淺談國內外CCUS示范項目經驗
摘要：碳捕集、利用與封存(簡稱CCUS)技術是一項針對溫室氣體的減排技術，能夠大幅減少使用化石燃料的溫室氣體排放;包括二氧化碳捕集、運輸、利用與封存四個環節。本文綜述了國內外CCUS示范項目的特點和經驗，并分析了該技術的發展趨勢，對CCUS相關項目的建設起到指導性的作用。
盡管中國CCUS技術起步較晚，但在政府的支持下，企事業、科研單位和高等院校共同參與，圍繞配套政策、相關理論和關鍵技術進行了一系列研究，建立起專業的研究隊伍，取得了一批成果和進步，并成功開展了工業級技術示范。文章綜述了國內外CCUS示范項目的特點和經驗，并分析了該技術的發展趨勢，對CCUS相關項目的建設起到指導性的作用。
1 中國CCUS示范項目經驗及技術對比
國內主要工業試點和示范工程的具體情況如下所述，技術對比詳見表1。
(1)華能集團北京高碑店熱電廠碳捕集示范項目
2008年6月，由華能集團自主設計并建設的中國第一套燃煤電廠煙氣CO2捕集裝置在華能北京熱電廠投入運行，每年捕集3000噸CO2。裝置投運以來，CO2回收率大于85%，純度達到99．99%，各項指標均達到設計值。裝置運行可靠度和能耗指標也都處于國際先進水平。項目捕集并用于精制生產的食品級CO2可實現再利用，以供應北京碳酸飲料市場。
(2)華能集團上海石洞口碳捕集示范項目
華能集團于2009年12月在上海石洞口第二電廠啟動的CO2捕集示范項目使用了具有自主知識產權的CO2捕集技術，年捕集CO2規模達12萬噸，捕集CO2純度達到99．5%以上。捕集的CO2部分經過精制系統后用于食品加工行業，其余部分用于工業生產。該捕集裝置在投產時是當時世界上最大的燃煤電廠煙氣CO2捕集裝置。
(3)華能集團天津綠色煤電IGCC電廠CCUS示范項目
華能集團天津綠色煤電250MW級IGCC機組于2011年建成投產，于2016年建成400MW容量且配備CO2捕集裝置的IGCC機組，示范工程旨在研究開發、示范推廣CO2近零排放的煤基發電系統，同時可大幅提高發電效率，并掌握大型煤氣化工程的設計、建設和運行技術。
(4)神華集團鄂爾多斯CCS項目
神華集團于2010年底在內蒙古鄂爾多斯地區成功建設注入規模10萬t/a的全流程CCS示范工程。該示范工程利用鄂爾多斯煤氣化制氫裝置排放出的CO2尾氣經甲醇吸收法捕集、純化、液化后，由槽車運送至封存地點后加壓升溫，以超臨界狀態注入到1000~3000米深的目標地下咸水層，實現從捕集到封存的全流程CCS示范，注入規模可達10萬噸/年，是世界第一個定位埋存在咸水層的全流程CCS工程。作為國家“十二五”科技支撐計劃項目CCUS領域重點項目，該項目目前已完成30萬噸注入總目標，捕集尾氣近35.6萬噸。
(5)中電投重慶雙槐電廠項目
2010年1月，中國電力集團建設的重慶合川雙槐電廠CO2捕集工業示范項目正式投入運營，該裝置每年可捕集1萬噸C02,濃度在99.5%以上，CO2捕集率達到95%以上。在此基礎上，中電投集團完成了15萬t/a的碳捕集裝置方案研究和工程設計,開展了CCS全流程方案預可研工作。目前該裝置捕集的CO2主要用于焊接保護和電廠發電機氫冷置換等領域。
(6)中石化勝利油田CCUS項目
中石化在勝利油田建成了國內外首個燃煤電廠煙氣CCUS全流程示范工程。其中，在勝利燃煤電廠建成了年產能力4萬噸的煙氣二氧化碳捕集裝置，二氧化碳純度大于99.5%。
(7)華潤海豐電廠碳捕集測試平臺示范項目
華潤海豐電廠規劃總容量為4x1000MW+4x1000MW機組，分期建設，一期1號和2號機組為2x1000MW超超臨界燃煤發電機組，于2015年正式投運。碳捕集測試平臺示范項目依托華潤海豐電廠1號機組，設計并建設兩套并行的碳捕集裝置，且另外預留捕集裝置位置。碳捕集測試平臺設計碳捕集量不低于2萬t/a，運行時間5500h/a。該平臺建成后將是中國首個多技術并聯國際性碳捕集技術測試平臺，也是南方首個CCUS中等規模試驗示范項目。經過燃燒后捕集的CO2根據其純化級別既可以進行食品級利用，也可以通過管道運輸至珠江口盆地油田處進行地質封存或用于提高石油采收率。
2 國外示范項目介紹
(1)挪威蒙斯塔德技術中心(TCMMongstad)
蒙斯塔德技術中心是世界上規模最大的碳捕集技術測試中心，位于挪威西海岸卑爾根市北部，毗鄰蒙斯塔煉油廠。TCM由兩個碳捕集裝置組成，每個裝置每年能從附近的煉油廠捕集8萬噸二氧化碳，從燃氣電廠能捕集2萬噸二氧化碳。未來TCM擁有可用空間和基礎設施來維持下一代技術的測試。TCM于2012年開始運行，每年的運行成本達到3億挪威克朗(約4880萬美元)。2015年8月TCM宣布了一項新的MEA碳捕集技術測試項目，研究如何擴大規模和降低未來全規模捕集運行的技術風險。目前，殼牌康索夫公司正在該中心驗證其DC－201第二代碳捕集溶劑進行工業規模應用的可行性。除此之外，阿克(Aker)、阿爾斯通和CarbonCleanSolutions公司也在該中心進行過測試。
