燃煤电厂CCUS技术与应用进展_黄雅宁.pdf

环保与节能燃煤电厂 技术与应用进展黄雅宁，陈梅瑛，孙自欢，付昌颖，邓宸越，尚孟珍，吴 仪，周睿欣，王 琼（湖南工业大学城市与环境学院，湖南 株洲）摘 要：在“双碳”目标背景下，我国大规模开展产业化 技术示范应用，可为碳减排目标的实现提供重要支撑，对服务国家战略和经济社会绿色发展意义重大。燃煤电厂是 重要的排放源，同时也是 的主要应用对象。介绍了燃煤电厂二氧化碳捕集、利用和封存技术（）的每个工艺环节以及国内外 技术的应用进展情况，包括不同地区不同年份 示范项目的 捕集能力、去向等，并对当前燃煤电厂 技术进行了总结。关键词：燃煤电厂；应用进展；碳减排中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，.，.，.，.，：；收稿日期：.基金项目：湖南省大学生创新创业训练计划资助项目（），厦门合兴包装印刷股份有限公司资助作者简介：黄雅宁（），女，湖南怀化人，湖南工业大学环境生态工程专业 级在读本科学生。引用格式：黄雅宁，陈梅瑛，孙自欢，等 燃煤电厂 技术与应用进展 煤炭加工与综合利用，（）：在我国“富煤、贫油、少气”的条件下，我国能源消费将坚持以煤炭为主体、电力为中心的策略，但以煤炭为主的能源消费结构不合理，环境负面影响长期存在。中国已跃升为世界碳排放第一大国，且在未来很长时间内，以煤炭为主体的能源消费结构难以改变。年 月，在第七十五届联合国大会一般性辩论上，习近平总书记首次提出“碳达峰”和“碳中和”目标（“双碳”）。为保证“双碳”目标下电力系统的安全稳定运行，对燃煤电厂进行碳捕集、利用和封存技术（，）改进有助于实现燃煤电厂净零碳排放，同时，还可提供稳定清洁低碳电力，有助于发挥煤电基础性调节作用，平衡可再生能源发电波动性，避免季节性或长期性电力短缺，保障电力系统安全稳定运行。煤炭加工与综合利用 .，燃煤电厂 作为一项能够实现化石能源大规模低碳化、集约化利用的不可或缺的减排技术，是实现火电行业化石能源净零排放的重要基石。燃煤电厂 技术的大规模部署不仅可以避免已经投产的机组提前退役，还能减少大量火电行业基础设施建设的搁浅成本，减少因建设低碳电力基础设施造成的额外投资，降低实现碳中和目标的经济成本，是我国火电行业实现碳中和的必然选择。技术的广泛推广面临着各方面的挑战，其中捕集环节成本的降低是重中之重。从技术环节来看，捕集技术成本在 全流程中占比最大，约为 ，因此，有必要开发低能耗的 捕集技术。.捕集在 整个过程中，碳捕集的能耗和成本最高，约占总成本的 。而成本主要与二氧化碳浓度和压力有关，这 个指标决定了碳捕集是否高效以及后续分离是否便利。燃煤电厂排放 属于低浓度二氧化碳排放源，需要较高的捕集成本。燃煤电厂 的捕集方法主要分为燃烧前脱碳、富氧燃烧和燃烧后捕集 类捕集方式。燃烧前脱碳，其基本原理是在煤燃料燃烧前用合适的方法将碳中能量转移，再将碳与携带能量物质分离，从而实现燃烧前脱碳。该技术一般运用于整体煤气化联合循环 电厂，华能天津 示范电站碳捕集装置是我国首套燃烧前脱碳装置，该装置 捕集率已达 以上，年捕集 能力达到了 万。此技术相对成本较低、效率较高，但局限于，因此采用该技术的项目较少。富氧燃烧，可直接运用于传统燃煤电厂，对高浓度氮气的空气进行脱氮处理获得高浓度氧气，将制得的氧气和烟道气混合作为助燃气体通入，得到高浓度 气体。富氧燃烧不仅可以促进燃料的燃烧速率，还能降低燃烧后污染气体的排放量，在节能减排方面有很大的应用前景。主要被应用在常规煤粉炉和循环流化床上。既可用于新锅炉的设计，又可用于旧锅炉的改造，是近期最有可能实现的商业化的燃煤电站 捕集技术之一。燃烧后捕集，将燃料燃烧后排放烟气中的进行捕集，仅需在锅炉烟道尾部后增加捕集设备，几乎适用于所有燃煤电厂，是工业上应用最广泛的碳捕集技术。燃烧系统产生烟气压力接近大气压，浓度低于，捕集系统庞大，需耗费大量能源。