····工程14（2022）22工程成就15万t/a燃煤电厂燃烧后碳捕集与封存崔清茹a，赵瑞a，王天坤b，张帅a，黄燕c，顾永正b，徐东aaCHN能源新能源技术研究院有限公司，有限公司、邮编：100025b广东电力发展有限公司，有限公司、邮编：100101cCHN Energy Jinjie Energy Co.，有限公司、中国玉林7180011. 介绍气候变化是当今世界面临的最严峻挑战之一。目前，中国二氧化碳年排放量超过100亿吨，居世界首位。尽管煤炭为中国的经济发展提供了动力，但煤炭的使用对中国实现碳排放峰值和实现碳中和的预期目标提出了巨大挑战。在此背景下，煤炭的低碳利用是未来发展的必然趋势。探索新的途径，大规模减少煤炭利用过程中的CO2排放，特别是燃煤发电过程中的CO2排放，是中国实现碳中和的关键。碳捕集、利用和封存（CCUS）是将CO2从排放源中分离出来，然后直接利用或储存以减少CO2排放的技术过程[1，2]。CCUS是迄今为止唯一主要的碳捕集技术可以分为三类：燃烧前捕集、燃烧中捕集（即，富氧燃烧）和燃烧后捕获。与前两类捕集技术相比，燃烧后捕集技术具有捕集效率高、适应性强、应用范围广、技术成熟等优点，是目前大规模CO2捕集的重要途径燃烧后CO2捕获技术称为化学吸收法，包括使用碱性胺基吸收剂从烟道气中吸收和分离CO2该方法具有烟气适应性好、捕集效率高、技术相对成熟等优点，是一条有潜力的大规模CO2捕集技术路线[3]。加拿大边界大坝项目是每年100万吨的燃煤电厂碳捕集与封存（CCS）示范项目（2014年投产），采用SO2从该过程中获得的高浓度CO2用于位于70 km外的油田的驱油。其捕集成本约为每吨CO2（tCO-21）105美元. 美国的PetraNova项目（2017年投产），设计碳捕集能力为每年140万吨，采用化学吸收法。产生的高浓度CO2用于驱油，其捕集成本约为55-60 USD tC O - 2 1。后一项目于二零一九年新型冠状病毒病（COVID-19）疫情期间关闭;此外，由于整体营运成本高昂，难以大规模推广该项目。中国2. 概述加速CCUS技术商业化推广应用的关键是不断降低CO2捕集能耗。如何控制和减少碳排放已成为制约燃煤发电、阻碍电力工业可持续发展的瓶颈之一[4]。针对燃煤电厂烟气流量大、成分复杂、CO2分压低、烟气中含有SO2、NOx等酸性气体的特点，本着高效、低能耗、低成本的碳捕集设计理念，开展了燃煤电厂二次燃烧CCS技术优化的创新性研究因此，150 000 t a-1燃煤电厂PCCSD项目得以建成（如图所示）。 1），这是迄今为止中国最大的燃煤电厂燃烧后CO2捕集，提高石油采收率（EOR）和封存全过程示范项目。位于CHN Energy Jinjie Energy Co.的场地，PCCSD项目在50%-https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.04.0062095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engQ.奎河，巴西-地Zhao，T.Wang等人工程14（2022）2223图1.一、15万t·a-1PCCSD工程概况600 MW亚临界1号机组。是中国能源投资集团有限公司建设的重大项目型汽车减排示范项目，有限公司、与国内相关企业、高校、科研院所等合作，以产学研合作模式PCCSD项目于2016年启动，经过方案研究、技术条件编制、台架试验验证、新设备研发、技术包开发、示范工程建设等工作，目前95%的自主研发设备已配置完毕。针对燃煤电厂烟气的特点，开发了一套完整的低能耗CCS系统。并结合当地实际情况，从CO2捕集、运输、销售、利用到封存/EOR的整个产业链进行了全面的整体分析，为大型火电厂制定了综合性的碳减排方案。3. 工程技术3.1. 综合高效节能技术针对烟气中CO2浓度低、总量大、湿度高、成分复杂的特点，提出了一种高PCCSD项目创新性地开发了一种高效节能的中间冷却、分段解吸、机械蒸汽再压缩（MVR）闪蒸技术（如图2所示）。其目的是同时提高整个系统在吸收、再生和节能三个方面的技术和经济效率，以获得低能耗和高成本效益的系统。吸收塔内的中间冷却过程充分考虑了吸收剂的最佳吸收温度它控制了吸收器内的汽提塔内的分流脱附过程通过能量匹配和梯度利用，确定合适的分流比例，从而降低再生能耗。热贫胺蒸汽通过MVR真空闪蒸回收通过集成技术进一步耦合燃煤电厂的应用场景，从而实现集约化节能。