燃煤電廠萬噸級碳捕集工程設(shè)計與運行優(yōu)化研究分析

大氣網(wǎng)訊:摘要：為驗證碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)在燃煤機組中的實際應(yīng)用效果,在某電廠設(shè)計和建設(shè)了1套萬噸級有機胺法碳捕集示范工程。通過技術(shù)比選,選定了有機胺吸收和壓縮精制技術(shù)路線,并對工藝系統(tǒng)和主要設(shè)備選型進行了討論。示范裝置投運后,通過長時間運行試驗,獲得了吸收劑流量、煙氣量、再生溫度等因素對系統(tǒng)碳捕集效率、碳捕集量、蒸汽用量和電耗的影響規(guī)律,利用分析結(jié)果對碳捕集系統(tǒng)進行了運行優(yōu)化,獲得了最佳運行參數(shù)。結(jié)果表明,本裝置在煙氣流量6 000~7 000 m3/h,吸收劑循環(huán)流量3 400~3 700 kg/h,再生溫度108.5~109.0 ℃時運行性能最好,其碳捕集效率可達90%,碳捕集量可達1.39 t/h,平均電耗為312 （kW·h）/t CO2,平均再生熱耗為3.07 GJ/t CO2,能耗較傳統(tǒng)30%單乙醇胺（MEA）吸收系統(tǒng)降低23%左右。最后探討了碳捕集裝置運行成本及其構(gòu)成。研究結(jié)果可以為同類碳捕集裝置的系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型及運行研究提供較為翔實的參考數(shù)據(jù)。

0 引言

近年來,氣候變化成為公眾關(guān)注的焦點問題。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會2018年發(fā)布《IPCC全球升溫1.5 ℃特別報告》表明人類活動帶來的溫室氣體大量排放已經(jīng)造成了全球氣溫較工業(yè)革命之前上升約1 ℃,若不加控制全球平均氣溫將在2030 —2052年提高1.5 ℃,這將給全球生態(tài)系統(tǒng)帶來不可逆的重大影響[1]。在溫室氣體中CO2占比高達60%,因此進行CO2減排是控制溫室效應(yīng)最有效的手段,碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)是實現(xiàn)CO2減排的主要途徑。CO2主要來自化石燃料的燃燒,當前全球85%的能源需要由化石燃料提供[2]。我國隨著工業(yè)化進展的加快,已經(jīng)超越美國成為全球碳排放第一大國。2019年全球碳排放401億t,我國碳排放量超過100億t,中電聯(lián)《中國煤電清潔發(fā)展報告》（2016）指出我國電力行業(yè)碳排放占全國能源消耗產(chǎn)生碳排放總量的40%左右,全國單位火電碳排放強度約為822 g/（kW·h）[3]。2020年9月在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上,我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”?！半p碳”目標的提出對電力行業(yè)碳減排提出了更高的要求,這將導致我國能源結(jié)構(gòu)的大幅調(diào)整。目前煤炭約占我國能源消費的58%,研究表明到2050年化石能源占比將下降至10%~15%,CCUS將是目前實現(xiàn)該部分化石能源凈零排放的唯一技術(shù)選擇,是碳中和目標下保持電力系統(tǒng)靈活性的主要手段[4,5]。

當前碳捕集技術(shù)總體仍處于研發(fā)和示范階段,主要問題是投資和運行成本過高,長期地質(zhì)封存的安全性和可靠性有待驗證等。歐美等發(fā)達國家率先進行了CCUS技術(shù)研究,尤其是美國和加拿大已嘗試開展大型CCUS工程示范[6]。我國碳捕集技術(shù)研究起步雖晚但進展較快,目前已建成十幾個小規(guī)模碳捕集示范工程,多屬于石化、化工和建材行業(yè),發(fā)電行業(yè)較少[7]。

由于煤電機組排煙體積流量大、煙氣中二氧化碳分壓低、煙氣成分復雜等原因,其碳捕集難度大、成本高[8]。目前,限制煤電機組碳捕集大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其高昂的投資和運行成本[9]。本文針對燃煤電廠排煙,開展了萬噸級碳捕集示范工程設(shè)計及運行優(yōu)化研究,以盡量降低其投資和運行費用。

