1、第4期“双碳”背景下火电行业CCUS技术路线分析袁鑫，刘骏，陈衡，王修彦，徐钢（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206）摘要：在“双碳”背景下，我国火电行业的碳减排压力日益严峻，将CCUS碳减排技术应用于火电机组是未来的发展趋势。分析了火电机组不同的CO2捕集、运输、利用和封存技术的原理及优缺点，结合相关技术在目前的工业应用现状和未来发展趋势，根据技术成熟度、应用成本及碳减排潜力等，总结出我国火电行业应用CCUS技术应用现状，并提出未来发展建议。关键词：CCUS；火电；碳减排技术中图分类号：X701文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）04-046-05基金项目：
2、国家自然科学基金（52106008）作者简介：袁鑫（2000），女，硕士，现就读于华北电力大学能源动力与机械工程学院。Tel：18519620731，E-mail：引用格式：袁鑫，刘骏，陈衡等.“双碳”背景下火电行业CCUS技术路线分析 J.能源科技，2023，21（4）：46-50.0引言2020 年 9 月 22 日，我国在联合国大会上提出，CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的承诺1。“双碳”目标的提出，为我国低碳化发展指明了方向，决定了未来几十年我国将处于能源转型阶段。在此背景下，未来我国的火电行业必然要走低碳化发展道路。在可用的碳减排方法中，碳捕获、利
3、用和封存（CCUS）是目前唯一允许现有电厂继续运行并显著减少碳排放的技术。CCUS是指将电力、钢铁、水泥等工业生产过程中排放的CO2或直接将空气中的CO2进行捕集、分离和提纯，然后通过管道、船舶等运输至合适的场地进行利用或封存，如图1所示。国际能源署发布的 能源技术展望2020报告 中提出，未来50年，CCUS技术能够在电力和工业行业减排6 000 亿tCO2，相当于人类17年的排放总量2。1CO2捕集技术1.1燃烧前碳捕集燃烧前碳捕集技术是指在化石燃料燃烧前将其中的碳元素分离出来，并将碳元素所携带的化学能转移到其他物质中。主要工作流程为：将煤在高压富氧条件下转换成气态组分，然后重整为以CO和
4、H2为主要成分的煤气，再经过水煤气变换反应将CO转化为CO2，此时合成气的主要成分为CO2和H2，且压力通常在2.7 MPa以上3，易于进行碳捕集，捕集后剩余的H2可作为燃料直接进行燃烧，也可用于开发燃料电池。燃烧前捕集技术燃烧过程中所产生的污染物较少，捕集系统规模较小，气体中CO2分压明显提高，分离过程的能耗大大降低，具有较大的发展潜力4。1.2富氧燃烧捕集富氧燃烧通过空分装置去除空气中的N2，为了防止燃料在纯氧环境下燃烧温度过高，通常采用烟气再循环的方式燃烧，得到的烟气主要成分为CO2和H2O，其中CO2的浓度达到90%以上，理论上可以直接进行处理和压缩，大大降低了脱碳过程的能耗，但是富氧
5、燃烧对锅炉的防腐及脱硫脱硝等特性提出了更高的要求。此外，富氧燃烧的O2一般由空分装置提供，耗第21卷 第4期Vol.21No.42023年8月Aug.2023火力发电厂工业过程生物质利用过程直接空气捕集CO2捕集CO2运输CO2封存罐车运输管道运输船舶运输地质利用 化学利用 生物利用CO2利用地质封存海洋封存图1CCUS流程第4期能较大，与没有 CCUS 的电厂相比，能源损失超过7%5，同时还将大幅度提高捕集电站的总投资。目前，1 000 MW2 000 MW全规模富氧燃烧项目还没有开发，但世界范围内正在开发一些次规模的商业示范工厂，如CS Energy和Vattenfall分别提出的25 M
