積分數可達80%以上，其余雜質氣體包含氮氣、水蒸汽、氧氣、氬氣及硫化物、氮氧化物、汞等。進行CO2的封存和利用前，需對CO2氣體進行壓縮、冷凝、液化，脫除雜質氣體以提高CO2體積分數。目前在CO2產品的品質要求方面并未達成共識與形成統(tǒng)一的規(guī)定，這主要取決于環(huán)境、成本、技術(傳輸與存儲)、用途及健康與安全等因素。表1為CO2產品純度及雜質的標準，通常情況下要求CO2產品純度至少為95%(體積分數)，SOx，NOx體積分數分別≤50×10-6，≤100×10-6[2]。因此，為了實現富氧燃燒煙氣中CO2的資源化利用，首先需去除其中的雜質。

表1 CO2產品純度標準

CO2壓縮純化系統(tǒng)(CO2Compression and Purification Units,CPU)，位于富氧燃燒電廠的末端，能在高壓低溫的環(huán)境下去除富含CO2煙氣中的雜質氣體，進一步提高CO2的純度以達到CO2利用要求，便于后續(xù)輸送、利用和封存[3]，是實現富氧燃燒碳捕集的關鍵環(huán)節(jié)。

富氧燃燒CO2壓縮純化系統(tǒng)，主要包括煙氣污染物酸壓縮凈化系統(tǒng)、干燥脫水系統(tǒng)及高濃度CO2液化精餾系統(tǒng)，如圖2所示。其中酸壓縮凈化過程的主要作用：一是脫除煙氣中的SOx，NOx，Hg等污染物；二是通過多級壓縮提高煙氣壓力便于后續(xù)CO2分離提純。氣體干燥系統(tǒng)主要通過吸附劑脫除煙氣中的飽和水。CO2液化精餾系統(tǒng)主要通過低溫分離實現N2，O2，Ar等雜質的脫除，得到高純度的液態(tài)CO2產品，CO2產品經管道運輸可用于咸水層封存或驅致密油、頁巖氣、采熱等驅替過程，也可作為化工原料、食品添加劑、制冷劑、溶劑等進行資源化利用。

圖2 富氧燃燒CO2壓縮純化系統(tǒng)Fig.2 Oxy-fuel combustion CO2 compression andpurification system

針對富氧燃燒CO2壓縮純化技術，國內外已經開展了相關的實驗研究、機理分析及工藝動力學模擬等，國外包括加拿大CANMET[4]、德國Linde[5]、法國Air Liquide[6]、美國AirProducts[7-9]等，國內包括華中科技大學[10]、華北電力大學[11-12]、神華國華電力研究院[13]、四川空分設備(集團)有限責任公司(以下簡稱“四川空分”)[14]等。目前對煙氣的壓縮純化研究多集中在污染物的脫除機理研究和工藝的實驗驗證方面，中試示范應用相對較少，對于大規(guī)模的應用，如百萬噸級每年的CO2壓縮純化關鍵技術及系統(tǒng)設備集成還需深入研究。為了全面把握CO2壓縮純化技術的研究動態(tài)，筆者分別介紹了煙氣污染物酸壓縮凈化技術、氣體干燥技術和CO2液化提純技術的研究進展，綜述了富氧燃燒CO2壓縮純化技術的國內外示范應用，基于此給出了富氧燃燒CO2壓縮純化技術的未來重點研發(fā)方向。