燃烧后捕集 方法包括化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、低温蒸馏法等，其中化学吸收法应用最早，技术较成熟，是电厂碳捕集技术的首选。.输送运输是 的中间环节，将捕集的运送到可被利用或封存的地点，目前主要有船舶运输、管道运输、铁路运输和公路运输 种方式。这 种方式的选择需要依据运输位置、距离、运输成本、运输量、的温度和压力等。一般来说，管道运输是最经济的运输方法，运输方式的优缺点比较见表。表 种 运输方式的优缺点比较运输方式优点缺点船舶运输灵活性高适用于水域开发中小规模与远距离成本低连续性差地理限制大增加装卸存储成本增加捕集压缩能耗及成本罐车运输公路运输灵活性高初始投资小调节能力强单次运输量少连续性差污染风险大增加捕集压缩能耗及成本铁路运输成本相对低运输距离长通行能力大连续性差可能需要铺设专用轨道增加装卸存储成本增加捕集压缩能耗及成本管道运输成本低连续性强污染风险小初始投资大灵活性差气体要求高.封存目前，我国封存 技术方面起步晚，封存产业尚未完全成熟。封存按照封存的地点大抵可分为地质封存（）、海洋封存（）和地表封存（）。地质封存，将超临界状态下 注入油田、气田、盐水层、无法开发的煤矿等地质结构。据 研究，对地质结构选择、设计与管理得当，在 气体稳定的状态下，可被封存 年第 期黄雅宁，等：燃煤电厂 技术与应用进展以上。若要封存大量，咸水层是最适合的地点，该地质结构常见且具有巨大的封存潜力。海洋封存，将 通过轮船、管道运输到海底深处进行封存。有科学家研究发现，将 埋在深海沉积物中，有望实现安全永久封存。海洋封存充分利用深海沉积物的高压、低温条件，阻止 上浮以实现安全封存。不过，这种方法存在许多安全隐患有待探究。.利用资源化利用方式有多种，根据学科领域的不同，分为地质利用、化工利用和生物利用三大类，在减少碳排放的同时实现其资源化。地质利用，将 注入地下，利用矿物或地质条件生产或强化有利用价值的产品，如二氧化碳强化石油开采、二氧化碳封存采水。化工利用，将 与其他物质间进行化学转化，生产出化工产品，如无机产品（纯碱、小苏打、尿素、水杨酸等）、有机产品（合成气、低碳烃、特定催化剂等）。生物利用，主要是利用植物的光合作用捕集和固定二氧化碳，微藻为主要代表性生物。技术发展现状.国际 技术进展当前全球 技术发展水平相对滞后，减排潜力有待释放。技术发展水平取得了阶段性进展，成熟度整体处于示范阶段。国际中 项目发展可见表。美国是全球 示范项目领先者，美国的 商业设施数量全球领先，年在美国得克萨斯州建立了全球第一个 设施，且 项目应用广泛。欧盟是 制度化和规范化的积极倡导者，在 制度化和规范化方面走在全球前列。日本积极抢占碳循环利用技术创新高地，长期致力于低排放发展战略，将 技术与氢能、可再生能源、储能、核能等并列为日本实现碳中和目标的关键技术。韩国将 作为低碳绿色增长和实现国家碳减排目标的关键技术。表 国际 项目项目名称地点捕集能力（万）来源去向运行年份美国天然气处理美国俄克拉荷马州化肥厂 美国怀俄明州天然气处理挪威天然气处理盐水层 美国德克萨斯州天然气处理美国 加拿大气化 阿尔及利亚天然气处理枯竭气田挪威天然气处理盐水层美国德克萨斯州天然气处理美国堪萨斯州化肥厂 美国怀俄明州天然气处理巴西天然气处理 美国德克萨斯州甲烷重整 加拿大（）燃煤电厂 盐水层加拿大甲烷重整盐水层沙特阿拉伯天然气处理美国伊利诺伊州乙醇盐水层美国密西西比州（）燃煤电厂 美国得克萨斯州（）燃煤电厂澳大利亚天然气处理盐水层苫小牧 示范项目日本氢气产品盐水层 阿联酋钢铁厂 加拿大化肥厂 加拿大炼油厂 煤炭加工与综合利用 年第 期.国内 技术进展我国 技术虽然起步较晚，但经过 余年的快速发展，在 各技术环节均取得了显著进展，但在相关战略规划及法规制度建设方面、技术研发水平相对滞后。目前，我国 发展仍处于早期阶段，相关技术、成本以及法规等发展仍不够完善。技术尚未完全成熟。我国针对 全流程各类技术路线都分别开展了实验室示范项目，但整体仍处于研发和实验阶段，而且项目及范围都较小。