1 工藝路線論證

1.1 碳捕集技術(shù)分類

碳捕集技術(shù)可分為以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）為代表的燃燒前捕集、以富氧燃燒為代表的燃燒中捕集和以化學吸收法為代表的燃燒后捕集3種[10]。燃燒前捕集主要運用于IGCC系統(tǒng)中,該技術(shù)捕集系統(tǒng)小、能耗低,然而其投資成本太高且可靠性還有待提高,富氧燃燒面臨的最大難題是制氧技術(shù)投資大、整體能耗高[11],這2種技術(shù)均僅適用于新建鍋爐,而我國燃煤發(fā)電機組已基本飽和,此2種技術(shù)實施機會較小。

燃燒后捕集即在燃燒排放的煙氣中捕集CO2,該技術(shù)對鍋爐燃燒及發(fā)電主系統(tǒng)沒有影響,既適用于新建機組也適用于老機組改造,應(yīng)用范圍廣闊。燃燒后捕集也有多種,主要為溶劑吸收法、吸附法、膜分離法、生物法等[12,13,14,15,16,17]。其中,吸附法適用于原料氣中CO2分壓較高或溫度較高且宜于進行壓力或溫度變換的場合,膜分離法和生物法目前處于試驗階段,技術(shù)尚不成熟。相較而言,化學溶劑吸收法已在化工行業(yè)應(yīng)用幾十年,技術(shù)最為成熟,應(yīng)用也最為廣泛。在化學吸收法中,有機胺由于具有較高的二氧化碳分離能力和較低的蒸發(fā)壓,且成本低廉,可以循環(huán)利用等優(yōu)勢,已成為當前最常用的碳捕集吸收劑,目前已在大型煤電機組碳捕集工業(yè)裝置中得到應(yīng)用。

1.2 碳捕集技術(shù)路線選擇

本工程依托的2臺1 000 MW機組采用超超臨界燃煤鍋爐,故IGCC和富氧燃燒技術(shù)均不適合,只能采用后捕集技術(shù)。考慮到燃煤機組排煙中CO2體積分數(shù)低（8%~15%）,故選擇性低的物理吸收法選不適用。由于燃煤鍋爐煙氣流量大且近乎常壓（0~200 Pa）,若對煙氣進行壓力變換需要耗費巨大的能量,故不宜選用變壓吸附法。由于本項目煙氣經(jīng)濕除后出口煙溫為50~52 ℃,變溫吸附技術(shù)由于變溫能耗回收難和流化循環(huán)過程中吸附劑損耗過大也不宜使用。而膜分離法、低溫蒸餾法和生物法還處于中小規(guī)模試驗階段,技術(shù)尚不成熟、成本較高,對本項目也不適用?？紤]到電廠對裝置運行可靠性要求較高,故選用技術(shù)成熟、分離效果好的化學吸收法。

化學吸收法中,有機胺和無機氨這2種吸收劑最為常用,新型的吸收劑如氨基酸鹽、離子液體、非水吸收劑、相變吸收劑等也在開發(fā)過程中[18,19,20,21,22,23,24]。氨水法有再生效率低、氨逃逸率高的問題,會造成潛在的環(huán)境二次污染,故在碳捕集中應(yīng)用不多。氨基酸鹽再生困難、成本高,離子液體生產(chǎn)困難、價格高昂,非水吸收劑和相變吸收劑均存在吸收劑損耗率大的問題。鑒于電廠對項目的運行安全性要求較高,故本項目選用了對二氧化碳選擇性強、性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟的有機胺法。有機胺也有多種,包括一級胺、二級胺、三級胺和空間位阻胺等,不同胺與二氧化碳的反應(yīng)機理不盡相同,其反應(yīng)熱、反應(yīng)速率也各不相同。傳統(tǒng)的第1代吸收劑是以30%的單乙醇胺（MEA）為代表,其具有吸收效率高、反應(yīng)速率快的優(yōu)點,但缺點是易降解、易氧化且腐蝕性強。因此,本文考慮選用改進的第2代吸收劑,是由多種有機胺復配而成的水基吸收劑并添加抗氧化劑和緩蝕劑,其再生能耗低、酸氣負荷大、損耗低、壽命長。

本示范項目所在地處于內(nèi)陸,附近無油田,無法將捕集到的產(chǎn)品CO2用于驅(qū)油,也無合適的地下咸水層或礦井可用于封存,故產(chǎn)品考慮回用。鑒于項目所在地經(jīng)濟發(fā)達,食品級二氧化碳的需求量大,考慮將產(chǎn)品提純至食品級以提高其利用價值。根據(jù)類似工程經(jīng)驗,通過中壓壓縮、吸附、液化和精餾,即可獲得高純度的二氧化碳。

