CCS(二氧化碳捕集與封存)技術(shù)可以分為捕集、運(yùn)輸以及封存三個步驟,商業(yè)化的二氧化碳捕集已經(jīng)運(yùn)營了一段時間,技術(shù)已發(fā)展得較為成熟,而二氧化碳封存技術(shù)各國還在進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。
CCTC?01
二氧化碳的捕集方式主要有三種:燃燒前捕集(Pre-combustion)、富氧燃燒(Oxy-fuel combustion)和燃燒后捕集(Post-combustion)。
燃燒前捕集
燃燒前捕集主要運(yùn)用于IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán))系統(tǒng)中,將煤高壓富氧氣化變成煤氣,再經(jīng)過水煤氣變換后將產(chǎn)生CO2和氫氣(H2),氣體壓力和CO2濃度都很高,將很容易對CO2進(jìn)行捕集。剩下的H2可以被當(dāng)作燃料使用。
該技術(shù)的捕集系統(tǒng)小,能耗低,在效率以及對污染物的控制方面有很大的潛力,因此受到廣泛關(guān)注。然而,IGCC發(fā)電技術(shù)仍面臨著投資成本太高,可靠性還有待提高等問題。
富氧燃燒
富氧燃燒采用傳統(tǒng)燃煤電站的技術(shù)流程,但通過制氧技術(shù),將空氣中大比例的氮?dú)猓∟2)脫除,直接采用高濃度的氧氣(O2)與抽回的部分煙氣(煙道氣)的混合氣體來替代空氣,這樣得到的煙氣中有高濃度的CO2氣體,可以直接進(jìn)行處理和封存。
歐洲已有在小型電廠進(jìn)行改造的富氧燃燒項(xiàng)目。該技術(shù)路線面臨的最大難題是制氧技術(shù)的投資和能耗太高,還沒找到一種廉價低耗的能動技術(shù)。
燃燒后捕集
燃燒后捕集即在燃燒排放的煙氣中捕集CO2,如今常用的CO2分離技術(shù)主要有化學(xué)吸收法(利用酸堿性吸收)和物理吸收法(變溫或變壓吸附),此外還有膜分離法技術(shù),正處于發(fā)展階段,但卻是公認(rèn)的在能耗和設(shè)備緊湊性方面具有非常大潛力的技術(shù)。
從理論上說,燃燒后捕集技術(shù)適用于任何一種火力發(fā)電廠。然而,普通煙氣的壓力小體積大,CO2濃度低,而且含有大量的N2,因此捕集系統(tǒng)龐大,耗費(fèi)大量的能源。
CCTC?02
捕集到的二氧化碳必須運(yùn)輸?shù)胶线m的地點(diǎn)進(jìn)行封存,可以使用汽車、火車、輪船以及管道來進(jìn)行運(yùn)輸。一般說來,管道是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式。2008年,美國約有5800千米的CO2管道,這些管道大都用以將CO2運(yùn)輸?shù)接吞铮⑷氲叵掠蛯右蕴岣呤筒墒章剩‥nhanced Oil Recovery,EOR)
CCTC?03
二氧化碳封存的方法有許多種,一般說來可分為地質(zhì)封存(Geological Storage)和海洋封存(Ocean Storage)兩類。
地質(zhì)封存
地質(zhì)封存一般是將超臨界狀態(tài)(氣態(tài)及液態(tài)的混合體)的CO2注入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中,這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以是油田、氣田、咸水層、無法開采的煤礦等。IPCC的研究表明,CO2性質(zhì)穩(wěn)定,可以在相當(dāng)長的時間內(nèi)被封存。若地質(zhì)封存點(diǎn)經(jīng)過謹(jǐn)慎的選擇、設(shè)計(jì)與管理,注入其中的CO2的99%都可封存1000年以上。
把CO2注入油田或氣田用以驅(qū)油或驅(qū)氣可以提高采收率(使用EOR技術(shù)可提高30%~60%的石油產(chǎn)量);注入無法開采的煤礦可以把煤層中的煤層氣驅(qū)出來,即所謂的提高煤層氣采收率(Enhanced Coal Bed Methane Recovery,ECBM)。
然而,若要封存大量的CO2,最適合的地點(diǎn)是咸水層。咸水層一般在地下深處,富含不適合農(nóng)業(yè)或飲用的咸水,這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為常見,同時擁有巨大的封存潛力。不過與油田相比,人們對這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識還較為有限。
海洋封存
海洋封存是指將CO2通過輪船或管道運(yùn)輸?shù)缴詈:5走M(jìn)行封存。然而,這種封存辦法也許會對環(huán)境造成負(fù)面的影響,比如過高的CO2含量將殺死深海的生物、使海水酸化等,此外,封存在海底的二氧化碳也有可能會逃逸到大氣當(dāng)中(有研究發(fā)現(xiàn),海底的海水流動到海面需要1600年的時間)。
人們對海洋封存的了解還是太少。
CCTC?04
目前國際上正在開展的CCS項(xiàng)目有很多,其中比較著名的是:
美國未來發(fā)電計(jì)劃(FutureGen)