充分利用整套CCS系统再生气和电厂余热，有效降低系统再生能耗。在这种新型低能耗吸收剂和节能技术的共同作用下，与单乙醇胺吸收系统相比，能耗可降低40%，形成了适合我国燃煤电厂的高效、低能耗CO2捕集新技术体系。烟气脱硫采用1#机组。晋捷能源1家，从出口烟道中提取;然后进入洗涤器进行洗涤、冷却和深度脱硫。接下来，它流到吸收器，在吸收器中应用中间冷却技术。吸收烟气中的CO2后，新的吸收剂变成富胺，并从吸收塔底部以两股流流出。 一股气流首先进入换热器进行热回收，然后流入解吸塔;另一股气流直接进入解吸塔，在再沸器的加热作用下，CO2被解吸。然后第二物流变成贫胺物流，从解吸塔的底部流出并进入闪蒸罐进行闪蒸。解吸的CO2通过气液分离器，在纯度大于99.5%（干气）的气态CO2中，图二. 捕集装置采用的高效节能技术。Q.奎河，巴西-地Zhao，T.Wang等人工程14（2022）2224然后进入随后的部分，例如用于进一步处理的压缩。压缩机出口处的CO2压力为2.5 MPa（表压），温度为40 °C。压缩后的CO2进入净化塔进行脱水干燥.干燥后的CO2进入CO2冷凝器和过冷器进行液化并冷却至-20 °C以下。在完全液化后，CO2被送到CO2罐储存.3.2. 新的吸收剂和回收新型有机复合胺基吸收剂已在PCCSD项目中得到应用。与传统的MEA基吸收剂相比，这种新型吸收剂将多胺-胺与空间位阻胺结合，形成具有大吸收容量的复合胺（如图3所示）。通过分子设计和功能基团匹配，保证了复合胺的吸收容量、解吸效果和操作稳定性吸收剂的挥发特性直接影响运行成本，通过吸收剂的复配和精细调节，可以实现吸收剂的低损耗运行少量的外来气体（例如，燃煤烟气中的氮氧化物（NOx、SOx和O2）会与有机胺反应，长期运行会导致胺溶液中热稳定盐（HSS）的形成和富集，进而导致溶液吸收能力因此，胺溶液中的HSS水平被控制在低于胺浓度的3%，以使系统有效运行。3.3. 研究和开发完整的CCS系统开发了由塔、换热器、动力设备、压缩和除湿装置、干燥和净化装置组成的完整CCS系统，并成功应用于我国目前最大的燃煤电厂PCCSD项目，实现了低浓度CO2的高效捕集，获得纯度高达99.97%的液态CO2。针对燃煤电厂的特点，以及上下游环节的情况，对整个碳捕集系统的性能进行了优化。3.3.1. 高效色谱柱考虑到实际情况下燃煤烟气中CO2的浓度和分压较低，因此使用了特殊类型的分离元件和内件最后，一个三柱装置包括一个新的高效洗涤器，吸收器，汽提器适用于燃煤烟气中的碳捕集成功开发。该塔提供规整填料、支撑板、支撑梁、初始液体分布器、液体收集器、两级液体再分布器和气体分布器。分离塔采用高效内件，在塔内建立均匀分布系统，增加首次将改性聚丙烯塑料填料应用于该色谱柱中。通过化学改性提高了塑料填料的吸附能力和亲水性。在保证立柱使用要求的同时，降低了柱体总重量和总投资。通过回收再分配设计，提高了化学吸收溶剂的吸收效率和大型装置的运行稳定性，降低了能耗和溶剂损失。3.3.2. 节能换热器针对化工吸收系统低品位热量难以利用的问题，自主开发了一种高效、低端差的全焊接板式换热器。该换热器由换热板、上盖板、下盖板、折流板、密封垫、支架等组成，形成错流通道（如图5所示），具有结构紧凑、拆装快捷、安装空间小、安装方法灵活等特点。板式换热器以其传热面积大、传热效果好等优点在化工行业中得到了广泛的应用。与传统的管式换热器相比，板式换热器可有效降低换热端差，平均降低10 ℃，整体热回收效率提高0.5%，换热器材料消耗降低约50%。新的降膜再沸器的应用（如图6所示）有助于减轻吸收剂的热降解图3.第三章。15万t·a-1捕集装置能耗变化PCCSD项目。见图4。 塔的内部结构和主要内件。Q.奎河，巴西-地Zhao，T.Wang等人工程14（2022）2225停留时间短，由于传热系数大，在内部完成蒸发过程，不需要气液分离的空间。该再沸器操作灵活，单程蒸发强度大，在50%流量负荷下仍能保持较高的传热系数。该设备结构紧凑，一次蒸发量高达30%，比传统的卧式再沸器效率更高。图五.该换热器结构具有高效率和低端差。见图6。 管式降膜再沸器的结构。3.3.3. 压缩机PCCSD项目采用了迄今为止最大的单排柔性螺杆式CO2压缩机 在充分考虑CO2工质热特性和碳捕集示范工程运行条件的基础上，开发了非对称电弧型线（如图1所示）。（见第7（a）段）。5：7齿轮已被用于CO2剖面。内外转子直径相等，具有高承载能力，适用于CO2压差较大的工况。 