许世森 中国华能集团清洁能源技术研究院院长
刘练波 中国华能集团清洁能源技术研究院副主任
碳捕集、利用与封存（Carbon Capture, Use, and Sequestration, CCUS）是一项具有大规模温室气体减排潜力的技术，是未来减缓CO2排放的重要技术选择。国际能源署（IEA）研究表明，应用CCUS技术是除提高能源系统效率、使用核能及可再生能源替代化石能源以外的必要减排措施，并且其减排贡献将逐年增加。预计到2050年，通过CCUS技术手段可实现的减排量将占总减排量的17%[1-3]。在中国以煤为主的能源结构现实情况下，发展CCUS技术能有效控制温室气体排放，同时有利于促进电力行业转型和升级。 电力系统排放源集中，CO2排放强度大。因此，在电厂进行CO小球归位2捕集是实现碳减排最有效的途径之一（图1），也是当前发展CCUS最具挑战的技术环节之一。基于发电系统的CO702捕集技术主要分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧三类[4]。CO2捕集技术的研发在世界范围内已取得了显著进展，目前存在的最大问题在于捕集成本和能耗较高，也是当前技术研发突
破的重点。开展试验示范既有助于通过实践解决此项技术发展中存在的各种问题，也是促使CCUS技术规模化和商业化应用，发挥其巨大减排潜力的必经环节。
图1 CO2捕集技术路线
中国最大的发电企业——中国华能集团公司，非常重视适合电厂条件的CO2捕集技术的开发，包括燃烧后捕集和燃烧前捕集。该公司已先后建成投产多套电厂CO2捕集试验、示范装置，并基于此开展了长期的运行试验研究和新技术验证评价。同时，结合实验室基础应用研究和工程设计研究，将成熟工艺进一步扩大化，以适应未来减排技术在能耗、规模、可靠性等方面的需求，使未来电厂能够实现低成本、高效率减排。
燃烧后捕集
燃烧后捕集是指从燃烧设备后的烟气中捕集或分离CO2，技术路线包括化学吸收法、吸附法及膜分离法，其中化学吸收法应用最为广泛。化学吸收法是利用CO2的酸性特征，通常采用碱性溶液吸收CO2，然后借助逆反应实现吸收剂的再生[5-7]。图2展示了典型的燃烧后CO2捕集工艺，通过吸收剂在吸收塔内的吸收以及在再生塔内的再生过程，实现CO2的富集。 图2 常规化学吸收法燃烧后CO2捕集工艺
头笼
新型复合胺吸收剂的开发与验证
对于燃煤电厂大规模CO2减排而言，传统吸收剂能耗高、易降解、损耗大，造成CO翻转立方体2捕集技术的应用成本较高。针对上述问题，华能开展了新型吸收剂的自主研发工作，针对有机醇胺类分子，采用分子结构和官能团设计评估，探索碳链长度、羟基位置、取代基种类及位置、空间位阻效应等因素对吸收剂性能的影响。通过采用理论模拟、复配配方高通量筛选评价、中试优选等手段，结合吸收剂性能评价与筛选，研发出具备“高循环效率、高吸收负荷、低再生能耗”和“低蒸汽压、抗氧化、低腐蚀性”等特性的节能高效新型吸收剂。
华能已开发出HNC-1～HNC-5系列吸收剂，以适应不同烟气条件的电厂应用。其中，HNC-2吸收剂自2011年9月在北京热电厂捕集装置上进行试运行，连续运行超过3个月。在捕集系统操作条件只进行微调的情况下，较原有吸收剂，吸收速率提升30%，使用寿命提高50%，从而使单位CO2的捕集成本显著降低。
