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烟气梯度浓度二氧化碳捕集技术运行经济效益分析 * 蔡建军王清成王全 上海应用技术学院 能源与资源综合利用研究所，上海 201418 摘要 二氧化碳捕集技术按二氧化碳浓度划分为低浓度二氧化碳捕集技术、 中浓度二氧化碳捕集技术和高浓度浓度二 氧化碳捕集技术。对各浓度二氧化碳捕集技术进行归纳总结， 同时对各捕集技术运行时的经济效益进行分析。结果 显示 若仅从运行经济效益考虑， 二乙醇胺 DEA 化学吸附分离低浓度 CO2捕集技术运行成本最低， 为 123 元/MW; 其次是富氧燃烧高浓度 CO2捕集技术， 为 227 元/MW; 整体煤气化联合循环发电系统 IGCC 联合乙二醇二甲醚 NDH 中浓度 CO2捕集技术运行成本最高， 为 259 元/MW。 关键词 梯度浓度二氧化碳捕集技术;二氧化碳浓度; 运行经济效益 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408017 ANALYSIS OF ECONOMIC BENEFIT OF USING GＲADIENT CONCENTＲATION CAＲBON DIOXIDE CAPTUＲE TECHNOLOGY FOＲ FLUE GAS Cai JianjunWang QingchengWang Quan Institute of Energy and Ｒesources Comprehensive Utilization，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China AbstractAccording to the concentrations of carbon dioxide，carbon dioxide capture technology can be divided into low concentration carbon dioxide capture technology，higher concentration carbon dioxide capture technology and highest concentration carbon dioxide capture technology． Then the capture technologies of different concentrations of carbon dioxide were summed up ， and their economic benefits were analyzed． The results show that if only economic benefit，the cost of low concentration carbon dioxide capture technology EDA chemical adsorption separationis lowest，about 123 yuan/MW;the cost of higher concentration carbon dioxide capture technology Ox fuelis lower，about 227 yuan/MW;the cost of highest concentration carbon dioxide capture technology IGCC union NDHis 259 yuan/MW． Keywordsgradient concentration carbon capture technology;concentrations of carbon dioxide;economic benefit of operation * 崇明岛企业大气污染源主要污染物排放控制方案研究 沪环科 。 收稿日期 2013 －10 －05 0引言 二氧化碳 CO2 捕集技术是指将燃烧所产生的 CO2收集起来， 以避免排放到大气中的技术。目前国 内外对 CO2捕集技术进行了大量研究， 主要包括 化 学吸附分离技术 ［1- 2 ］、 物理吸附分离技术［3- 4 ］、 膜分离 技术 ［5- 6 ］、IGCC［7- 8 ］、 富氧燃烧技术［9- 10 ］、 化学链燃烧 技术 ［11- 12 ］。国内外对 CO 2捕集技术的研究主要按捕 集位置的不同分为燃烧前捕集、 富氧燃烧和燃烧后捕 集 ［13- 14 ］， 但极少文献是按 CO 2浓度来研究各种捕集 技术。