1 富氧燃燒壓縮純化技術理論

1.1 酸壓縮污染物協(xié)同脫除技術

富氧燃燒使用高純度氧氣代替空氣進行燃燒，因此產生的SOx，NOx等污染物總量減少，但由于煙氣再循環(huán)過程的存在使得污染物富集，導致排放煙氣中SO2和NOx濃度升高。為了脫除污染物，可利用傳統(tǒng)燃煤電廠的脫硫脫硝工藝，在煙氣壓縮前經煙氣脫硫裝置(Flue Gas Desulphurization，FGD)和選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)/選擇性非催化還原(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)脫硝裝置進行污染物去除。煙氣中SOx，NOx等污染物的傳統(tǒng)脫除技術已有較多研究，廣泛應用于燃煤電廠的煙氣凈化處理。研究表明富氧燃燒電廠FGD裝置中煙氣中高濃度CO2會被堿液吸收，產生復雜的副產物，從而影響脫硫效果[15]。在洗滌塔運行過程中，特別是在增大壓力時，用于洗滌煙氣的堿性液體可能會發(fā)生溶解度問題，給煙氣凈化增加了難度。同時，NOx的脫除存在一定的難度，影響了煙氣的凈化效果，增加了處理成本。相比之下，利用富氧燃燒電廠現有的壓縮純化系統(tǒng)進行SO2和NOx的脫除具有較大優(yōu)勢，在1.5 MPa操作壓力下可實現99%的SO2脫除率與90%的NOx脫除率，還可同時進行Hg的脫除，也被稱為富氧燃燒煙氣壓縮純化過程S/N/Hg一體化脫除技術。

ALLAM等[6-8]提出利用富氧燃燒CO2壓縮純化系統(tǒng)對煙氣中的SO2和NOx進行協(xié)同脫除的方法，其基于鉛室法制酸原理，在高壓、低溫、含水條件下，將煙氣中的SO2，NOx分別轉化為H2SO4和HNO3以實現NOx和SO2的脫除，其反應過程主要為NO氣相氧化為NO2，SO2和NO2的液相吸收。

O2存在時，富氧燃燒煙氣中的NO可轉化為NO2(式(1))。研究表明，NO的氧化速率隨著壓力的增大而提高，且與溫度呈負相關，NO轉化為NO2是NOx和SO2脫除的關鍵。

(1)

MURCIANO等[16-17]對NOx和SO2協(xié)同脫除的影響因素進行實驗研究，結果表明，增大壓力、降低吸收溫度以及適當的停留時間能提高煙氣中NO和SO2的脫除效率。研究還發(fā)現，液態(tài)水是協(xié)同脫除NOx和SO2的關鍵因素。在常溫無液態(tài)水條件下，NO與SO2的脫除率極低，液態(tài)水存在時，NO2和SO2發(fā)生如式(2)所示的反應，脫除效果明顯，而水蒸氣無法促進該反應的進行。

(2)

NO2在水中的氧化吸收對實現NOx脫除至關重要(式(3))，煙氣中的NO2會與水發(fā)生反應生成硝酸與亞硝酸。羅哲林等[18]對壓縮過程中富氧燃燒煙氣污染物脫除過程產生的酸液進行實驗研究，結果顯示酸液中的硝酸根離子只有理論值的30%～70%。

(3)

RAYSON等[19]指出，亞硝酸不穩(wěn)定，易發(fā)生反應分解生成硝酸和NO(式(4))，表明壓縮純化單元中難以實現NOx的完全脫除。

(4)

利用富氧燃燒系統(tǒng)尾部的CO2壓縮純化單元還可實現Hg0與NOx的協(xié)同脫除。WHITE等[9，20]對酸壓縮過程的研究發(fā)現，富氧燃燒煙氣壓縮過程中Hg的出口濃度有大幅下降的趨勢，這主要是由于Hg在煙氣凈化過程中會與NOx反應而被脫除，受限于實驗條件和Hg反應分析的困難，WHITE等并未給出該過程的具體反應機理。由此可知，壓縮凈化技術能有效利用壓縮過程中的高壓低溫條件實現SO2，NOx和Hg的協(xié)同脫除，無需加裝傳統(tǒng)脫硫脫硝及脫汞設備，且可回收硫酸及硝酸產品，降低了富氧燃燒系統(tǒng)的運行成本。