2015年，HNC-5吸收剂在石洞口第二电厂12万t/年捕集装置完成了超过4000小时连续运行验证，并在相同条件下与MEA吸收剂进行了性能比较。结果表明，HNC-5的溶剂消耗可降至1kg/t CO2；捕集能耗低于3.0GJ/t CO2，比MEA降低约20%；降解产物产生的速率为M
EA的50%。HNC-5吸收剂可使捕集综合运行成本减少约20%，并且该装置可长期稳定运行。
稠浆型CO2吸收剂开发
对于传统化学吸收法而言，捕集能耗高的主要原因之一是吸收剂中水的比例较高，在高温解吸过程中水的升温与挥发将消耗大量能量。为减少再生过程中水的参与，华能开发了基于碳酸钾溶液体系的稠浆型CO2吸收剂，捕集流程及实验装置如图3所示。利用K2CO3和KHCO3溶解度的差异，通过结晶沉淀KHCO3，再将高浓度的KHCO3浆液再生，从而降低再生过程中水的参与度，最大程度地利用蒸汽热量，实现捕集能耗下降。实验室规模技术测试表明，基于碳酸钾溶液的稠浆型CO2捕集工艺再生能耗为2.6GJ/t CO2，稠浆型吸收剂的成本相比MEA吸收剂下降了20%，损耗成本下降了22%～50%。
图3 稠浆型CO2捕集流程示意图（左）及实验室规模测试试验台（右）
（1~4—吸收塔，7—结晶器，10—浓缩器，12—搅拌式混合罐，17—再生塔，21—再沸器，5，9，18，19—泵，6，8，11，13，15，16—阀门，14，20—换热器）
萃取相变型CO2吸收剂开发
为减少再生过程中水的参与度，将萃取浓缩技术与CO2捕集相结合，开发出可实现自浓缩萃取分相的CO2吸收剂。在无需额外能耗的情况下，此吸收剂负载CO2后可自动分层为液-液两相，实现CO2在两相中的再分配（图4）。CO2集中于富相层，再分配度达95%以上，贫相层几乎不负载CO2，有效实现了CO2在富相中的浓缩，浓缩率高达60%。此外，萃取剂对于有机胺吸收CO2的吸收速率和吸收容量影响较小。真实热流法量热测试表明，相对于直接解吸，分层后的富相解吸可明显降低再生能耗，降幅达20%～30%。
图4 吸收剂负载CO2后的动态分层情况（2min，4min 和10min）
北京热电厂3000t/年CO2捕集装置
2008年7月，华能北京热电厂建成了中国第一个CO2捕集试验示范装置，规模为3000t/年，这是CO2减排技术首次应用于中国燃煤发电领域[8]。北京热电厂CO2捕集装置建成后，实现了连续平稳运行。针对运行中出现的溶液消耗、蒸汽消耗、系统腐蚀等问题，华能开展了系列研究加以应对。包括系统防腐处理、循环冷却水系统增容改造、回收利用再沸器蒸汽疏水等方式优化系统设备；分析溶液各消耗点的具体情况及主要损失原因；通过取样、长期挂片检测等手段分析腐蚀类型；应用新型吸收剂，使捕集性能得到显著提升，降低了捕集成本。
华能上海石洞口第二电厂12万t/年CO2捕集装置
为验证更大规模CO2节能玻璃贴膜捕集系统的运行稳定性与技术经济指标，2009年底，华能建成投运了中国最大的燃煤电厂CO2捕集示范工程——华能上海石洞口第二电厂12万t/年CO2捕集装置。
自投产后，基于该捕集系统开展了一系列试验研究工作。针对不同季节的性能进行试验研究，以完善全年的运行优化；开展了装置腐蚀研究、吸收剂废液无害化处置研究和系统改造等，确保装置平稳运行。同时针对单位CO叉车防撞UWB2吸收剂消耗量较大这一问题，论证开发了与主体机组脱硫系统整合的脱碳烟气预处理工艺，并建成烟气预处理装置。在采用新型吸收溶剂后，装置捕集热耗低于3.0GJ/t CO2，捕集电耗低于60kWh/t CO2。