根據(jù)以上分析,本項目確定總體技術(shù)路線為有機胺捕集+壓縮精制,整體技術(shù)包含4個操作單元：煙氣預處理單元、有機胺捕集單元、壓縮精制單元和產(chǎn)品儲存供應(yīng)單元,如圖1所示。煙氣預處理單元是對原料氣所含的微塵和少量強酸性氣體進行處理,以減少其對吸收劑造成的危害;捕集單元是通過吸收再生過程實現(xiàn)煙氣中的CO2分離;壓縮精制單元是通過壓縮、吸附、冷卻液化和精餾提純技術(shù)進一步提高CO2純度,以滿足食品級標準要求;產(chǎn)品儲存供應(yīng)單元是將液化后的CO2儲存、制成干冰及裝車外運。

2 萬噸級示范工程設(shè)計

2.1 設(shè)計條件

依托江蘇華電某電廠二期2×1 000 MW擴建工程,建設(shè)1套碳捕集量為10 000 t/a的碳捕集示范裝置,產(chǎn)品原按食品級液體二氧化碳設(shè)計,后考慮到產(chǎn)品多元化需求增加了干冰制備裝置。原料氣來自二期#3,#4燃煤機組濕式電除塵器出口,污染物已達超低排放標準,煙氣主要組分見表1。表中BMCR為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量,THA為機組的熱耗率驗收工況。

2.2 工藝流程

碳捕集示范工程捕集部分工藝流程如圖2所示。鍋爐排放的煙氣經(jīng)脫硝、電除塵、脫硫和濕式電除塵后進入碳捕集裝置的深度凈化塔,在塔內(nèi)經(jīng)洗滌降溫和深度脫硫后,由引風機送入吸收塔底部入口。吸收塔內(nèi)煙氣中的CO2被來自塔頂?shù)呢氁何?經(jīng)洗滌冷卻后的凈煙氣自塔頂排空。吸收CO2后的富液由塔底經(jīng)泵送入貧富液換熱器,回收熱量后送入再生塔。富液在再生塔內(nèi)通過汽提解吸部分CO2,然后進入溶液煮沸器,在蒸汽加熱下使其中的CO2進一步解吸。解吸出的CO2連同水蒸氣從再生塔頂排出,經(jīng)冷卻分水后得到純度95%（濕基）以上的產(chǎn)品——粗CO2氣,隨后被送入后續(xù)壓縮精制工段。解吸CO2后的貧液自再生塔底流出,經(jīng)貧富液換熱器換熱降溫后,用泵送至貧液冷卻器冷卻后返回吸收塔。再生氣冷凝分離出的液體經(jīng)地下槽收集后再送入再生塔,返回到吸收劑循環(huán)系統(tǒng)。由此,吸收劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸CO2的工藝過程。在預處理階段,本項目將深度凈化塔系統(tǒng)排出的廢水送至脫硫制漿系統(tǒng)回用于制漿,最終用于SO2脫除,既減少了廢水排放量,又可以充分回用廢水中的剩余堿性。

圖2碳捕集示范工程捕集部分工藝流程

Fig.2Process of the carbon capture section in the carbon capture demonstration project

碳捕集示范工程壓縮精制部分工藝流程如圖3所示。粗CO2氣經(jīng)緩沖后進入CO2壓縮機,壓縮到約2.5 MPa并預冷后進入吸附器,脫除含硫組分和其他雜質(zhì),隨后再進入干燥器進行深度脫水。然后進入冷凝器,在2.0 MPa、-18~-20 ℃條件下液化,之后進入提純塔精餾提純,再經(jīng)后冷器降溫后進入產(chǎn)品罐儲存,最后可由裝車泵裝車外運。液體二氧化碳也可由干冰機制成干冰后裝箱回用。預冷、液化、提純和后冷等所需冷源由制冷機提供。

圖3碳捕集示范工程壓縮精制部分工藝流程

Fig.3Compression and purification process of the carbon capture demonstration project

2.3 主要設(shè)備選型優(yōu)化

（1）深度凈化塔：1座,選用填料塔,根據(jù)處理煙氣量和洗滌要求,采用圓柱塔型?？紤]到濕煙氣及深度凈化塔洗滌液的腐蝕性,填料選用增強塑料散堆填料,塔體內(nèi)部設(shè)防腐層,塔內(nèi)件選用不銹鋼材料。