近年來，國內外許多學者針對富氧燃燒煙氣壓縮過程S/N/Hg一體化脫除技術開展了包括機理分析、影響實驗、流程模擬等理論研究。針對酸壓縮過程中SO2/NOx相互作用機制及影響，MURCIANO等[16-17]研究表明，液體的pH會影響污染物的脫除，在低pH條件下，SO2的脫除效果更好。WHITE等[20]對煙氣中SO2/NOx體積分數比與污染物脫除率的關系進行了實驗探究，結果表明當煙氣中的SO2/NOx比值從4.0減小到2.5時，SO2的脫除率從85%升至95%，其主要原因是當煙氣中SO2/NOx體積分數比過高時，NOx在一系列反應的作用下會部分轉化為難溶于水的N2O，從而降低了NOx的脫除效果，表明在協(xié)同脫除SO2和NOx時，SO2的存在不利于NOx的脫除，但NOx能促進SO2的脫除。SUSIANTO等[21]認為，NO2的存在與否不會引起SO2吸收率的改變，但SO2的存在可提高NO2的脫除效率，因此可認為NO2對SO2脫除效果的影響很小，而SO2可促進NO2的吸收。

針對酸壓縮過程中Hg/NOx的相互作用機制，TING等[22]研究了加壓條件下Hg0與NOx的氣相反應，研究表明Hg0與NO2的氣相反應較為明顯，相比于NO和HNO3，Hg0更易于與NO2反應，在1.4 MPa壓力下，氣相中的Hg0轉化率高達99%。STANGER等[23-25]研究了部分澳大利亞Callide富氧燃燒電廠的煙氣，并采用實驗室規(guī)模的三級壓縮裝置對煙氣中的Hg0與NOx脫除效果進行研究，發(fā)現高壓下Hg0極易與NO2發(fā)生氣相反應，且該反應在無水條件下發(fā)生；同時，煙氣中無NO2存在時，即使在加壓條件下也觀察不到Hg0的脫除；當壓縮機出口壓力達到3.0 MPa時，該壓縮系統(tǒng)可實現接近100%的汞轉化率。LI等[26-27]研究了煙氣中酸性氣體NOx，SO2和CO2對富氧壓縮過程中Hg0脫除性能的影響，發(fā)現NO2是實現Hg0轉化的主要因素，常壓下Hg0幾乎不與NOx反應，而在加壓條件下由NO氧化生成的NO2與Hg0反應能夠顯著降低Hg0的出口濃度。綜上，富氧CO2壓縮過程中Hg0的脫除主要是依靠在加壓條件下Hg0與NO2的均相氧化反應實現。針對Hg與NO2反應機理不明晰的問題，LI等[28]利用量子化學理論，確定了Hg/NO2體系的具體反應路徑(式(5)，(6))，基于該反應路徑計算獲得了的三階動力學反應速率參數，揭示了Hg/NO2體系的三級反應機理。

(5)

(6)

KüHNEMUTH等[29]通過流程模擬對比了同時脫硫脫硝的鉛室法與蒸餾法，結果表明，與蒸餾法相比，鉛室法的能耗更低，且損耗的CO2更少。陳珂[30]模擬分析了壓力、溫度、停留時間等因素對污染物脫除的影響，結果顯示SO2的脫除率在各條件下均為100%，而脫除NO需要足夠的停留時間，且NO的脫除率隨著溫度的升高和壓力的下降而增大。

黃強等[31]綜述了對國內外有關富氧燃燒煙氣壓縮凈化工藝中單獨脫硫、脫硝、脫汞及污染物協(xié)同脫除的研究現狀及進展。目前通過理論分析并結合實驗室試驗、中試試驗研究，已掌握相關的關鍵實驗數據和系統(tǒng)設計方法。國內研究主要集中在實現SO2，NOx和Hg一體化協(xié)同脫除的遷移轉化機制及工藝驗證階段，尚缺乏大規(guī)模的示范應用。

1.2 氣體干燥技術

富氧燃燒煙氣經酸壓縮污染物凈化過程可去除絕大部分冷凝水，但進入后續(xù)提純工藝的二氧化碳煙氣仍含有飽和水蒸汽，其對CO2的管道運輸和深冷加工存在極大威脅，應首先對其進行深度脫水干燥處理。

二氧化碳脫水常用的方法包括吸收/吸附法、膜分離法和冷卻法等[32]。由于CO2壓縮純化系統(tǒng)整體處于高壓低溫狀態(tài)，相對于其他脫水方式，使用固體吸附劑脫水更具優(yōu)勢，常用于工業(yè)氣體的深度干燥[33]。固體吸附劑吸水過程多為物理吸附，其比表面積及孔徑是影響吸附性能的重要因素，常用的CO2脫水固體吸附劑相關參數見表2。

