浅谈国内外CCUS示范项目经验
摘要：碳捕集、利用与封存(简称CCUS)技术是一项针对温室气体的减排技术，能够大幅减少使用化石燃料的温室气体排放;包括二氧化碳捕集、运输、利用与封存四个环节。本文综述了国内外CCUS示范项目的特点和经验，并分析了该技术的发展趋势，对CCUS相关项目的建设起到指导性的作用。
尽管中国CCUS技术起步较晚，但在政府的支持下，企事业、科研单位和高等院校共同参与，围绕配套政策、相关理论和关键技术进行了一系列研究，建立起专业的研究队伍，取得了一批成果和进步，并成功开展了工业级技术示范。文章综述了国内外CCUS示范项目的特点和经验，并分析了该技术的发展趋势，对CCUS相关项目的建设起到指导性的作用。
1 中国CCUS示范项目经验及技术对比
国内主要工业试点和示范工程的具体情况如下所述，技术对比详见表1。
(1)华能集团北京高碑店热电厂碳捕集示范项目
2008年6月，由华能集团自主设计并建设的中国第一套燃煤电厂烟气CO2捕集装置在华能北京热电厂投入运行，每年捕集3000吨CO2。装置投运以来，CO2回收率大于85%，纯度达到99．99%，各项指标均达到设计值。装置运行可靠度和能耗指标也都处于国际先进水平。项目捕集并用于精制生产的食品级CO2可实现再利用，以供应北京碳酸饮料市场。
(2)华能集团上海石洞口碳捕集示范项目
华能集团于2009年12月在上海石洞口第二电厂启动的CO2捕集示范项目使用了具有自主知识产权的CO2捕集技术，年捕集CO2规模达12万吨，捕集CO2纯度达到99．5%以上。捕集的CO2部分经过精制系统后用于食品加工行业，其余部分用于工业生产。该捕集装置在投产时是当时世界上最大的燃煤电厂烟气CO2捕集装置。
(3)华能集团天津绿色煤电IGCC电厂CCUS示范项目
华能集团天津绿色煤电250MW级IGCC机组于2011年建成投产，于2016年建成400MW容量且配备CO2捕集装置的IGCC机组，示范工程旨在研究开发、示范推广CO2近零排放的煤基发电系统，同时可大幅提高发电效率，并掌握大型煤气化工程的设计、建设和运行技术。
(4)神华集团鄂尔多斯CCS项目
神华集团于2010年底在内蒙古鄂尔多斯地区成功建设注入规模10万t/a的全流程CCS示范工程。该示范工程利用鄂尔多斯煤气化制氢装置排放出的CO2尾气经甲醇吸收法捕集、纯化、液化后，由槽车运送至封存地点后加压升温，以超临界状态注入到1000~3000米深的目标地下咸水层，实现从捕集到封存的全流程CCS示范，注入规模可达10万吨/年，是世界第一个定位埋存在咸水层的全流程CCS工程。作为国家“十二五”科技支撑计划项目CCUS领域重点项目，该项目目前已完成30万吨注入总目标，捕集尾气近35.6万吨。
(5)中电投重庆双槐电厂项目
2010年1月，中国电力集团建设的重庆合川双槐电厂CO2捕集工业示范项目正式投入运营，该装置每年可捕集1万吨C02,浓度在99.5%以上，CO2捕集率达到95%以上。在此基础上，中电投集团完成了15万t/a的碳捕集装置方案研究和工程设计,开展了CCS全流程方案预可研工作。目前该装置捕集的CO2主要用于焊接保护和电厂发电机氢冷置换等领域。
(6)中石化胜利油田CCUS项目
中石化在胜利油田建成了国内外首个燃煤电厂烟气CCUS全流程示范工程。其中，在胜利燃煤电厂建成了年产能力4万吨的烟气二氧化碳捕集装置，二氧化碳纯度大于99.5%。
(7)华润海丰电厂碳捕集测试平台示范项目
华润海丰电厂规划总容量为4x1000MW+4x1000MW机组，分期建设，一期1号和2号机组为2x1000MW超超临界燃煤发电机组，于2015年正式投运。碳捕集测试平台示范项目依托华润海丰电厂1号机组，设计并建设两套并行的碳捕集装置，且另外预留捕集装置位置。碳捕集测试平台设计碳捕集量不低于2万t/a，运行时间5500h/a。该平台建成后将是中国首个多技术并联国际性碳捕集技术测试平台，也是南方首个CCUS中等规模试验示范项目。经过燃烧后捕集的CO2根据其纯化级别既可以进行食品级利用，也可以通过管道运输至珠江口盆地油田处进行地质封存或用于提高石油采收率。
2 国外示范项目介绍
(1)挪威蒙斯塔德技术中心(TCMMongstad)
蒙斯塔德技术中心是世界上规模最大的碳捕集技术测试中心，位于挪威西海岸卑尔根市北部，毗邻蒙斯塔炼油厂。TCM由两个碳捕集装置组成，每个装置每年能从附近的炼油厂捕集8万吨二氧化碳，从燃气电厂能捕集2万吨二氧化碳。未来TCM拥有可用空间和基础设施来维持下一代技术的测试。TCM于2012年开始运行，每年的运行成本达到3亿挪威克朗(约4880万美元)。2015年8月TCM宣布了一项新的MEA碳捕集技术测试项目，研究如何扩大规模和降低未来全规模捕集运行的技术风险。目前，壳牌康索夫公司正在该中心验证其DC－201第二代碳捕集溶剂进行工业规模应用的可行性。除此之外，阿克(Aker)、阿尔斯通和CarbonCleanSolutions公司也在该中心进行过测试。
