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1、脱碳,第一节 概述第二节 燃煤电厂脱碳第三节 化学吸收法脱碳,碳捕集与封存(CCS)技术,碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，简称CCS）在全球各地受到了广泛重视。国际能源署研究表明，到2050年将温室气体浓度限制在450 ppm的所有减排技术中，仅CCS就需贡献20%。当前，包括I E A(国际能源机构 )在内的全球主要能源研究机构和主要碳减排积极倡导组织和国家已经一致将C C S技术作为未来的主要碳减排技术。,发电和油气生产是CCS应用的两个主要领域 发电领域应用CCS的技术途径主要有两条：一是燃烧前捕集CO2；二是燃烧后捕集CO2。在天然气生产过程中分离C
2、O2不仅十分必要，还可以回注到地下来提高石油与天然气的产量。 全球大多数CCS项目目前还在规划研究阶段全球对CCS项目的示范与规划正在不断升温,1 全球CCS技术进展,全球对CCS项目的示范与规划正在不断升温,美国、日本、加拿大、英国、德国、法国、意大利等主要发达国家都在研究建设C C S示范项目澳大利亚、印尼、墨西哥、沙特阿拉伯，都在考虑建设CCS示范项目B P、壳牌等许多大型国际石油公司都成立了专门的业务机构。我国华能、中石油、神华、中国绿色煤电、新奥等公司都在开展CCS项目研究工作。华能年捕集3000 t CO2的高碑店项目已于2008年投产。而国内最大的两个项目神华集团马家塔煤碳直接液
3、化项目年捕集与封存100万t CO2计划和中国绿色煤电有限公司准备在天津建设的2 5 0 M WIGCC加CCS项目。煤气化联合循环,2 目前面临的主要问题,仍缺少CO2捕集、净化、运输、封存一体化的商业性示范项目 难以接受CCS所引起的高昂成本 按照现有项目估算，CCS项目的商业化运行成本是每吨CO2约70美元左右。 CCS将降低发电效率并增加能耗 生产同一度电需要多消耗能源约20%25%左右。,还未找到可行的独立运营商务模式封存涉及一系列复杂的具体问题 CO2驱油还不是CO2永久封存技术 缺少一个明确的政策与法律框架全球公众当前对CCS技术难以接受 将CCS纳入CDM机制存在难度 CDM：
4、清洁发展机制,CDM是发展中的国家参与环保的一种新型国际合作机制。该机制是发达国家通过提供资金和技术援助，来换得在发展中国家境内实施温室气体减排项目的经核证的CO2减排量（CERS），该CERS可抵消发达国家在本国的CO2减排量。由于发达国家在本国减排CO2成本比在发展中国家高出520倍，因此发达国家愿意以资金援助与技术转让的方式在没有减排责任（义务）的发展中国家实施减排项目。,第二节 燃煤电厂脱碳,在电厂主要有3种不同的捕集技术路线，即：燃烧前脱碳 整体煤气化联合循环(Integrated GasificationCombined Cycle，IGCC)发电技术富氧燃烧技术(燃烧中捕集)燃烧
5、后脱碳,一、IGCC技术,是将煤气化技术与高效的联合循环有机结合的先进动力系统。如图所示，它由两大部分组成，即煤的气化与煤气净化系统部分和燃气蒸汽联合循环发电系统部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气冷却净化系统；第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、汽轮机发电系统。,一、IGCC技术,IGCC的工艺流程如下：煤经过气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，成为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室中燃烧，加热燃气工质以驱动燃气透平做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动汽轮机做功。IGCC联合循环动力岛较常规的联合循环系统
6、工质和能量的交换与转换利用更为复杂。,气化炉气化炉是IGCC系统的关键设备之一，在煤气化过程中，部分碳在燃烧区的氧化气氛下燃烧，产生的高温用来切断煤中高分子化学键，使其与气化剂反应，生成含有CO、H2、CH4等可燃气体的合成煤气。当气化剂是氧气时生成中热值煤气；当气化剂是空气时，因其含有大N2，生成低热值煤气。目前，普遍看好的气化炉主要是以氧气为气化剂的喷流床气化炉。,煤炭气化包含一系列物理、化学变化。一般包括干燥、热解(挥发份析出)、气化燃烧三个阶段。干燥属于物理变化，随着温度的升高，煤中的水分受热蒸发；其他属于化学变化，煤在气化炉中干燥以后，随着温度的进一步升高，煤分子发生热分解反应，生成