表2 各固體吸附劑結構參數對比

沸石分子篩由于其獨特的晶體結構而具有極強的親水性，在低水氣分壓、高溫(50 ℃以上)及高氣體流速條件下仍具有極高的吸水容量，且遠大于硅膠和氧化鋁；此外分子篩吸附再生次數超過2 000次后，其吸水容量僅下降30%左右[34-35]。當用于二氧化碳深度脫水時，沸石分子篩脫水技術相較硅膠和氧化鋁具有更大的優(yōu)勢。

水分子理論直徑為0.27 nm，二氧化碳的理論直徑為0.33 nm，說明3A分子篩更傾向于選擇吸附水，而不會吸附分子直徑更大的二氧化碳。桑田[43]對3A分子篩的天然氣脫水性能進行總結，通過實測可將天然氣中的水脫除到10-6以下。劉慧敏[44]比較了天然氣脫水單元3A和4A分子篩的吸附性能，得出在原料氣含有有機硫組分時，3A分子篩吸附效果更好，其他情況時4A分子篩有更好的吸附表現。徐春玲等[45]考察了3A分子篩對水和乙醇的吸附性能，對比發(fā)現3A分子篩對水的吸附性能更強，可用于乙醇脫水。

1.3 富氧燃燒CO2液化提純技術

富氧燃燒煙氣經凈化干燥后，CO2體積分數高，主要雜質氣體為N2、少量O2及Ar，CO2壓縮純化單元多采用低溫相變分離法進行CO2的液化提純。低溫相變分離法利用CO2與雜質氣體的沸點不同，通過將混合氣壓縮冷卻，在相變過程中去除雜質氣體，從而實現CO2的提純。低溫冷能的獲得方式、O2/N2/CO2混合物的分離技術是富氧燃燒CO2液化提純系統(tǒng)提高產品純度、降低能耗和運行成本的關鍵。

與相同壓力下煙氣凈化后混合氣中的N2，O2，Ar等雜質相比，CO2的沸點更低，且相差較大，將混合物冷卻時CO2會首先液化分離。學者們采用模擬計算方法，對煙氣混合物中各組分含量及混合物液化壓力的影響等對CO2煙氣液化提純系統(tǒng)進行了研究。圖3為CO2三相圖，從圖3可以看出，雖然直接對CO2進行壓縮液化是可行的，但壓縮過程若在室溫下進行，過高的液化壓力使壓縮機能耗大幅增加；冷卻氣體使其相變分離時，氣體中的CO2分壓越低，液化溫度也越低，從而增加消耗的冷能。

圖3 CO2三相圖Fig.3 CO2 phase diagram

POSCH等[46]利用Aspen Plus軟件并采用Peng-Robinson(PR)狀態(tài)方程及kij混合規(guī)則對2種不同的液化提純工藝進行模擬研究。李獻亮[47]對基于CO2/N2體系的液化進行了模擬，對N2，O2，Ar及CO2混合物體系的露點溫度與壓力、濃度的關系進行研究，同時對不同狀態(tài)方程和混合規(guī)則進行比較分析，結果表明采用PR狀態(tài)方程結合范德瓦爾混合規(guī)則較為準確。徐剛等[48]考察了壓力和雜質對CO2產品純度和分離率的影響，并分析了高壓下CO2/N2混合物系統(tǒng)的露點，表明混合物的精餾分離可在高壓、近常溫的條件下進行。通過對CO2及凈化后CO2煙氣混合物的熱力學特性研究，為低溫分離工藝的分離方式選擇、產品純度、回收率及能耗等提供了依據。