前者有利于研究 CO2分离装置位置选取， 而 后者更有利于研究 CO2捕集技术原理、 本质、 特性及 经济性分析。 1二氧化碳捕集技术 1. 1低浓度二氧化碳捕集技术 低浓度 CO2指其体积分数小于 30， 主要存在 于传统燃烧， 常见捕集方法包括化学吸附分离法、 物 理吸附分离法和膜分离法。化学吸附分离法技术成 熟、 应用广泛， 但工艺复杂、 占地面积较大， 常用吸附 剂包括乙醇胺 MEA 、 N － 甲基二乙醇胺 MDEA 、 二乙醇胺 DEA 、 三乙醇胺 TEA 、 2 － 氨基 －2 － 甲 基 －1 － 丙醇 AMP ［15， 16- 18 ］; 物理吸附法技术成熟、 成本低廉， 但分离效果较差、 更换频率较高， 常用吸附 剂活性碳、 甲醇和聚丙醚 ［19- 21 ］; 膜分离法工艺简单、 分离效果显著， 但因成本昂贵， 常用膜材料包括有机 硅聚合物、 聚酰亚胺、 聚砜、 纤维素及其衍生物 ［ 22- 23 ］。 27 环境工程 Environmental Engineering 目前， 国内外对于低浓度 CO2捕集技术研究偏 重于膜分离法， 如清华大学张飚等 ［24 ］选取聚乙烯亚 胺 PEI 为运输 CO2的载体分子， 以聚乙烯醇为膜基 础材料， 应用于碳酸二甲酯/二氧化碳分离体系中， 结 果显示渗透通量随聚乙烯亚胺含量增加、 压力差提高 和温度升高而增大， 分离因子随聚乙烯亚胺含量发生 变化， 随压力变化不大， 随温度升高而降低; 美国 Lawrence Berkeley 国家重点实验室的 Natalia V 等 ［25 ］ 以聚丙烯为支撑材料， 通过 2 － 羟基乙基甲基丙烯酸 酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯发生亲水反应， 再与二胺 反应制成分离系数为 490 的 CO2分离膜。随着技术 发展、 制膜成本下降， 其在低浓度 CO2捕集领域中的 应用将会越来越广泛。 1. 2中浓度二氧化碳捕集技术 中浓度 CO2指 CO2体积分数为 30 ～ 70， 主 要存在于 IGCC， 常见捕集方法包括 IGCC 联合化学 吸附分离法和 IGCC 联合膜分离法。与传统燃烧不 同， IGCC 以纯氧为氧化剂， 原料被气化为 CO 和 H2O， 该气化产物在催化剂作用下经水煤气反应转化 成 CO2和 H2， 混和气中 CO2 含量较高 35 ～45 ， 可在燃烧前除掉 CO2， 从而转化成不含碳燃料［26 ］。 其优势在于处理的烟气量少， CO2浓度较高， 有利于 降低运行费用， 但投资成本高、 可靠性低和维修成 本高 ［27 ］。 目前， 国内外对于中浓度 CO2捕集技术研究偏 重于 IGCC 联合化学吸附分离法， 因为 IGCC 联合化 学吸附分离法技术成熟、 高温操作稳定性好和运行成 本较低， 而 IGCC 联合膜分离法主要面临挑战是高温 操作时稳定性差。当然， 降低 IGCC 投资成本是推广 中浓度 CO2捕集技术的基本研究方向， 国内外学者 对此进行了大量研究， 如清华大学张健赟等 ［28 ］用 GT Pro 软件研究了不同气化技术对 IGCC 系统能量利用 效率的影响; 意大利学者 Antonio Giuffrida 等 ［29 ］研究 了空气气化炉对 IGCC 热力学特性的影响。 1. 3高浓度二氧化碳捕集技术 高浓度 CO2指 CO2体积分数大于 70， 主要存 在于富氧燃烧与化学链燃烧， 由于 CO2浓度高， 故可 将 CO2直接从烟气中分离。富氧燃烧利用空气分离 获得的高纯氧和部分再循环烟气混合代替空气与燃 料组织燃烧， 从而提高了烟气中 CO2浓度， 通过循环 烟气调节燃烧温度， 同时循环烟气又替代空气中 N2 来携带热量以保证锅炉传热、 热效率， 富氧燃烧技术 是一种既能直接获得高浓度 CO2， 又能综合控制燃煤 污染物排放的新一代煤粉燃烧技术 ［30 ］; 化学链燃烧 技术以载氧体为介质在燃料和与空气间传递氧而使 燃料间接燃烧， 并在反应过程中实现 CO2分离， 将直 接燃烧分解为以两步反应的间接燃烧， 实现能量递度 利用， 提高了能源利用效率。而燃料反应器中生成的 CO2避免了与过量空气、 氮气混合， 因此 CO2浓度高， 燃料反应器中的主要气体成分为 CO2和 H2O， 分离 CO2只需将 H2O 进行冷凝、 去除， 不需消耗能量与布 置分离装置 ［31 ］。 