虽然新建项目和规模都在增加，但还缺少全流程一体、更大规模、可复制、经济效益明显的集成示范项目。近年来，国内 项目见表。（）建设及运维成本居高不下。当前技术条件下 项目的捕集和建运成本高昂，捕集能力 万 的火电厂 示范项目的设备安装、占地投资等前期基础投资成本约 亿元，实际运行中，各环节所需要的总运行成本将近千元。表 国内 项目项目名称地点捕集能力（万）来源去向运行年份中国石油吉林油田 研究与示范吉林天然气处理华能集团上海石洞口捕集示范项目石洞口燃煤电厂商业用途胜利油田 示范项目山东燃煤电厂国电投重庆合川双槐电厂碳捕集示范项目重庆火力电厂商业用途鄂尔多斯煤制油 捕集和封存项目鄂尔多斯煤制油装置捕集咸水层封存连云港清洁煤能源动力系统研究设施江苏燃煤电厂盐水层工业使用天津北塘电厂 项目天津燃煤电厂商业用途延长石油榆林煤化工公司碳捕集项目靖边甲醇和乙酸生产装置华能绿色煤电 电厂捕集利用和封存示范天津燃煤电厂新疆敦华利二氧化碳捕集项目克拉玛依甲醇厂 弛放气华中科技大学 兆瓦富氧燃烧项目湖北热电厂商业用途 年建成，暂停运营海螺水泥白马山水泥厂水泥窑烟气 捕集纯化（）示范项目安徽水泥厂商业用途华润海丰电厂碳捕集测试平台项目广东电厂商业用途齐鲁石化胜利油田百万吨级 项目山东化肥厂煤气化装置火电厂二氧化碳化学链矿化利用 技术研究与示范项目山西.火电厂碳酸钙陕西延长石油集团 万 捕集项目陕西煤制甲醇装置驱油和地质封存辽河油田公司 项目辽宁.捕集装置预计 年 月投产运行 （）法律法规不健全。我国高度重视 发展，已制定了多项相关政策规划推动 技术的发展。虽然在节能减排、清洁能源等领域提及 技术，但我国并没有专门的 立法对其进行全面的规制。从现有政策来看，国家对于发展 持鼓励态度，但主要以宏观的引导和鼓励为主，并没有针对 发展出台具体财税支持。在示范项目的选址、建设、运营和地质利用与封存场地关闭及关闭后的环境风险评估、监控等方面同样缺乏相关的法律法规。（）项目风险较大。捕集的是高浓度高压下的液态，若在运输、注入和封存过程中发生泄漏，将对附近的生态环境造成影响，甚至危害人身安全，需要从全流程、全阶段出发，针对环境监测、风险防控出台切实有效的方案。而地质复杂性及环境风险的不确定性，也严重制约着政府和公众对 的接受程度。结 语 技术对中国在 年前实现碳达峰，年前实现碳中和，打赢低碳转型硬仗的目标发挥着重要作用。目前，碳捕集技术发展已较为成熟，许多技术、工艺也都进入了后期示范阶段，较初期在材料、效率、成本、环保等方面进展明显，但仍未能得到大范围应用，主要归因于 改建及后期运维费用高昂以及相关配套政 年第 期黄雅宁，等：燃煤电厂 技术与应用进展策的缺位。参考文献 石冬梅 加油站碳排放核算和“零碳”实现路径研究 区域治理，（）：，：，（）：李海平 燃煤电厂入厂煤度电碳排放分析研究 节能，（）：井 然 可持续创新推动实现美丽愿景 专访国家应对气候变化战略研究和国际合作中心原主任李俊峰 中国电力企业管理（）：安山龙，侯天锐，臧欣怡，等 燃煤烟气 化学吸收剂研究进展 广州化工，（）：米剑锋，马晓芳 中国 技术发展趋势分析 中国电机工程学报，（）：李琼玖，李德宽，漆长席，等 我国燃煤发电污染治理的 捕集封存与资源化利用 化肥设计，（）：杜 雪，尤洋 节能减排背景下 技术及政策分析 山西科技，（）：张自丽 燃煤烟气二氧化碳催化氢化还原反应实验研究 北京：华北电力大学，田 梅，冉春红，杨光炜 推动碳捕集，利用和封存技术研发与示范分析研究以四川省为例 环境保护与循环经济，（）：叶云云，廖海燕，王鹏，等 我国燃煤发电 技术发展方向及发展路线图研究 中国工程科学，（）：秦阿宁，吴晓燕，李娜娜，等 国际碳捕集、利用与封存（）技术发展战略与技术布局分析 科学观察，（）：范 英，朱 磊，张晓兵 碳捕获和封存技术认知、政策现状与减排潜力分析 气候 变化 研究进 展，（）：彭雪婷，吕昊东，张 贤 报告解读：全球碳捕集利用与封存（）技术发展评估 气候变化研究进展：，（）：张九天，张 璐 面向碳中和目标的碳捕集，利用与封存发展初步