CO2液化提純系統(tǒng)所需的低溫冷能可采用煙氣直接壓縮后節(jié)流自產冷量，也可通過外部制冷劑循環(huán)方式獲得。ZANGANEH等[4]提出的富氧燃燒煙氣CO2液化提純工藝，采用直接壓縮后節(jié)流的方式自產冷量，但由于冷量不足，需將產品壓縮至常溫下的液化壓力，能耗較高。PIPITONE等[49]對采用丙烷和乙烷2種制冷劑進行外循環(huán)制冷的CO2液化提純工藝進行了研究，結果表明CO2產品的單位能耗較自產冷量工藝更高。RITTER[5]、COPIN[50]等通過采用氨制冷劑進行制冷提純煙氣中的CO2，其工藝在中試示范裝置中得到應用。由于富氧燃燒CO2液化提純需配套空分裝置或液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)裝置，因此提出了將空分裝置或LNG的冷量引入CO2液化提純系統(tǒng)進行集成利用的方法[51-52]，但目前僅停留在基礎研究方面。目前普遍被接受和應用的冷量獲取方式主要有壓縮節(jié)流自產冷量、氨制冷劑進行制冷。

CO2混合物的分離主要通過多級閃蒸分離和精餾提純，不同的提純方式得到的產品濃度不同。WHITE等[9]研究了經兩級節(jié)流閃蒸進行CO2提純的工藝，可得到體積分數95%以上的CO2產品；提高煙氣液化壓力，CO2產品的回收率增加，但純度降低，同時原料煙氣中CO2體積分數對回收率和產品純度影響較大。徐明新等[53]基于300 MWe富氧燃燒電站煙氣參數進行了流程模擬，其中采用低溫精餾提純CO2，可得到純度為99.99%的產品。李延兵等[13]搭建300 t/a(以CO2計)壓縮試驗平臺開展試驗研究，采用精餾塔提純，可得到純度大于99%的液體CO2。霍沃德等[54]提出了一種富氧燃燒的CO2壓縮純化方法，采用精餾分離與閃蒸結合的方法，可得到純度為99.9%的CO2產品，回收率可達到87%。DARDE等[6]對直接壓縮液化(不凈化)、閃蒸分離及精餾提純3種富氧燃燒CO2壓縮純化單元進行研究，結果表明，當煙氣中CO2體積分數為72%時，與閃蒸或精餾提純相比，直接壓縮將煙氣液化的能耗從170 kWh/t降至約140 kWh/t。

由于目前CO2產品后續(xù)利用的純度要求尚不明確，可根據需要采用不同的CO2液化提純技術，盡可能降低能耗和運行成本。目前國內外針對富氧燃燒煙氣壓縮純化單元中CO2液化提純技術已進行了較多工藝模擬研究及實驗研究，并應用于中試示范。

2 富氧燃燒壓縮純化技術示范應用

2.1 國外壓縮純化技術的發(fā)展歷程

富氧燃燒煙氣壓縮純化技術最初的示范應用未考慮污染物的脫除，其利用了燃煤電廠傳統(tǒng)的脫硫脫硝工藝在煙氣壓縮前去除污染物。

德國Vattenfall 30 MWt燃煤富氧燃燒示范項目，采用林德公司設計的液化提純工藝，產品液體CO2純度可達99.7%，通過公路罐車運輸[55-56]，煙氣壓縮純化過程如圖4所示。該項目在煙氣壓縮前使用鈣基脫硫裝置去除煙氣中的SOx等雜質，之后在煙氣調節(jié)裝置(Flue Gas Conditioning，FGC)中將NO轉換為NO2。該系統(tǒng)中SOx去除程度較高，但并未有效脫除NOx。

圖4 德國Vattenfall Schwarze項目CPU系統(tǒng)[55]Fig.4 CPU system diagram of Germany Vattenfall Schwarze project[55]

其煙氣凈化后CO2液化提純技術如圖5所示。該工藝在CO2液化提純過程中采用NH3作為制冷劑制冷，原料煙氣先經過精餾提純，在精餾塔底部得到產品，塔頂不凝氣經冷卻后再閃蒸節(jié)流，去除雜質氣體(O2，N2，Ar)。該工藝CO2產品純度受精餾塔蒸發(fā)器的負荷影響較大，且蒸發(fā)器的負荷相對較高。通過利用精餾塔底部的CO2產品節(jié)流，提供了部分冷量，但出換熱器后考慮產品的儲存運輸，需要進行產品的再次壓縮液化，提高了工藝的復雜性。

圖5 煙氣凈化后CO2提純液化技術系統(tǒng)[5]Fig.5 System diagram of CO2 purification and liquefactiontechnology after flue gas purification[5]