富氧燃烧技术虽然具有诸多优势， 但受到空气分 离氧气能耗大、 尾气污染物产生和控制等问题制约， 为 此华北电力大学阎维平等 ［ 32 ］以300 MW 燃煤富氧燃烧 机组为研究对象， 通过计算不同空分流程、 不同制氧纯 度的空分设备能耗及厂用电率， 结果表明 氧纯度降低 时， 厂用电率可降低 2; 而化学链燃烧技术的制约因 素主要是载氧体材料， 寻找高载氧率、 高反应性和再生 性、 经高温和多次循环使用后仍具有良好稳定性、 流化 特性好、 机械强度高、 耐磨损和抗团聚能力强、 环境友 好和经济可行的载氧体是解决这一问题的关键所在， 而我国在这一领域取得了一定突破， 如华中科技大学 郭磊等 ［ 33 ］采用冷冻成粒法、 喷雾干燥法、 浸渍法、 机械 混合法批量制备了 Fe2O3/A12O3氧载体， 从氧载体产 率、 制备周期、 物理化学表征、 煤化学链燃烧中氧载体 性能等角度比较各种批量制备方法， 确定合适的批量 制备技术， 结果显示冷冻成粒法的氧载体产率较高， 机 械性能最优 与褐煤的化学链燃烧实验中， 喷雾干燥法 和冷冻成粒法制备的氧载体导致碳转化速率较快， 然 后依次为浸渍法和机械混合法。 2二氧化碳捕集技术经济效益分析 2. 1低浓度二氧化碳捕集技术经济效益分析 目前， 低浓度 CO2捕集技术应用较广、 技术较成 熟的是化学吸附分离法， 故本文在分析低浓度 CO2 捕集技术时以化学吸附分离为例。某 470 MW 电站 燃煤锅炉， 燃烧电煤为烟煤， 其热值为 37 200 kJ/kg 标煤折算为烟煤 ， 折算系数为 0. 787， 单位热值燃料 含碳量 26. 18 t/TJ， 燃料燃烧过程中的碳氧化率为 95， 以1 t 标煤可发送2 500 kW h 电计算， 则该电厂 烟气中 CO2质量流量公式为 发电量 单位标煤发电量 标煤折算为烟煤折 算系数 烟煤热值 单位热值燃料含碳量 单位热 值燃料含碳量燃料燃烧过程中的碳氧化率 37 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 470 MW 1000 2500 kwh/t 1000 0. 787 37200 kJ/kg 10 －9 26. 18 t/TJ 95 137 t/h 捕集装置采用 DEA 填料塔溶液吸收， 溶液回收 率为 97， 溶液纯度为 70， 溶液市场价格 12. 7 元/ kg，DEA 溶液消耗公式为 CO2质量流量 CO2相对分子质量 DEA 相 对分子质量 2 100 －9770 137 t/h 44 105.14 20.03 0.7 1229 kg/h 蒸汽主要用于 CO2解析， 消耗速率为 3. 5 GJ/t， 电耗为 250 kW/t， 蒸汽价格按 38 元/GJ，电价按 0. 7 元/ kW h 。表 1 为低浓度 CO2捕集技术运行 成本。由表 1 可知 电耗成本所占比重最大， 约 41， 若要降低总成本则应从降低电耗成本开始， 由 于电厂本身可生产蒸汽， 故其蒸汽价格会较市场低， 此时降低电耗成本具有极其重要的意义。 表 1低浓度二氧化碳捕集技术运行成本 Table 1The operating costs of low concentration carbon capture technology 项目用量价格金额 蒸汽消耗 3. 5 137 479. 5 GJ/h38 元/GJ18 221 元/h 电耗250 137 34 250 kW/h0.7 元/ kW h23 975 元/h 溶液消耗 137 44 105. 14 2 0. 03 1 229 kg/h 12. 7 元/kg15 603 元/h 总成本57 799 元/h 2. 2中浓度二氧化碳捕集技术经济效益分析 目前， 中浓度 CO2捕集技术主要以 IGCC 联合化 学吸附分离为主， 故本文以 IGCC 联合化学吸附分离 来分析中浓度 CO2捕集技术运行成本。某 470 MW 水煤浆 IGCC 电站， 该系统配备煤气余热锅炉和湿法 除尘， 并引入水煤气变换单元 WGS 和乙二醇二甲 醚 NHD 法 CO2分离单位， 气化炉耗煤量 188 t/h， WGS 蒸汽消耗量 235 t/h， 济南非居民用蒸汽价格为 96 元/t， 化学吸收剂消费成本 147 元/ MW h ， 气化 剂为 96的高纯氧， 采用低压独立空分系统， 低压 N2 不回注， 空分系统厂用电耗功率为 9， 即 42 MW， 电 价按 0. 7 元/ kW h 。