低压和高压级的可用性有助于提高阴转子的承载能力，并解决CO2压缩机在涉及大压差的操作条件下转子的刚性问题。该压缩机具有接触线短、传动平稳、密封性能好、效率高等特点，有助于提高与自然工质相关的采用滑阀调节，可在15%-100%范围内调节因此，两排50%压缩机的配置（如图所示）。 7（b））确保节能、高效、灵活和稳定的系统。3.3.4. 干燥系统PCCSD项目采用闭路循环脱水等压干燥系统（见图8）。干燥系统外供再生气循环使用，无蒸汽排放，大大降低了蒸汽消耗。干燥系统执行气态CO2的干燥和脱水、干燥剂的热再生和干燥剂的冷却。经过系统优化和程序化控制，干燥机组可实现在线干燥和在线再生以及通过变温吸附（TSA）实现连续稳定运行。干燥单元采用先进的智能控制，自动化程度高，可检测流量、温度和压力。在选用材料、确定结构、设计仪表的电气安全性时，充分考虑了CO2的特性3.4. 建立二氧化碳捕集、运输、封存-提高采收率-利用的完整链条PCCSD项目实现了燃煤电厂碳捕集、碳运销、碳利用、提高采收率的全链条运营一辆20吨的油罐车用于运输。所有捕获的二氧化碳都被用于图7.第一次会议。两级螺杆式压缩机和调节能力。（a）调节能力;（b）两级压缩机。Q.奎河，巴西-地Zhao，T.Wang等人工程14（2022）2226·····见图8。 封闭循环干燥系统。结合我国CO2市场的实际情况，提出了三种途径。首先，它用于位于约200-300公里外的油田的EOR。其次，它用于在化学工业中制备小苏打（碳酸氢钠），在位于约200公里外的工厂。第三，它用于制备高价值化学品（例如，碳酸二甲酯和丙二醇）在约50公里远的运输距离处。由于直接受运输距离的影响，生产CO2的成本大致为0.1CNY千分之一吨二氧化碳1和的捕获成本是约250-280 CNY tCO - 2 1. 运输费用约为200CNYtCO-21，充分考虑到距离利用终端。因此，如果销售价格大于450- 480 CNY· tC O - 2 1，则PCCSD项目是可持续的。 因此，在CCS装置范围内建立CO2全链条的回收方法，将促进良性循环的形成。围绕CO2捕集装置区域进一步规划全链条CO2循环利用的产业布局，是CCUS产业未来发展需要考虑的系统性问题4. 结论15万t/a燃煤电厂PCCSD项目采用新一代低能耗的化学吸收式CO2捕集技术，捕集效率高，运行可靠，为燃煤电厂大规模CO2减排提供了技术支持。CCS装置由于其先进的技术、可靠性和低能耗而消费，使其成为行业的先驱和典范。CCS装置专为燃煤电厂减碳量身定制，基于独特的技术路径和完整的CCUS系统，为大规模碳捕集提供系统化解决方案在CCS装置新技术、新设备的研究和应用、未来CCS装置的智能控制、燃煤电厂一体化设计、全面低能耗运行等方面，都需要进一步努力。降低燃煤机组运行成本的有效措施是最大限度地降低吸收剂损失。建立大规模的碳循环体系是未来碳中和的重要课题。随着示范项目的持续进行，燃煤电厂碳减排的重点将转移到CO2的运输、利用和储存上。由于二氧化碳的运输距离与成本密切相关，因此需要探索涉及短距离利用甚至本地利用的方法，以实现更具成本效益的碳循环。进一步推进CO2资源化、能源化利用，与化工、建材、生物固碳等行业合作，探索形成与CO2捕集规模相适应的多渠道、多产品、多形式的利用致谢我们衷心感谢国家重点研发计划（2017YFB0603305）的资助。引用[1] GaoW，Liang S，Wang R，Jiang Q，Zhang Yu，Zheng Q，et al. 工业二氧化碳捕获和利用：技术现状和未来挑战。 Chem SocRev 2020;49（23）：8584-686。[2] EideLI，Batum M，Dixon T，Elamin Z，Graue A，Hagen S，et al. 利用海上二氧化碳（CO2）基础设施开发实现大规模碳捕获、利用和储存（CCUS）。能源2019;12（10）：1945。[3] DuméeL，Scholes C，Stevens G，Kentish S. 用于燃烧后CO2捕集的胺水溶剂的纯化：综述。Int J Greenhouse Gas Control2012;10：443-55.[4] 张X。碳中和目标下CCUS在中国的应用前景。中国可持续发展论坛2020;12：22-4.中文.
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