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CO2回收和捕集技术新进展2012-7-9Source中国石油天然气集团公司-钱方研究人员正在开发从燃煤电厂捕集CO2的技术,到2100年燃煤电厂可望占全球CO2排放量80%。但现在仅有三个大规模的捕集计划正在进行之中,每年可捕集约300万吨的CO2,以注入地下盐水深层中或油井中提高石油采收率。化学工业使用的CO2总量1.15亿吨仅占每年排向大气的CO2总量0.5%不到。虽然采用现有技术可使CO2利用量可望翻两番,但仍不能解决CO2过量排放问题。美国Brookhaven国家实验室的研究人员正在开发催化剂,可望将过多的温室气体转化成有用的化学品。研究人员指出,不能只依赖于化学工业利用CO2而才能大量削减从化石燃料燃烧的CO2排放。几种其他对策同时应用是必须的,包括提高现有化学燃料利用过程的效率,捕集和利用或封存从化石燃料燃烧产生的CO2,并转向使用可再生燃料和可再生能源。全球工业化进程的加快使CO2排放量越来越大并给环境带来危害,而石油、煤炭资源的日渐枯竭也需要有新的碳源及时补充,因此世界各国十分重视开发相应的CO2回收以及净化和再利用技术。常用的CO2回收利用方法有以下几种。(1)溶剂吸收法。使用溶剂对CO2进行吸收和解吸,CO2浓度可达98%以上。该法只适合于从低浓度CO2废气中回收CO2,且流程复杂,操作成本高。(2)变压吸附法。采用固体吸附剂吸附混合气中的CO2,浓度可达60%以上。该法只适合于从化肥厂变换气中脱除CO2,且CO2浓度太低不能作为产品使用。(3)有机膜分离法。利用中空纤维膜在高压下分离CO2,只适用于气源干净、需用CO2浓度不高于90%的场合,目前该技术国内处于开发阶段。(4)催化燃烧法。利用催化剂和纯氧气把CO2中的可燃烧杂质转换成CO2和水。该法只能脱除可燃杂质,能耗和成本高,已被淘汰。上述方法生产的CO2都是气态,都需经吸附精馏法进一步提纯净化、精馏液化,才能进行液态储存和运输。吸附精馏技术是上述方法在接续过程中必须使用的通用技术。美国电力研究院(EPRI)所作的研究指出,在发电厂中采用氨洗涤可使CO2减少10%,而较老式的MEA(胺洗涤)法可使CO2减少29%。世界新的CO2回收和捕集技术正在加快发展之中。脱除CO2新溶剂巴斯夫公司和日本JGC公司己开始联合开发一种新技术,可使天然气中含有的CO2脱除和贮存费用削减20%。该项目得到日本经济、贸易和工业省的支持。CO2可利用吸收剂如单乙醇胺(MEA)从燃烧过程的烟气中加以捕集,然而,再生吸收剂需额外耗能,对于MEA,从烟气中回收CO2需耗能约900kcal/kgCO2,通常这是不经济的。日本三菱重工公司(MHI)与关西电力公司(KEPCO)合作,开发了新工艺,可使CO2回收途径带来新的变化。MHI发现的CO2新吸收剂是称为KS-1和KS-2的位阻胺类,其回收所需能量比MEA所需能量少约20%。因为KS-1和KS-2对热更稳定、腐蚀性也比EMA小,因此操作时胺类的总损失可减少到常规吸收剂的约1/20。对于能量费用不昂贵的地区,大规模装置使用新的工艺过程,CO2回收费用(包括压缩所需费用)约为20美元/tCO2,它比基于MEA的常规方法低约30%。MHI已在马来西亚一套尿素装置上验证这一技术,从烟气中回收200tCO2/d。巴斯夫公司实验室试验表明,采用新型溶剂从发电厂排放物中脱除CO2,具有耐用和耗用很少能量的优点。这种溶剂由巴斯夫公司与欧盟“捕集CO2并贮存”开发项目组其他成员共同开发。2006年3月将在位于丹麦Esbjerg(埃斯比约)的世界最大的中型煤发电装置上试用。首次试验将采用单乙醇胺(MEA)作为参比溶剂。捕集CO2所用溶剂的重要之点在于减少脱除CO2所需的能量,如果需要能量太高,会减少电厂的电力产量。例如,燃煤电站使用常规的MEA溶剂捕集CO2,会使发电量减少45%~30%。新开发的溶剂可除去或收集燃烧过程中排放出来的温室气体CO2。