表 2 为中浓度 CO2捕集技术 运行成本， 由表 2 可知， 在中浓度 CO2捕集技术中， 空分系统电耗成本约占总消费成本 43， 同时 WGS 蒸汽消费成本约为 18， 虽然 IGCC 联合 NHD 捕集 技术的运行成本高于低浓度 CO2捕集技术的运行成 本， 但是在采用 NHD 捕集技术时可同时将烟气中的 硫化物捕集到微量， 就综合运行成本来考虑， IGCC 联 合 NHD 捕集技术仍具有巨大优势。 表 2中浓度 CO2捕集技术运行成本 Table 2The operating costs of middle concentration carbon capture technology 项目用量价格费用 蒸汽消费成本235 t/h96 元/t22 560 元/h 空分系统电耗成本42 MW0. 7 元/ kW h29 400 元/h 化学吸收剂消费成本470 MW147 元/ MW h69 690 元/h 总成本121 650 元/h 2. 3高浓度二氧化碳捕集技术经济效益分析 目前， 高浓度 CO2捕集技术主要考虑富氧燃烧 与化学链燃烧， 富氧燃烧技术相对成熟， 应用广泛， 而 化学链燃烧技术是一项新燃烧技术， 起步较晚， 国内 外尚无大型化学链燃烧示范基地， 多数处于实验室研 究阶段， 但因其燃烧效率高、 不直接燃烧、 污染物排放 少， 而受到诸多关注， 利用化学链燃烧技术对高浓度 CO2进行捕集时， 主要考虑载氧体制备成本及回收成 本 ［34， 35- 37 ］。两者共同点是烟气中 CO 2浓度高， 可直接 通过冷凝收集， 由于国内外尚无大型化学链燃烧示范 基地， 故本文只对富氧燃烧运行时的经济效益进行 分析。 利用富氧燃烧技术对高浓度 CO2进行捕集时， 主 要考虑深冷制氧 ASU 的功耗、 循环风机功耗及烟气 压缩功耗 CPU 。某 300 MW 增压富氧燃烧燃煤锅 炉， 增压后压力为6 MPa， 并采用烟气脱硫装置 FGD 与直接接触式冷却器 DCC 串联的湿烟气循环系统。 表3 为富氧燃烧技术运行成本。由表 3 可知， 在富氧 燃烧 CO2捕集技术中， ASU 功耗成本约占 85， 为降 低 ASU 功耗成本， 可选用膜分离技术来制取高纯度 O2， 但膜在高温条件下分离特性不稳定， 解决这一制约 因素成为降低富氧燃烧 CO2捕集技术关键。 表 3富氧燃烧技术运行成本 Table 3The operating costs of oxfuel technology 项目用量价格费用 ASU 功耗成本82. 71 MW 0. 7 元/ kW h 57 897 元/h CPU 功耗成本0. 577 MW 0. 7 元/ kW h 404 元/h 循环系统辅机功耗成本14 MW0. 7 元/ kW h9 800 元/h 总成本68 101 元/h 3总结 首先将各种二氧化碳捕集技术按二氧化碳浓度划 分为低浓度二氧化碳捕集技术、 中浓度二氧化碳捕集 技术和高浓度二氧化碳捕集技术， 然后对各浓度二氧 化碳捕集技术进行归纳总结， 最后忽略次要因素、 按照 主要因素来对各种捕集技术的经济性进行分析总结。 47 环境工程 Environmental Engineering 结果显示， 若忽略建造成本、 占地面积、 维修费用、 人力 资源费用及其他污染物的协同减排效益， 仅从运行的 经济效益考虑，DEA 化学吸附分离低浓度 CO2捕集技 术运行成本最低， 为123 元/MW; 其次是富氧燃烧高浓 度 CO2捕集技术， 为227 元/MW; IGCC 联合 NDH 中浓 度 CO2捕集技术运行成本最高， 为259 元/MW。 参考文献 ［1］刘亚敏， 史晶金， 陈杰， 等． 超枝化固体胺吸附分离烟气中二氧 化碳［J］． 化工学报， 2011， 62 3 738- 741. ［2］Almazn- Almazn M C，Lpez- Domingo F J，Domingo- Garca M， et al． Influence of carbon xerogel textural properties on the dynamic adsorption of methyl iodide ［J］ ． Chemical Engineering Journal， 2012， 73 5 116- 122. ［3］张睿， 周贝， 段晓佳， 等． 活性炭表面化学性质对二氧化碳吸附 平衡的影响［J］ ． 煤炭转化， 2011， 34 4 57- 61. ［4］Dong- Il Jang，Soo- Jin Park． Influence of nickel oxide on carbon dioxide adsorption behaviors of activated carbons［ J］ ． Fuel， 2012， 102 12 439- 444. ［5］陈曦， 王耀， 江雷． CO2选择性透过膜材料的制备［J］． 