7、大量挥发性物质（CO2+CO+H2+CH4+NH3+H2S+焦油+焦等），同时煤粘结成半焦；煤热解后形成的半焦在更高的温度下与通入气化炉的气化剂发生化学反应，生成以一氧化碳、氢气、甲烷及二氧化碳、氮气、硫化氢、水等为主要成分的气态产物，即粗煤气。气化反应包括很多的化学反应，主要是碳、水、氧、氢、一氧化碳、二氧化碳相互间的反应，其中碳与氧的反应又称燃烧反应，提供气化过程的热量。,煤气化主要反应,碳与水蒸汽的反应：C+H2OCO+H2；C+2H2OCO2+2H2碳与二氧化碳的反应：C+ CO22CO甲烷生成反应：C+2H2CH4；CO+3H2CH4+H2O；CO2+4H2CH4+2H2O；变换反应
8、：CO+H2OCO2+H2完全燃烧反应： C+O2CO2此外气化过程中还会发生一些微量成份的化学反应，生成H2S、COS、NH3等有害物质。,煤气的净化设备原煤中所含的相当一部分灰分、硫分、氮分以及碱金属盐和卤化物等都转移到粗煤气中，这些有害物质若未除尽，不仅会导致燃气透平的腐蚀、磨蚀和结垢，影响其使用寿命和工作可靠性，还会影响周围环境，同样会造成因烧煤而带来的污染问题。目前，在IGCC中使用的粗煤气净化系统有“常温湿法的净化系统”和“高温干法的净化系统”。当前所应用的气体净化系统以湿法除尘常温脱硫的净化技术较为成熟。,一般氧气浓度小于40%、富氧空气流量小时膜法更为经济；而变压吸附法在中等氧
9、浓度(60%93% )和中小规模范围内较经济；深冷法则在高氧浓度和较大规模情况下使用。,IGCC控制污染物排放的特点和优势：IGCC通过煤炭气化和煤气净化，使炭变为洁净煤气，再到燃气轮机中燃烧做功，相当于常规锅炉的燃烧前处理。一般来说，燃烧前处理要比燃烧中、燃烧后处理更合理、更经济；IGCC中处理的对象主要是粗煤气。在相同条件下,煤气的流量只是烟气的1/10量级，而且煤气在更高压力下污染物的浓度高，因而可以用更小的代价脱除更多的污染；煤炭气化与燃烧有很大不同，特别是在气化的还原性气氛下，煤中的硫分主要变成H2S，它比SO2的脱除要容易得多；由于采用联合循环，高效节水，热污染少，同时由于效率高，
10、污染物排放相应减少；由于采用气化工艺，可以同化工技术相结合，不仅可以实现多联产，而且对分离利用CO2也提供了一个比较现实的途径。,二、富氧燃烧技术,用比通常空气(含氧21% ) 含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，称为富氧燃烧。燃料在氧气和二氧化碳混合气体中的燃烧，能大幅度地提高燃烧产物中的CO2浓度，将会使分离和捕集CO2的工艺相对简单且成本降低，同时可以大幅度减少甚至消除燃煤产生的其他污染物的排放。,大量的研究表明，燃烧介质和温度对SO2的排放没有明显的影响。O2/CO2气氛有利于飞灰固硫，对于富含CaO的煤种，固硫作用更明显。这是O2/CO2气氛下SO2排放量较空气气氛有所减小的重要原因之一；
11、高浓度CO2下SO2排放量较低，另一种含硫有害污染物COS浓度相应升高。对于C，O，S的气态物质部分反应方程式可描述如下：C+CO22CO (1)2CO+SO2CO2+S (2)CO+SCOS (3)SO2+2COS2CO2+3/2S2 (4),三、燃烧后脱碳-烟气脱碳,吸收法吸附法低温蒸馏法膜分离法等,吸附法,吸附法可分为变压吸附法（PSA法）和变温吸附法（TSA法）。PSA法是基于固态吸附剂对原料气中的CO2有选择性吸附作用，高压时吸附量较大，降压后被解吸出来而进行的。TSA法则是通过改变吸附剂的温度来吸附和解吸CO2。通常工业上较多采用变压吸附法。,低温蒸馏法,低温蒸馏法是利用CO2与其
12、它气体组分沸点的差异，通过低温液化，然后蒸馏来实现CO2与其它气体的分离。该方法设备庞大、能耗较高、分离效果较差，因而成本较高，目前尚处于理论研究阶段。,膜分离法,膜分离法是基于混合气体中CO2与其它组分透过膜材料的速度不同而实现CO2与其它组分的分离。该方法投资低、能耗低、操作方便，是发展迅速的节能型气体分离技术。其缺点是提取的CO2纯度不高，为了得到纯度较高的CO2气体，可与溶剂吸附法结合起来应用，前者作粗分离，后者作精分离。,化学吸收法,化学吸收法分离脱除烟气中的CO2时，常有的吸收剂有醇胺溶液、强碱溶液、热苛性钾溶液等。目前应用广泛的是醇胺吸收剂，即一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA
13、)、甲基二乙醇胺(MDEA)和2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)一、胺化学吸收法分离回收烟气中CO2工艺,脱碳抽气点选在FGD和冷却塔之间管道上,典型的化学吸收法分离脱除烟气CO2的工艺流程：经过除尘、脱硫等处理后的烟气经初步冷却和增压后，从吸收塔下部进入，在塔内与由塔顶喷射的吸收剂溶液逆相接触。烟气中的CO2与吸收剂发生化学反应而形成弱联结化合物，脱除了CO2的烟气从吸收塔上部被排出吸收塔。而吸收了CO2的吸收剂富CO2吸收液（简称富液）经富液泵抽离吸收塔，在贫富液热交换器中与贫CO2吸收液（简称贫液）进行热交换后，被送入再生塔中解吸再生。富液中结合的CO2在热的作用下被释放，释放的CO
14、2气流经过冷凝和干燥后进行压缩，以便于输送和储存。再生塔底的贫液在贫液泵作用下，经过贫富液换热器换热、贫液冷却器冷却到所需的温度，从吸收塔顶喷入，进行下一次的吸收。,从除尘、脱硫后引来的烟气温度约为4050，正好处于MEA理想吸收温度。在一般情况下，经过除尘、脱硫处理的烟气通过鼓风机加压后直接进入吸收塔进行CO2的吸收。鼓风机增压用来克服在气体通过吸收塔时所产生的压降。当工况波动使出现烟气温度超温时，启动设置在吸收塔前喷水减温装置，将其温度降到50以下。在吸收塔中，烟气自下向上流动，与从上部入塔的吸收液形成逆流接触，使CO2得到脱除。净化后的烟气从塔顶排出。由于MEA具有较高的蒸汽压，为减少M
15、EA蒸汽随烟气带出而造成吸收液损失，通常将吸收塔分成两段，下段进行酸气吸收，上段通过水洗，降低烟气中的MEA蒸汽含量。洗涤水循环利用，为防止洗涤水中MEA富集，需要将一部分洗涤水并入富液中送去再生塔进行再生，损失的洗涤水通过补给水来保持。,吸收了酸气的吸收液（富液）通过富液泵加压送至再生塔。为减少富液再生时蒸汽的消耗量，利用再生塔出来的CO2与蒸汽混合物和再生后的吸收溶液的余热对富液进行加热，同时也达到冷却CO2和再生溶液的目的。富液从再生塔的上部入塔向下流动，从塔的下部上升的热蒸汽既加热了吸收溶液，又汽提出溶液中的酸气（因此也常将再生塔成为汽提塔）。吸收液到达再生塔下部时所吸收的酸气已解吸出
16、绝大部分，此时可称为半贫液。半贫液进入再沸器内进一步解吸，残余的酸气分离出来，吸收液变为贫液。出再沸器的贫液回流至再生塔底部缓冲后从底部流出，经贫富液换热器回收热量，然后经贫液泵加压进入冷却器，在冷却器中冷却至适当温度进入吸收塔，从而完成溶液的循环。,从塔顶出来的酸气蒸汽混合物先后与富液换热和冷却器冷却，使其中的水蒸气大部分冷凝下来，此冷凝水进入分离器、地下槽，并送入再生塔。分离出CO2气体进入后续的压缩处理程序。为维持吸收液的清洁，在贫液冷却器后设立旁路过滤器，脱除吸收液中的铁锈等固体杂质。由于SO2、NOx等气体与MEA反应生成不能再生的化合物，净化后的烟气也会带走部分MEA蒸汽，因此，在
17、工艺过程中设置MEA贮罐，通过吸收剂补充泵进行补充。,二、工艺原理及特点,根据理论分析，MEA与二氧化碳反应生成比较稳定的氨基甲酸盐，在再生过程中需要较多的能量才能分解，导致再生能耗较大。同时氨基甲酸盐对设备的腐蚀性较强,又易形成水垢。MEA与二氧化碳的反应式如下：,因为MEA与二氧化碳反应生成比较稳定的氨基甲酸盐，反应（2）比反应（1）要快得多，所以总反应式可以写为：,在回收二氧化碳过程中，MEA易与氧气、二氧化碳、硫化物等发生化学降解，也易发生热降解，而引起MEA降解损耗增大的主要原因是氧气与MEA的氧化降解反应。MEA与氧气的降解中间产物主要为过氧化物，最终产物为氨基乙酸等，与二氧化碳的降解产物主要有恶唑烷酮类等。为减少MEA溶剂的降解，需要在吸收液中加入抗氧化剂，抑制过氧化物的形成，中断降解反应链的发生，控制了降解产物有机酸的生成。传统的MEA法回收低分压二氧化碳存在设备腐蚀严重的技术问题。MEA法造成设备腐蚀严重的主要原因是由MEA与二氧化碳反应生成的氨基甲酸盐及MEA的化学降解产物所引起。首先加入抗氧化剂和活性胺解决了MEA的化学降解，然后加入防腐剂配入复合胺溶液中，使溶液对设备的腐蚀速率小于0.1mm/a。,