6、W和250 MW 富氧燃煤机组5。富氧燃烧成本低、易规模化，被认为是最容易大规模推广的商业化应用的CCUS技术之一。1.3燃烧后捕集燃烧后碳捕集是指对锅炉尾部出口烟气进行CO2的分离与捕集，燃烧后捕集技术的优势在于工艺成熟、原理简单，与已建成的燃煤电站有较好的兼容性，可以对现有电厂直接进行尾部烟道的改造，固定投资相对较少，捕集系统独立灵活，是目前我国燃煤电厂碳捕集的主要应用技术。燃烧后碳捕集技术主要包括化学吸收法、物理吸附法、膜分离法等。化学吸收法是指利用碱性化学试剂作为吸收剂和CO2发生化学反应，吸收CO2生成不稳定盐类，然后在一定的压力和温度下将盐类分解实现吸收剂的再生。常用的吸收剂为胺醇
7、溶液6，胺醇溶液吸收剂技术成熟、吸收效率较高，但能耗大、溶剂损耗较大。近年来，开发的新型离子液体7是绿色吸收剂，具有较大的液态区间，热稳定性和化学稳定性较好，可实现低能耗脱附，具有较大的发展潜力。物理吸附法主要是利用混合气体和固体吸附剂的相互作用来实现CO2吸附，然后通过升温或降压实现解析。常用吸附材料主要包括沸石、活性炭、多孔材料、金属氧化物8等。物理吸附法工艺流程简单、能耗低、稳定性好、污染小，但CO2吸附容量小、吸附速率慢、吸附解析过程频繁。膜分离法9是利用CO2与其他气体在膜内溶解、扩散速率不同，在膜两侧分压差的作用下实现CO2分离。其研究重点是膜材料改性和分离工艺优化设计，膜材料有聚
8、合物膜、固定载体膜、无机膜、复合膜等，目前膜分离技术发展尚不成熟，制备成本较高。1.4碳捕集技术选择1.4.1传统燃煤机组传统燃煤电厂具有烟气流量大、CO2浓度低、出口气温较高、污染物含量较高等特点，若采用燃烧前碳捕集技术，其应用成本较高。另外，目前富氧燃烧技术尚不成熟，结合以上多种因素，燃烧后碳捕集技术与传统燃煤电厂的耦合效果最佳。1.4.2燃气-蒸汽联合循环发电机组（NGCC）NGCC自身系统较为复杂，整合燃烧前碳捕集方式后系统的复杂程度大幅提高，影响电厂运行稳定性。NGCC 系统的排烟量大，CO2分压低，O2分压高，SO2和NOx浓度低。基于上述特征，在当前技术条件下宜采用燃烧后化学吸收
9、法。1.4.3整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）IGCC发电过程中合成气的成分简单（主要为CO2和 H2），气体压力较高，体积流量小，CO2浓度较高，宜选择燃烧前捕集方式，不仅可以有效降低能耗和缩减设备尺寸，较其他碳捕集方式也更为灵活可靠，见表1。表1碳捕集技术优缺点比较碳捕集技术燃烧前捕集富氧燃烧捕集燃烧后捕集优点污染物排放少；捕集能耗小脱碳能耗低；易规模化；污染物排放少工艺成熟；适用范围广缺点工艺复杂；投资成本较高制氧成本高；投资成本高；腐蚀较严重捕集能耗大2CO2输送技术CO2的运输是CCUS捕集、运输和封存利用的中间环节，是连通碳源、碳利用地和碳封存地的关键纽带，主要包括陆地运输、
10、船舶运输和管道运输。2.1陆地运输罐车输送是陆上短距离运输CO2的主要方式，罐车运输可分为公路罐车运输和铁路罐车运输。公路罐车运输容量有限，一般为230 t，运输过程中的温度和压力参数要求较高，一般采用 1.7 MPa、-30 和2.08 MPa、-18 两套参数10。运输过程中由于设备气密性差异会产生泄漏，依据运输时间和距离不同，最高泄漏率可达10%。据估计，一辆容量为15 t的CO2公路槽车，运输成本高达1 元/tkm。铁路罐车运输容量可达 5060 t，运输压力为 2.6 MPa。相较于公路罐车运输有运输量大、运输距离远等优点。但铁路运输在很大程度上受到现有铁道线路布置条件的影响，需要在
11、沿线配备CO2装卸和临时储备的相关设施，若现有的铁道线路布局不能满足运输需求，还需专门铺设铁路，大大增加了运输过程的成本，考虑到相关因素，目前还没有应用铁路运输CO2的先例。2.2船舶运输全球大规模的CO2船舶运输仍处于开发试验阶袁鑫等：“双碳”背景下火电行业CCUS技术路线分析47第4期段，目前还没有大型船只投入CO2运输，仅有食品加工行业采用小型船只（运输容量为8501 400 t10）运输低温液态的CO2。目前CO2船舶运输技术研发多参考已经成熟并商业化应用的液化石油气（LPG）和液化天然气（LNG）船舶运输技术，根据温度和压力参数的不同可分为低温型、高压型和半冷藏型11。考虑到CO2的