項(xiàng)目原打算在一個260MW的IGCC電廠測試碳捕集技術(shù)和CCS系統(tǒng),目標(biāo)是將電廠廢氣減少到近零排放的水平。2008年6月30日美國能源局宣布將重新整合未來煤電計(jì)劃。美國能源局將只贊助CCS系統(tǒng),而不再向IGCC電廠投資。
挪威Sleipner項(xiàng)目
Sleipner項(xiàng)目開始于1996年,是世界上首個將CO2封存在地下咸水深層的商業(yè)實(shí)例,由挪威國家石油公司運(yùn)營。該項(xiàng)目每年可封存100萬噸CO2。
德國黑泵電廠項(xiàng)目
這是世界上首個能捕集和封存自身所產(chǎn)生的CO2的燃煤電廠,于2008年9月9日由瑞典瀑布電力公司在德國東北部的施普倫貝格動工建設(shè),電廠裝機(jī)容量為30MW。
華能北京高碑店碳捕集裝置
中國已經(jīng)于2008年在北京一個熱電廠改造了CO2捕集設(shè)備,該示范項(xiàng)目由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)、中國華能集團(tuán)公司以及西安熱工研究院(TPRI)聯(lián)合建設(shè)。該項(xiàng)目是對華能北京高碑店熱電廠進(jìn)行碳捕集改造,設(shè)計(jì)CO2回收率大于85%,年回收CO2能力為3000噸。該示范項(xiàng)目已于2008年7月16日正式投產(chǎn)。
華能上海石洞口第二電廠
華能上海石洞口第二電廠碳捕獲項(xiàng)目是在其二期新建的兩臺66萬千瓦的超超臨界機(jī)組上安裝碳捕集裝置,該裝置總投資約1億元,由西安熱工研究院設(shè)計(jì)制造,處理煙氣量為66000標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時,約占單臺機(jī)組額定工況總煙氣量的4%,設(shè)計(jì)年運(yùn)行時間為8000小時,年生產(chǎn)食品級二氧化碳10萬噸。該項(xiàng)目已于2009年12月30日投入運(yùn)營。
中電投重慶合川雙槐電廠
中電投重慶合川雙槐電廠是在一期兩臺30萬千瓦的機(jī)組上建造碳捕集裝置,總投資約1235億元,由中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì),年處理煙氣量為5000萬標(biāo)準(zhǔn)立方米,年生產(chǎn)工業(yè)級二氧化碳1萬噸。該碳捕集項(xiàng)目于 2010年1月20日投入運(yùn)營。
中英碳捕集與封存合作項(xiàng)目(NZEC)
中英煤炭利用近零排放合作項(xiàng)目(Near Zero Emissions Coal)旨在應(yīng)對中國日益增加的燃煤能源生產(chǎn)和二氧化碳(CO2)排放。英國計(jì)劃通過三個階段實(shí)現(xiàn)NZEC示范的目標(biāo)。第一階段,研究在中國示范和發(fā)展CCS技術(shù)的可行性方案;第二階段,進(jìn)一步開展CCS技術(shù)的開發(fā)工作;第三階段,在2014年之前建成CCS技術(shù)示范電廠。
中英煤炭利用近零排放項(xiàng)目(COACH)
中英煤炭利用近零排放項(xiàng)目(COoperation Action within CCS CHina-EU)旨在促進(jìn)中歐碳捕集與封存(CCS)領(lǐng)域的合作。雙方計(jì)劃建造一座具備CO2捕集與封存技術(shù)的燃煤電廠,COACH項(xiàng)目將為這一計(jì)劃提供必要的技術(shù)支持。
綠色煤電計(jì)劃(Greengen)
綠色煤電計(jì)劃是中國華能集團(tuán)公司于2004年提出的,計(jì)劃的總體目標(biāo)是研究開發(fā)、示范推廣以煤氣化制氫、氫氣輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和燃料電池發(fā)電為主、并對污染物和CO2進(jìn)行高效處置的煤基能源系統(tǒng);大幅度提高煤炭發(fā)電效率,使煤炭發(fā)電達(dá)到污染物和CO2的近零排放。2009年7月6日,綠色煤電天津IGCC示范電站開工建設(shè),總投資21億元,采用華能自主研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的每天2000噸級兩段式干煤粉氣化爐,首臺機(jī)組將于2011年建成。
地下封存項(xiàng)目
2012年8月6日,中國首個二氧化碳封存至地下咸水層的全流程示范工程建成投產(chǎn)取得了碳捕獲與封存(CCS)技術(shù)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。
這個由中國最大的煤炭企業(yè)神華集團(tuán)實(shí)施的10萬噸/年“CCS”示范項(xiàng)目,是中國百萬噸級煤直接液化示范項(xiàng)目的環(huán)保配套工程,被列為國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)科研項(xiàng)目。
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