澳大利亞Callide 30 MWt富氧燃燒項目的CO2壓縮純化單元(CPU)由Air liquid公司提供，每天可生產約75 t純度為99.9%的CO2液體產品，并由公路罐車運輸[57]。煙氣中部分SOx，NOx等酸性污染物經堿液洗滌被除去，其中SOx可去除到20×10-6以下。除塵后再對煙氣進行多級冷卻壓縮與氣液分離，該過程中NOx溶于水并在氣液分離過程中被除去。剩余的碳氫化合物(主要為CO)、惰性雜質氣體(O2，N2，Ar)在冷箱內實現分離，CO2產品中基本不含SO2和NO/NO2。壓縮純化單元系統(tǒng)如圖6所示。該工藝在CO2液化分離提純過程中，以NH3作為制冷劑，將CO2產品冷卻液化。CO2壓縮純化單元的名義生產能力為100 t/a，約25%的CO2產品需在工藝中進行回收以利用這部分冷量。煙氣首先利用部分回收的CO2產品的冷量后閃蒸分離，液體產品再經過節(jié)流后進入精餾塔提純。該系統(tǒng)設計用于驗證從CO2煙氣中將SOx和NOx去除的研究，實際的CO2回收量約為整個系統(tǒng)的60%，回收率不高。

該裝置的處理能力為Callide 30 MWe項目燃燒后10%的煙氣量，即75 t/a的處理量(相當于3 MWe)，處理30 MWe燃煤電廠富氧燃燒后全部煙氣的CPU規(guī)模需要擴大約100倍，對于擴大規(guī)模后的工藝系統(tǒng)和設備集成等尚需進一步改進和研究。

圖6 Callide 30MWt項目Air liquid CPU系統(tǒng)[58]Fig.6 Air liquid CPU system diagram of Callide 30 MWt project[58]

Air Products公司基于其提出的酸壓縮污染物脫除技術，聯合德國Vattenfall富氧燃燒示范項目，建成了1 MWth CO2壓縮純化裝置，如圖7所示[7-8]。煙氣首先被壓縮到1.5 MPa，在洗滌塔中經酸洗除去SOx、部分汞和NOx，并將生成的部分稀硫酸通入洗滌塔進行酸洗；之后煙氣經過第2級壓縮到3MPa，經酸洗除去NOx，得到稀硝酸；通過高壓節(jié)流自產冷量將CO2冷卻到-55 ℃進行液化分離，未被液化的氣體被排出，但其中仍含有25%的CO2；最后可得到純度95%以上的CO2產品。

圖7 德國Vattenfall & Air Products CPU系統(tǒng)Fig.7 System diagram of Germany Vattenfall & Air Products CPU

壓縮凈化脫水后高濃度CO2的液化提純采用兩級閃蒸進行，得到的CO2產品通過壓縮直接液化。該工藝煙氣污染物的凈化采用基于鉛室法的一體化脫除，污染物的脫除效率高，工藝相對簡潔，適用于生產純度要求不高的CO2產品，但目前仍需進一步機理研究和大規(guī)模應用示范。通過增加精餾塔設備后，可生產純度99.9%的CO2產品，但工藝仍需深入研究和應用示范。

2.2 國內壓縮純化技術的中試應用

華中科技大學聯合四川空分等單位合作完成了3 MW和35 MW富氧燃燒裝置的建立、調試與運行[58]。2011年，四川空分為3 MW富氧燃燒全流程試驗平臺提供了空分裝置和CO2壓縮提純及液化設備，煙氣處理量按照100%設計，其CO2液化提純工藝如圖8所示[14,59]。該裝置采用CO2自產冷量，雙級閃蒸分離工藝，可得到體積分數為95%的CO2液體產品。35 MW富氧燃燒工業(yè)示范裝置于2015年建成，該系統(tǒng)預留了CO2壓縮純化和地下埋存系統(tǒng)，但該項目尚未進行CO2回收利用裝置示范研究。

圖8 3 MW富氧燃燒CO2煙氣液化提純技術系統(tǒng)[14]Fig.8 System diagram for liquefaction and purification ofCO2 flue gas from 3 MW oxy-fuel combustion[14]