从电厂排放气中除去二氧化碳,先是用化学溶剂把二氧化碳结合住,然后,溶剂在返回到工艺前释放出这种二氧化碳。为防止二氧化碳跑到大气中,需要对它冷凝和储存,例如,存放在岩石的含水层(砂石含水层)中、矿层中或原来的石油天然气矿层中。但常规的溶剂容易被电厂废气中夹带的氧气分解,这种工艺要达到吸收、释放和储存二氧化碳,需要很大的能量输入。实验室试验表明,巴斯夫开发的胺基新溶剂比常规溶剂稳定得多,并可使用较长时间,在吸收和释放二氧化碳过程中,耗能也比较低,用新溶剂进行气体洗涤能大大降低除去二氧化碳的费用。巴斯夫公司、RWE电力公司和林德集团2007年9月底宣布,联手开发并将推广使用从燃煤电厂烟气中捕集CO2的新工艺。合作伙伴目标是先去除、然后在地下贮存超过90%的CO2。这些公司的合作包括在RWE电力公司德国Niederaussem的褐煤燃烧发电厂建设和运作中型装置,试验巴斯夫公司用于CO2洗涤的新溶剂。林德公司进行该中型装置的工程建设。目标是到2020年在褐煤燃烧发电厂商业化应用CO2捕集。一旦中型试验完成,合作方将于2010年对此进行验证,为新工艺的商业化应用提供可靠的设计基准。RWE和巴斯夫是30家CO2从捕集到贮存(CASTOR)合作项目的成员,该项目得到欧盟的资助。2005年,巴斯夫开发了新的溶剂,从电厂排放中去除CO2颇为有效,作为CASTOR项目,已在丹麦Esbjerg完成中试。“洗涤”采用化学溶剂使CO2加以结合,该溶剂然后可再调制以释放出CO2。而常规的溶剂很容易受电厂废气中含有的氧气影响而使之变质,过程也需要供入大量能量以达到吸收、释放和贮存CO2的效果。巴斯夫将基于胺的新溶剂提供给CASTOR,它比常规溶剂更为稳定,可使用很长时间。在吸收和释放CO2的过程中,消耗能量也很少。RWE电力公司也在开发带有CO2捕集、运送和贮存的一体化气化联合循环过程(IGCC)的燃煤电厂,该450MW的电厂将于2014年投运。RWE电力公司是德国最大的电力生产商,也向中/东欧供应电力。该公司使用宽范围的能源,包括褐煤、硬煤和可再生能源。基于氨的新工艺美国Powerspan公司开发了ECO2捕集工艺,可使用含水的氨(AA)溶液从电厂烟气(FG)中捕集CO2。这是该公司与美国能源部国家能源技术实验室(NETL)共同研究的成果。BP替代能源公司与Powerspan公司正在开发和验证Powerspan公司称为ECO2基于氨的CO2捕集技术,并将使其用于燃煤电厂推向商业化。这种后燃烧CO2捕集工艺适用于改造现有的燃煤发电机组和新建的燃煤电厂。ECO2捕集工艺与Powerspan公司的电催化氧化技术组合在一起,使用氨水吸收大量二氧化硫(SO2)、氮氧化合物(NOx)和汞。CO2加工步骤设置在ECO的SO2、NOx和汞脱除步骤的下游。根据美国国家能源技术实验室(NETL)等对使用含水的氨吸收CO2进行的研究表明,传统的单乙醇胺(MEA)工艺用于CO2脱除,CO2负荷能力(吸收每kgCO2/ks吸收剂)低,有高的设备腐蚀率,胺类会被其他烟气成分降解,同时吸收剂再生时能耗高。比较而言,氨水加工有较高的负荷能力,无腐蚀问题,在烟气环境下不会降解,可使吸收剂补充量减少到最小,再生所需能量很少,而且成本大大低于MEA。尤其是,NETL采用Powerspan公司开发的氨水工艺与常规胺类相比,有4大优点:(1)蒸汽负荷小(500Btu/磅被捕集的CO2);(2)产生较浓缩的CO2携带物;(3)较低的化学品成本;(4)产生可供销售的副产物实现多污染物控制。在该ECO2工艺中,CO2通过用AA洗涤从烟气中被捕集,AA通过形成二碳酸铵盐吸收CO2。得到的NH4HCO3溶液可被热法再生,释放出CO2和NH3。NH3被分离并返回洗涤器。得到浓缩的CO2物流尤其适用于回收。脱除CO2在捕集SO2和NOx的下游进行。捕集SO2和NOx也用AA洗涤,采用Powerspan公司的ECO技术。ECO2工艺的中试于2007年在美国俄亥俄州Shadyside的FirstEnergy公司Burger工厂进行。