12、性质，半冷藏型更加适合CO2运输，半冷藏型船舶的运输压力和温度通常在 0.65 MPa和-52 左右，并可以同时调节温度和压力，既不会因为温度过低而固化成干冰，也不会因为压力不够而发生气化。2.3管道运输管道输送主要包括气相、液相、密相（液相和超临界之间）和超临界方式，气相运输压力低、安全性高，但运输量较小，适合在人口稠密地区进行短距离CO2运输，有效运输距离为 37.5 km；液相受杂质影响较大，当管道大于一定长度易发生气化，产生气液两相流导致管道破裂，有效运输距离为200 km；密相运输受杂质影响最小，超临界次之，远距离运输时运输压降较小，投资较低，但管道运行压力高，危险性大，适合在人口较
13、少的地区进行远距离、大规模的 CO2运输，在配置加压站的情况下，有效运输长度可达1 000 km以上。表2列出了不同运输方式进口压力和温度标准12-13。表2不同运输方式进口压力和温度标准相态气相液相超临界相进口压力/MPa451315进口温度/25-20402.4CO2输送技术选择表3列出了CO2输送技术的优缺点比较。目前罐车运输和小型船舶运输已达商业应用阶段，主要应用于10 万t/a以下的CO2运输，中国现有的CCUS示范项目规模较小，主要使用罐车运输；管道输送技术发展还不完善，处于中试阶段，现阶段投入大规模使用的可能性较小；船舶运输在陆上运输没有明显优势，适合海上中小规模、远距离的CO2
14、运输，运输灵活性较高。在“双碳”目标背景下，未来我国火力发电厂将大规模应用CCUS技术，罐车运输因为其运输容量小、成本高、气体品质不稳定等原因将不再适用于大规模CCUS项目的CO2运输，管道运输将随着运行规范和管道布局的完善大规模应用于 CCUS 项目的 CO2运输。当CO2需要海上封存或利用地点位于海上时，采用船舶运输可有效降低运输成本，因此未来我国的CO2运输方式将以管道运输为主，罐车和船舶运输为辅。表3CO2输送技术的优缺点比较CO2输送技术公路罐车运输铁路罐车运输船舶运输管道运输运输容量小较小较小大输送成本高较低较低低是否需要二次运输否是否否初始投资小较大较小大灵活性强较差较强差3CO
15、2利用与封存技术电厂捕集纯化后的CO2可以用于化工、医疗、食品等多种行业，但食品、医疗行业消纳能力有限，未来火电行业CCUS技术发展后CO2需要靠大规模的资源化利用消纳，如地质利用封存技术（CO2强化采油、采气、采咸水等）、化工利用等。表4列出了2030年CO2利用减排潜力预测14。表42030年CO2利用减排潜力预测种类能源增产利用矿产资源增产利用有机化学品合成利用生物质利用无机化学品合成利用产品石油、煤层气、天然气、页岩气等合成气/液体燃料等微藻生物燃料钾盐、碘盐、硼酸等铀矿工业、农业用水甲醇有机碳酸脂及衍生材料微藻转化有机肥料等碳酸盐等钾肥综合减排潜力/（万ta-1）2 5002 600
16、5 25053006005 2803 4003 7005 0008551301 840200经济产值预测/（亿元 a-1）45277 2001153923.1CO2强化石油开采技术（CO2-EOR）CO2-EOR是指将CO2注入油田储层中，降低原油黏度，解决油藏开发中原油流动困难等问题，提高油井产量。CO2-EOR技术成熟度和配套程度较高，全球已有近10 亿t CO2通过强化石油开采技术封存于油田15。近年来，CO2驱油技术发展迅速，成为我国CCUS技术主要发展方向。3.2CO2强化采气技术CO2强化采气技术可分为 CO2强化开采天然气（CO2-EGR）、CO2强化开采页岩气（CO2-ESGR）、CO2驱替煤层气（CO2-ECBM）。CO2-EGR技术是利用超临界 CO2和天然气的密度差异和不完全互溶性，注入48第4期CO2后，密度较小的天然气被驱赶上升，密度较大的超临界 CO2发生沉降被封存在气藏中6；CO2-ESGR技术16是利用CO2吸附性强于CH4，将用于压裂页岩的水替换成超临界CO2，提高页岩气开采效率并封存CO2；CO2-ECBM技术是利用煤对CO2的吸附性比CH4更强，将