高等学 校化学学报， 2013， 34 2 249- 268. ［6］Brunetti A，Scura F， Barbieri G， et al． Membrane technologies for CO2separation ［J］ ． Journal of Membrane Science，2010，359 9 115- 125. ［7］孟靖， 熊杰， 赵海波． IGCC 电站的过程模拟和性能分析［J］． 工 程热物理学报， 2013， 34 1 40- 44. ［8］Casella F，Colonna P． Dynamic modeling of IGCC power plants ［J］． Applied Thermal Engineering， 2012， 35 5 91- 111. ［9］韩娟娟， 王春波． 600 MW 煤粉/生物质富氧燃烧锅炉热力特性 分析及优化［J］． 华东电力， 2013， 41 6 1368- 1372. ［ 10］Andrea Schreiber， Josefine Marx， Petra Zapp． Environmental assessment of a membrane- based air separation for a coal- fired oxyfuel power plant［J］ ． Journal of Membrane Science， 2013， 440 8 122- 133. ［ 11］余钟亮， 李春玉， 景旭亮， 等． 碳酸钾催化的铁基氧载体煤催化 化学链燃烧［J］． 燃料化学学报， 2013， 41 7 826- 831. ［ 12］Zhou Zhiquan，Lu Han， George M Bollas． Model- based analysis of bench- scale xed- bed units for chemical- looping combustion［J］． Chemical Engineering Journal， 2013， 233 11 331- 348. ［ 13］宋存义， 周向． 捕集低浓度二氧化碳的化学吸收工艺及其综合 比较［J］． 环境工程学报， 2012， 6 1 1- 8. ［ 14］Kazuya Goto， Katsunori Yogo， Takayuki Higashii．A review of efficiency penalty in a coal- red power plant with post- combustion CO2capture［J］ ． Applied Energy， 2013， 111 11 710- 720. ［ 15］王占丽， 徐凡， 邢小林， 等． 功能化离子液体- MDEA 复配体系吸 收 CO2［J］． 化工进展， 2013， 32 2 394- 399. ［ 16］张新军， 李清力， 刘静， 等． 环丁砜 － 哌嗪溶液吸收烟道气中二 氧化碳［J］． 环境工程学报， 2012， 6 7 2378- 2382. ［ 17］彭松水， 李清方， 耿拥军， 等． N － 甲基二乙醇胺 － 二乙醇胺复合 溶液脱除采出气中的 CO2［ J］ ． 化工环保， 2012， 32 5 397- 400. ［ 18］燕涛， 陈绍云， 张永春， 等． 填料塔中 AEE 与 MEA 混胺对低浓 度 CO2的吸收［ J］ ． 化工进展， 2012， 31 8 1838- 1842. ［ 19］胡林， 冉景煜， 张力， 等． 活性炭纤维脱除二氧化碳的实验研究 ［J］． 环境工程学报， 2010， 4 1 169- 172. ［ 20］于敏． 低温甲醇洗脱除二氧化碳工艺流程浅析［J］． 黑龙江科 技信息， 2013 9 26- 27. ［ 21］关有为， 贲腾， 张大梁， 等． 多孔聚苯醚的合成及气体储存［J］． 高等学校化学学报， 2012， 33 10 2152- 2157. ［ 22］张颖， 沈杰， 徐祖顺， 等． 聚酰亚胺/无机粒子复合材料的制备及 其性能研究进展［J］． 合成树脂及塑料， 2013， 30 1 76- 79. ［ 23］崔子亮， 陈卫丰． 聚乳酸/纤维素及其衍生物共混复合材料的研 究进展［J］． 