2015年，應城35 MW富氧燃燒工業(yè)示范建成，是目前國內規(guī)模最大的富氧燃燒燃煤碳捕集全流程示范系統(tǒng)(圖9)，該系統(tǒng)包括空氣分離制氧系統(tǒng)、富氧燃燒煤粉鍋爐CO2循環(huán)燃燒系統(tǒng)、煙氣除塵脫硫系統(tǒng)、煙氣除濕系統(tǒng)，預留CO2壓縮純化和地下埋存系統(tǒng)。但該項目尚未進行CO2的捕集利用裝置示范研究。

圖9 35 MW富氧燃燒燃煤碳捕集示范系統(tǒng)流程[58]Fig.9 Flow chart of 35 MW oxy-fuel combustion coal-fired carbon capture demonstration system[58]

2015年神華國華電力研究院建成了國內首套50 kg/h CO2壓縮純化試驗系統(tǒng)，流程如圖10所示。對煙氣進行壓縮冷卻以及脫水處理后，SO2與NO2會被聚集到吸收塔底部，可將其轉化為稀硫酸與稀硝酸。該實驗系統(tǒng)采用精餾提純CO2，產品CO2純度≥99%，CO2回收率可達95%以上。

表3為上述各中試裝置CO2壓縮純化技術的特點，從煙氣的凈化工藝、低溫冷能的獲取方式、CO2的提純方法及產品純度、裝置規(guī)模等方面進行分析比較。根據不同的CO2原料氣純度以及提純后的CO2產品需求，應進行壓縮純化技術分析，找出最優(yōu)系統(tǒng)組織方式及運行參數，降低裝置運行能耗。

表3 富氧燃燒CO2壓縮純化技術的應用分析

3 結語及展望

富氧燃燒煙氣壓縮過程聯合脫除污染物技術極具潛力，是實現富氧燃燒技術商業(yè)化應用的重要環(huán)節(jié)。目前研究大多集中于驗證該技術的可行性，缺少對工藝流程優(yōu)化及示范研究。對于CO2壓縮純化系統(tǒng)各單元的細化研究不夠，還需進一步開發(fā)工藝，開展大型化后的系統(tǒng)集成研究。為提高基于富氧燃燒的CO2壓縮純化技術的成熟度，實現富氧燃燒技術的工業(yè)應用，未來需在以下幾個方面持續(xù)開展研究工作：

(1)在CO2煙氣酸壓縮凈化過程中，需深入研究硫化物、氮氧化物及汞的脫除機制及運行參數對污染物脫除效率的影響等關鍵技術，開發(fā)污染物高效協(xié)同脫除工藝流程，并在國內開展工業(yè)應用示范。

(2)在十萬噸級CO2壓縮純化示范應用的基礎上，針對百萬噸級CO2壓縮純化系統(tǒng)中污染物聯合脫除、脫水、提純等關鍵技術進行深入研究，開展相關系統(tǒng)模擬及優(yōu)化，掌握CO2壓縮純化系統(tǒng)關鍵技術，進行百萬噸級CO2壓縮純化系統(tǒng)方案集成研究，促進大規(guī)模工業(yè)應用。

(3)在進行CO2壓縮純化系統(tǒng)方案集成研究的基礎上，對富氧燃燒燃煤電站全局進行優(yōu)化設計，是實現富氧燃燒技術商業(yè)應用及降低CO2捕集成本的重要路徑。

(4)加壓富氧燃燒技術在高壓下進行燃燒，可得到高壓的富CO2煙氣，有利于減少CO2壓縮純化過程的能耗，耦合加壓富氧燃燒與壓縮過程聯合脫除污染物技術將成為下一代富氧燃燒碳捕集技術的主要研究方向。

(5)在煤電高效靈活調峰背景下，由于鍋爐調峰改變煤量和供氧量，燃燒狀態(tài)發(fā)生變化，在煙氣量與煙氣組分變化的情況下，對于CO2壓縮純化技術，需明確影響因素，在調峰過程中如何調節(jié)CO2壓縮純化單元中的各類參數以達到最優(yōu)效果是需要重點考慮的問題。