(2)加拿大SaskPower碳捕集测试装置
2015年6月18日SaskPower公司在萨斯喀彻温省埃斯特万启动新的碳捕集测试装置。该装置位于边界大坝碳捕集项目附近，依托Shand电厂建造，耗资7000万美元。加拿大政府通过加拿大自然资源部的生态能源技术倡议对该装置的设计提供130万美元的资助。该装置与运营中的Shand燃煤电厂连接，提供一个测试不同的胺溶液捕集技术的独特平台。此碳捕集测试装置是一个模块化装置，许多独立的部分都可以进行分离、修改和操作，以测试特定的碳捕集技术。建筑前设有一个实验室，定期测试胺溶剂样品。企业能够追踪其技术在运行过程中的性能表现，以响应实际的商业化运行条件。
(3)美国能源部国家碳捕集中心(NCCC)
美国国家碳捕集中心为响应发展具有成本效益的燃煤电厂碳捕集技术而成立，由美国能源部进行资助并提供设施，在商业化燃煤烟气和合成气环境下长期测试开发商的技术，以加快具有成本效益的碳捕集技术的开发，并确保能继续利用煤炭发电。从2011年开始,NCCC测试并评估CO2控制技术，包括CO2捕集溶剂、传质设备、低成本水气交换反应堆、规模扩大的薄膜技术，以及改善CO2压缩方法。由于具备在多种流程和工艺条件下运行的能力，NCCC的研究可以有效地评估技术的成熟性。目前已经有20家技术开发商在该平台测试24种不同技术，以及NETL项目中的创新技术。NCCC两个主要的研究领域包括CO2燃烧前捕集和燃烧后捕集。
燃烧后碳捕集中心(PC4)位于Alabama电力Gaston电厂的5号机组，利用乙醇胺溶液捕集超过90%的CO2，捕集规模为10吨/天。NCCC将这组数据作为评估燃烧后CO2捕集技术的基准。电力系统开发设施自1996年以来一直在测试气化和燃烧前捕集技术。
3 未来碳捕集技术发展趋势
碳捕集技术主要包含燃烧前碳捕集、燃烧后碳捕集和富氧燃烧捕集三种不同技术。由于捕集部分占整个CCS费用的2/3甚至更高，因此国际间主要以“提高捕集效率及规模，降低捕集成本”为重点研发方向。
燃烧后碳捕集技术主要应用于燃煤锅炉及燃气轮机发电设施，其优点在于现有电厂可经过机组改装进行燃烧后碳捕集应用，技术导入速度较快。但由于烟气中CO2浓度低，燃烧后碳捕集技术成本偏高，因此现阶段研发重点主要集中于降低燃烧后碳捕集的成本。目前，燃烧后捕集技术以化学吸收法为主，但成本与能耗偏高，其使用也多局限于油气及石化产业，因此能够大规模应用于燃煤电厂的碳捕集技术仍是国际上努力的方向。在大力发展化学吸收法的基础上，物理吸附法碳捕集技术也在不断的发展。
燃烧前捕集技术则以气化技术搭配碳捕集技术而备受瞩目。气化技术在高温炉中产生以CO和比为主的合成气，一般利用水蒸气与CO反应转化成H2与CO2，再通过气体分离装置将比与CO2分离。分离浓缩后的H2可直接用于发电,高浓度的CO2则可被捕集、压缩、纯化以进行利用或封存。与燃烧后碳捕集相比，燃烧前碳捕集的运行成本较低，但前期资本投入较高，且气化炉运行稳定性的风险较大。
富氧燃烧技术是将燃煤电厂用于与煤粉进行反应的空气替换成氧气和CO2的混和气进行燃烧。其燃烧产物主要是CO2，部分生成的CO2将被直接捕集，而余下CO2则被重新引入富氧锅炉内进行反应。这样被捕集的CO2具有相对较高的浓度，通常可以在成本较低的气体处理后，直接压缩用于封存。富氧燃烧捕集技术把碳捕集的成本转移到空分设备中，该技术未来的发展取决于空分装置成本的高低。
各种碳捕集技术各有优劣，但对传统燃煤电厂，燃烧后化学吸收法碳捕集是目前较为成熟的方案。对于现有燃煤机组，目前进行燃烧后捕集改造比采用富氧燃烧技术进行碳捕集更为经济。
4 小结
(1)我国的CCUS技术起步较晚，虽然经过近些年的努力取得了一定的成果，但就目前中国CCUS的技术与欧美发达国家相比仍具有较大差距;各企事业、科研单位和高等院校仍需在我国政策的支持和扶植下，抓住未来碳捕集技术发展的趋势而不懈努力。
(2)各种碳捕集技术各有优劣,但对传统燃煤电厂,燃烧后化学吸收法碳捕集是目前较为成熟的方案。对于现有燃煤机组,目前进行燃烧后捕集改造比采用富氧燃烧技术进行碳捕集更为经济。
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