(2)加拿大SaskPower碳捕集測試裝置
2015年6月18日SaskPower公司在薩斯喀徹溫省埃斯特萬啟動新的碳捕集測試裝置。該裝置位于邊界大壩碳捕集項目附近，依托Shand電廠建造，耗資7000萬美元。加拿大政府通過加拿大自然資源部的生態能源技術倡議對該裝置的設計提供130萬美元的資助。該裝置與運營中的Shand燃煤電廠連接，提供一個測試不同的胺溶液捕集技術的獨特平臺。此碳捕集測試裝置是一個模塊化裝置，許多獨立的部分都可以進行分離、修改和操作，以測試特定的碳捕集技術。建筑前設有一個實驗室，定期測試胺溶劑樣品。企業能夠追蹤其技術在運行過程中的性能表現，以響應實際的商業化運行條件。
(3)美國能源部國家碳捕集中心(NCCC)
美國國家碳捕集中心為響應發展具有成本效益的燃煤電廠碳捕集技術而成立，由美國能源部進行資助并提供設施，在商業化燃煤煙氣和合成氣環境下長期測試開發商的技術，以加快具有成本效益的碳捕集技術的開發，并確保能繼續利用煤炭發電。從2011年開始,NCCC測試并評估CO2控制技術，包括CO2捕集溶劑、傳質設備、低成本水氣交換反應堆、規模擴大的薄膜技術，以及改善CO2壓縮方法。由于具備在多種流程和工藝條件下運行的能力，NCCC的研究可以有效地評估技術的成熟性。目前已經有20家技術開發商在該平臺測試24種不同技術，以及NETL項目中的創新技術。NCCC兩個主要的研究領域包括CO2燃燒前捕集和燃燒后捕集。
燃燒后碳捕集中心(PC4)位于Alabama電力Gaston電廠的5號機組，利用乙醇胺溶液捕集超過90%的CO2，捕集規模為10噸/天。NCCC將這組數據作為評估燃燒后CO2捕集技術的基準。電力系統開發設施自1996年以來一直在測試氣化和燃燒前捕集技術。
3 未來碳捕集技術發展趨勢
碳捕集技術主要包含燃燒前碳捕集、燃燒后碳捕集和富氧燃燒捕集三種不同技術。由于捕集部分占整個CCS費用的2/3甚至更高，因此國際間主要以“提高捕集效率及規模，降低捕集成本”為重點研發方向。
燃燒后碳捕集技術主要應用于燃煤鍋爐及燃氣輪機發電設施，其優點在于現有電廠可經過機組改裝進行燃燒后碳捕集應用，技術導入速度較快。但由于煙氣中CO2濃度低，燃燒后碳捕集技術成本偏高，因此現階段研發重點主要集中于降低燃燒后碳捕集的成本。目前，燃燒后捕集技術以化學吸收法為主，但成本與能耗偏高，其使用也多局限于油氣及石化產業，因此能夠大規模應用于燃煤電廠的碳捕集技術仍是國際上努力的方向。在大力發展化學吸收法的基礎上，物理吸附法碳捕集技術也在不斷的發展。
燃燒前捕集技術則以氣化技術搭配碳捕集技術而備受矚目。氣化技術在高溫爐中產生以CO和比為主的合成氣，一般利用水蒸氣與CO反應轉化成H2與CO2，再通過氣體分離裝置將比與CO2分離。分離濃縮后的H2可直接用于發電,高濃度的CO2則可被捕集、壓縮、純化以進行利用或封存。與燃燒后碳捕集相比，燃燒前碳捕集的運行成本較低，但前期資本投入較高，且氣化爐運行穩定性的風險較大。
富氧燃燒技術是將燃煤電廠用于與煤粉進行反應的空氣替換成氧氣和CO2的混和氣進行燃燒。其燃燒產物主要是CO2，部分生成的CO2將被直接捕集，而余下CO2則被重新引入富氧鍋爐內進行反應。這樣被捕集的CO2具有相對較高的濃度，通常可以在成本較低的氣體處理后，直接壓縮用于封存。富氧燃燒捕集技術把碳捕集的成本轉移到空分設備中，該技術未來的發展取決于空分裝置成本的高低。
各種碳捕集技術各有優劣，但對傳統燃煤電廠，燃燒后化學吸收法碳捕集是目前較為成熟的方案。對于現有燃煤機組，目前進行燃燒后捕集改造比采用富氧燃燒技術進行碳捕集更為經濟。
4 小結
(1)我國的CCUS技術起步較晚，雖然經過近些年的努力取得了一定的成果，但就目前中國CCUS的技術與歐美發達國家相比仍具有較大差距;各企事業、科研單位和高等院校仍需在我國政策的支持和扶植下，抓住未來碳捕集技術發展的趨勢而不懈努力。
(2)各種碳捕集技術各有優劣,但對傳統燃煤電廠,燃燒后化學吸收法碳捕集是目前較為成熟的方案。對于現有燃煤機組,目前進行燃燒后捕集改造比采用富氧燃燒技術進行碳捕集更為經濟。
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