塑料技术， 2012， 40 12 104- 106. ［ 24］张飚， 郭长鹤， 余立新． PVA/PEI 共混膜对于碳酸二甲酯与二氧 化碳体系的分离效果［ J］ ． 膜科学与技术， 2012， 32 2 36- 40. ［ 25］Natalia V Blinova，Frantisek Svec．Functionalized polyaniline- based composite membranes with vastly improved perance for separation ofcarbondioxidefrommethane ［J］． Journalof Membrane Science， 2012 12 423- 424、 514- 521. ［ 26］李默． IGCC 及多联产技术的发展现状及发展趋势［J］． 电站系 统工程， 2010， 26 2 70- 72. ［ 27］范江， 刘姝玮， 马素霞． IGCC 系统减排 CO2的性能比较和分析 ［J］． 煤炭转化， 2012， 35 4 80- 83. ［ 28］张健赟， 麻林巍， 李政， 等． 喷流床气化技术选择对 IGCC 系统 能量利用效率的影响［J］． 中国电机工程学报， 2012， 32 17 36- 43. ［ 29］AntonioGiuffrida， MatteoCＲomano， GiovanniLozza． Thermodynamicanalysisofair- blowngasificationforIGCC applications［J］． Applied Energy， 2011， 88 11 3949- 3958. ［ 30］李皓宇， 阎维平． 富氧燃烧含灰烟气辐射特性的部分光谱 k 模 型［J］． 化工学报， 2011， 62 11 3073- 3079. ［ 31］陈定千， 沈来宏， 肖军， 等． 基于镍基修饰的铁矿石载氧体煤化 学链燃烧实验［J］． 燃料化学学报， 2012， 40 3 267- 272. ［ 32］阎维平， 赵文娟， 鲁晓宇． 适合富氧燃烧发电系统的空分制氧能 耗分析［J］． 低温工程， 2011 2 19- 24. ［ 33］郭磊， 赵海波， 马琎晨， 等． 批量制备 Fe203/A1203氧载体及褐 煤化学链燃烧实验研究［J］． 中国电机工程学报， 2013， 33 17 57- 63. ［ 34］Tobias Mattisson，Erik Jerndal，Carl Linderholm，et al． Ｒeactivity of a spray- dried NiO/NiAl2O4oxygen carrier for chemical- looping combustion ［J］． Chemical Engineering Science，2011，66 10 4636- 4644. ［ 35］Alberto Abad，Juan Adnez，Ana Cuadrat，et al． Kinetics of redox reactions ofilmeniteforchemical- loopingcombustion ［J］． Chemical Engineering Science， 2011， 66 2 689- 702. ［ 36］Patrick Moldenhauer，Magnus Ｒydn，Tobias Mattisson，et al． Chemical- looping combustion and chemical- looping with oxygen uncoupling of kerosene with Mn- and Cu- based oxygen carriers in a circulating fluidized- bed 300 W laboratory reactor ［J］． 2012， 104 11 378- 389. ［ 37］顾海明， 沈来宏， 肖军， 等． 基于钾基修饰铁矿石载氧体的煤化 学链燃烧循环实验［J］． 燃料化学学报， 2012， 40 8 927- 933． 第一作者 蔡建军 1989 － ， 男， 在读研究生， 研究方向为二氧化碳与 传统污染物协同减排。126409001 mail． sit． edu． cn 通讯作者 王清成 1972 － ， 男， 副教授， 硕士生导师， 研究方向为工业 节能、 大气污染物控制和新能源利用。wangqc． sit． edu． cn 57 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control