富氧燃烧技术在碳捕集方面的应用.pdf

OxyfuelcombustionforCO2capturetechnology

全球气候变暖已经越来越严重，工业排放的二氧化碳被认为是导致气候变暖
的主犯”。面对日益紧迫的环境问题，CCS技术不仅能将二氧化碳封存于地下或
海底．而且还能实现二氧化碳“变废为宝”，被看作是最具发展前景的解决方案之
一。
CCS技术是指将二氧化碳从相关排放燃烧源捕获并分离出来，输送到油气
田、海洋等地点进行长期(几千年)封存，从而阻止或显著减少温室气体排放，以
减轻对地球气候的影响。这是一项新兴的、具有大规模减排潜力的技术，有望实
现化石能源的二氧化碳近零排放。该技术将工业生产过程中产生的二氧化碳捕集
并安全地储存于特定的地质结构中。目前，处于研究阶段、工业试验或工业化应
用的封存场所主要有深度含盐水层、枯竭或开采到后期的油气田、不可采的贫瘠
煤层和海洋。

目前全球每年排放的二氧化碳在300x108t以上，其中约有40％来自发电厂，
23％来自运输行业．22％来自水泥厂、钢厂和炼油厂。碳捕集技术最早应用于炼
油、化工等行业，这些行业排放的二氧化碳浓度高、压力大，捕集成本并不高。
而燃煤电厂排放的二氧化碳则恰好相反，捕集能耗和成本较高．现阶段的碳捕集
技术尚无法完全解决这一问题。目前主流的碳捕集工艺按操作时间可分为3类
燃烧中捕集)和燃烧后捕集。

三者各有优势，却又各有技术难题尚待解决，日前呈并行发展之势。燃烧前
捕集实现起来最为复杂，而燃烧后只能捕集到排出二氧化碳的10％，既不经济，
也不节能。最有发展前景的是燃烧中捕集。燃烧前捕集技术以煤气化联合循环
(IGCC)技术为基础，先将煤炭气化成清洁气体能源，从而把二氧化碳在燃烧前就
分离开来，不进入燃烧过程。而且二氧化碳的浓度和压力会因此提高，分离起来
较为方便，是目前运行成本最低廉的捕集技术，其前景为学术界所看好。问题在
于．传统电厂无法应用这项技术，而是需要重新建造专门的IGCC电站，其建造
成本是现有传统发电厂的2倍以上。燃烧后捕集可以直接应用于传统电厂，这一
技术路线对传统电厂烟气中的二氧化碳进行捕集，投入相对较少。这项技术分支
较多．可以分为化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、化学链分离法等等。其中，
化学吸收法被认为市场前景最好，受厂商重视程度也最高，但设备运行的能耗和
成本较高。事实上，由于传统电厂排放的二氧化碳浓度低、压力小，无论采用哪
种捕集技术，能耗和成本都难以降低。如果说燃烧前捕集技术的建设成本高、运
行成本低，那么燃烧后捕集技术则是建设成本低、运行成本高。
富氧燃烧捕集技术试图综合前两种技术的优点，做到既可以在传统电厂中应
用，排出的二氧化碳的浓度和压力也较高。由于该技术主要着力在燃烧过程中，
也被看作是燃烧中捕集技术。与传统电厂直接用空气助燃的燃烧技术不同．富氧
燃烧是用纯度非常高的氧气助燃．同时在锅炉内加压，使排出的二氧化碳在浓度
和压力上与IGCC差不多，再用燃烧后捕集技术进行捕集，从而降低前期投入和
捕集成本。但看似完美无缺的解决方案，却有一个巨大的技术难题——制氧成本
太高。这也使得富氧燃烧捕集技术在经济性上并没有太大优势。
用纯氧或富氧代替空气作为化石燃料燃烧的介质。燃烧产物
主要是CO2和水蒸气，另外还有多余的氧气以保证燃烧完全，以及燃料中所有
组成成分的氧化产物、燃料或泄漏进入系统的空气中的惰性成分等。经过冷却水
蒸汽冷凝后，烟气中CO2含量在80％～98％之间。这样高浓度的CO2经过压缩、
干燥和进一步的净化可进入管道进行存储。CO2在高密度超临界下通过管道运
输，其中的惰性气体含量需要降低至较低值以避免增加CO2的临界压力而可能
造成管道中的两相流，其中的酸性气体成分也需要去除。此外CO2需要经过干
燥以防止在管道中出现水凝结和腐蚀，并允许使用常规的炭钢材料。在富氧燃烧
系统中，由于CO2浓度较高，因此捕获分离的成本较低，但是供给的富氧成本
较高。目前氧气的生产主要通过空气分离方法，包括使用聚合膜、变压吸附和低
温蒸馏。

（PS：从富氧膜”制富氧的基本原理可知，在膜两侧一般要有几千万帕斯卡
的压差，否则，产氧量太低。而这些压能是很难回收的，除非能制造出性能更优
异的富氧膜。变压吸附法的吸、脱附周期可以短至1分钟。所以，前者必然是限
于吸附分离少量的杂质成份。若要制取氧气，则只能使用后者薄膜分离法的单级
分离系数只有2左右，所以只适于制造30％左右的富氧。若要高浓度富氧，则
必须多级串联，则其能耗也势必更大，将无实用价值。PSA则不然，它可以制取
高浓度富氧，浓度甚至可达99％。）

相比于其他CCS技术，富氧燃烧独有的优点：富氧燃烧传热效果增强,提高
热量利用率。
由于富氧空气的助燃,其中惰性气体成分减少,炉内气体CO2和H2O