（2）吸收塔：1座,采用圓柱填料塔?？紤]到吸收液的腐蝕性,塔體按碳鋼設(shè)計,內(nèi)設(shè)防腐層。塔內(nèi)設(shè)3段塑料散堆填料,其中2段用于吸收,1段用于尾氣洗滌。

（3）再生塔：1座,采用圓柱填料塔?？紤]運行溫度,塔體按不銹鋼設(shè)計,內(nèi)設(shè)不銹鋼塔盤2片,不銹鋼孔板波紋規(guī)整填料2段。塔下設(shè)立式溶液煮沸器1座。

（4）提純塔：1座,新型復合填料塔,圓柱形。塔頂設(shè)冷凝器,塔中段設(shè)2段不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)整填料,下部為儲液區(qū)?？紤]到檢修方便,再沸器與提純塔分體設(shè)置。

（5）產(chǎn)品罐：2臺,立式雙層真空保冷儲罐,主材碳鋼,每罐容積80 m3,滿足液態(tài)二氧化碳3 d的儲存要求。

（6）引風機：1臺,離心式。由于濕煙氣具有較強的酸腐蝕性,風機葉輪及殼體等與煙氣接觸部分的材質(zhì)采用316L?？紤]到鍋爐排煙中CO2的體積分數(shù)隨機組負荷變化波動較大,引風機按變頻設(shè)計,配套變頻器以便及時調(diào)節(jié)系統(tǒng)煙氣量。

（7）壓縮機：1臺。小型二氧化碳壓縮機有活塞式、螺桿式2種。螺桿式壓縮機在運行時需要噴油,雖然其有油過濾器等除油設(shè)施,但本項目所需產(chǎn)品純度要求較高,為防止油對二氧化碳的污染,故選用了氣缸與填料無油潤滑的活塞式壓縮機,氣缸帶不銹鋼缸套以防止腐蝕。設(shè)備形式為L型兩列三缸水冷無油潤滑往復活塞式,排氣壓力2.5 MPa。

（8）制冷機：1臺?？紤]到環(huán)保需要,工質(zhì)選用對大氣臭氧層無污染的環(huán)保型多元共沸R404a制冷劑,制冷壓縮機為螺桿式,機組配有儲液器、冷凝器、油分離器及電控柜等輔助設(shè)置。

（9）冷換系統(tǒng)：1套。貧富液換熱器、貧液冷卻器、洗滌液冷卻器等選用板式換熱器,板片選用高效板型以提高換熱效率,主材為不銹鋼。溶液煮沸器、再生氣冷卻器、再沸器、液化器、預冷器、后冷器等則選用管殼式換熱器,并根據(jù)工作條件選用合理的材質(zhì)。為安全起見,換熱器設(shè)計余量取20%以上。

（10）泵類：間斷運行的加堿泵和廢水泵各設(shè)1臺,經(jīng)常運行的泵均按1用1備設(shè)置,并根據(jù)工作介質(zhì)的不同選用不同材質(zhì)。裝車泵選用屏蔽泵,其他泵均為離心泵。

（11）干冰機：2臺,考慮到干冰的制備可以獨立于液態(tài)二氧化碳生產(chǎn),每臺機產(chǎn)量按500 kg/h設(shè)計。干冰機所排廢氣分為2路,一路排空,一路接入二氧化碳精制系統(tǒng)。在正常情況下,考慮回收干冰機所排二氧化碳氣體,以便循環(huán)利用。

2.4 設(shè)備布置優(yōu)化

碳捕集裝置與二期擴建主體工程協(xié)同設(shè)計,在合理位置預留碳捕集裝置布置空間,碳捕集所需外部連接管路、電纜橋架等均依托主廠管架或管溝敷設(shè)。碳捕集區(qū)域內(nèi)部根據(jù)功能不同,將整體裝置分為3個區(qū)域布置,分別為電控間、主裝置區(qū)和產(chǎn)品區(qū)。主裝置區(qū)位于中間,布置有捕集及壓縮精制主要工藝設(shè)備,設(shè)工藝樓1座,設(shè)備分層布置,并在2層預留了新技術(shù)開發(fā)及試驗平臺所需空間。產(chǎn)品區(qū)主要布置有產(chǎn)品罐、裝車泵及干冰車間等。各區(qū)之間路面硬化,并設(shè)環(huán)形道路便于設(shè)備檢修和人員通行。