该中试装置将处理来自电厂排出的1MW当量(约2000立方英尺/分钟)CO2(20吨/天)。在实验室试验中,ECO2工艺在工业化吸收剂条件下,可去除90%CO2。按照能源部的经济性分析,对于新的燃用粉煤电厂(采用超临界蒸汽循环),CO2捕集率为90%,采用常规污染控制系统和MEA时,脱除每吨CO2成本为47美元,需电力7.6kW·h。而采用基于AA的CO2捕集ECO2系统成本约为14美元,需电力5.5kW·h。Powerspan公司的ECO2技术可成为CO2后燃烧捕集最有前途的解决方案。FirstEnergy公司与当地碳封存合作伴伴合作进行该项目封存试验。ECO2技术的中型规模试验预期于2008年初在FirstEnergy公司美国俄亥俄州Shadyside的R.E.Burger燃煤电厂中进行。该ECO2中型装置将从50MWBurgerECO装置中处理1MW的侧线气流(20tCO2/d)。该工厂在2007年初已在Burger工厂就地钻探了8000英尺试验井,用于就地封存CO2。该中型设施将是常规燃煤电厂验证CO2捕集和封存的第一次设施。据测算,与已商业化应用的基于胺类的CO2捕集技术相比,基于氨的CO2捕集技术在成本上可望大大节约。法国Alstom公司推出先进的吸收剂后燃烧CO2捕集(制冷氨)工艺。制冷氨工艺是用于后燃烧捕集而开发的几种新工艺之一,它使烟气冷却,回收大量水用于循环,然后按照减少二氧化硫排放的系统所用吸收器相似的方法,利用CO2吸收器。在洁净烟气中剩余的低浓度氨用冷水洗涤加以捕集,并返回吸收器。CO2然后被压缩用于提高石油采收率或贮存。该技术将在现有燃煤电厂改造和新设计中应用。Alstom公司现已采用制冷氨系统用于5MW的中型项目中。Alstom开发的CO2捕集技术将为减少使全球变暖的温室气体排放作出贡献,该技术可为电力工业减少碳排放起重要作用。2007年3月,美国电力公司(AEP)和法国Alstom公司签署的协议,将使Alstom公司先进的吸收剂后燃烧CO2捕集(制冷氨)工艺于2011年达到全商业化规模应用。2011年实现商业化规模200MW。这将是验证后燃烧碳捕集的重要步骤。设置在瑞典南部Karlshamn电厂的CO2捕集装置,采用Alstom公司基于制冷氨的技术,该装置于2008年投运。待完成技术评价后,该公司将计划使该技术应用到瑞典其他的电厂。2007年6月,Alstom公司为转让其基于制冷的CO2捕集技术签署了两项合同,一是转让给E.ON公司在瑞典的电厂,另一转让给Statoil公司在挪威的Mongstad炼油厂。美国电力公司(AEP)和SemGroup旗下的SemGreen公司于2007年10月中旬签署协议,将通过已计划推向商业规模应用的捕集系统使阿克拉何马州东北燃煤电厂进行CO2捕集,采用Alstom技术。AEP和SemGreen公司将在阿克拉何马电厂捕集CO2,通过管道运送给SemGreen公司,由SemGreen公司提供技术,然后对CO2进行利用,或由SemGreen公司出售用于提高石油采收率。Alstom技术还将在美国西弗吉尼亚州NewHaven的AEP公司1300MW电厂应用,从装置烟气侧线捕集CO2,烟气侧线相当于发电量20~30MW。Alstom制冷氨系统预计可捕集10万~20万吨/年CO2,将注入当地盐水深层进行地质贮存。CO2吸附技术近年来工业级和食品级CO2的标准要求越来越高,而通常采用的溶剂吸收法、变压吸附法、有机膜分离法和催化燃烧法等回收的CO2产品无法达到食品级标准要求,在工业领域的应用也受到限制。大连理工大学立足于CO2回收、精制技术,成功开发出吸附精馏法回收CO2新工艺,并推广应用到生产过程中,用于将化工企业生产过程中排放的二氧化碳气回收提纯。该工艺的关键技术达到国际先进水平,开发的烯烃吸附剂和工艺优化技术为国际首创。该技术采用特殊配方制成的固体复合吸附剂,有针对性地把CO2中的重组分杂质分步吸附除
本文标题:CO2回收和捕集技术新进展
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