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【新闻调查】我国碳捕集项目现状!
时间: 2010年02月25日 来源:中电新闻网 作者: 赫然 苏伟 李嘉 浏览次数: 【字体:
“逮捕”二氧化碳
调查动机
  2009年11月,我国对世界庄严承诺:到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%。此后不久,全球最大的燃煤电厂10万吨/年的“碳捕集”项目在上海正式投产,我国首个万吨级燃煤电厂二氧化碳捕集装置在重庆正式投运———作为目前技术上可行的、可以最直接有效地降低燃煤电厂碳排放量的CCS技术的起始环节,“碳捕集”项目在我国盛大开局。
  那么,电厂究竟是如何捕集二氧化碳的?二氧化碳“被捕”后将何去何从?我国电厂目前脱碳的技术水平和现状怎样?电厂脱碳产业前景又如何?春节前后,带着各种好奇和疑问,记者分别走访了华能上海石洞口第二电厂及中电投重庆合川发电有限责任公司双槐电厂,与碳捕集装置和CCS技术进行了一次“亲密接触”。
调查对象
    华能上海石洞口第二电厂:
  一期工程两台60万千瓦超临界机组于1992年投产。二期工程建设两台66万千瓦国产超超临界机组。工程配套建设烟气脱硫、脱硝、脱碳装置。其脱碳装置于2009年12月30日正式投运,它的建成投产,开创了我国燃煤电站实现二氧化碳捕集规模化生产的先河,标志着我国燃煤电厂二氧化碳捕集合技术和规模已达到世界领先水平。
  中电投重庆合川发电有限责任公司双槐电厂(以下简称重庆合川双槐电厂):
  一期两台30万千瓦机组同时配套建设石灰石―石膏湿法烟气脱硫装置,于2006年建成投产。
  2008年9月,开工建造二氧化碳捕集装置。2010年1月20日,脱碳装置正式投运。这是我国首个万吨级燃煤电厂二氧化碳捕集装置。
直击现场
“抓捕”的奥妙
  以煤炭为能量来源的燃煤电厂是二氧化碳的排放大户。那么,能不能把电厂排放的二氧化碳捉住,进行再处理?
  据专家介绍,目前电厂有三种捕碳路线:燃烧后捕集、燃烧前捕集、富氧燃烧,每条路线适用于不同类型的发电厂,而燃烧后捕集技术路线则适合于任何一种火力发电。
  在重庆合川双槐电厂,工作人员打开阀门,伴随着响起的“咝咝”声,饮料瓶大小的蓝色罐子开始变得沉甸甸的———里面装的就是新鲜出炉的二氧化碳。从阀门边上抬头望去,是一个直径大概3米,长10米左右的银色大罐子。负责这个碳捕集项目的中电投远达环保工程有限公司(以下简称远达环保)的喻江涛博士告诉记者,罐子中储存的就是已经捕集到的保存在零下19摄氏度左右的液态二氧化碳。这些液态二氧化碳来自电厂排放的烟气,是通过一系列复杂的处理过程从烟气中分离出来,再经浓缩提纯后储存在这里的。
  华能上海石洞口二厂的脱碳装置构造与重庆合川双槐电厂大体一致:脱碳区位于二期工程扩建端中部,分为两大区域,北侧为二氧化碳捕集设备区域,南侧为二氧化碳精制设备区域,电控楼布置在两大区域之间,整个脱碳区域面积有半个足球场那么大,看起来像个小型化工厂。
  记者在比较两个脱碳装置后发现,其技术原理和工艺流程基本相同,都采用了燃烧后捕集技术的化学吸收法———这也是目前国际上燃煤电厂CCS项目普遍采用的办法,即在对烟气进行脱硝、除尘、脱硫的基础上,采用化学吸收法(MEA法)实现脱碳。
  碳捕集装置主要由烟气预处理系统、吸收、再生系统、压缩干燥系统、制冷液化系统等组成。首先,对电厂锅炉排烟进行脱硝、除尘、脱硫等预处理,脱除烟气中对后续工艺的有害物质,然后在吸收塔内复合溶液与烟气中的二氧化碳发生反应,将二氧化碳与烟气分离;其后在一定条件下于再生塔内将其生成物分解,从而释放出二氧化碳,二氧化碳再经过压缩、净化处理、液化,得到高纯度的液体二氧化碳产品。
  远达环保总经理刘艺博士给碳捕集装置作了个形象的比喻。他告诉记者,大气中二氧化碳的含量为0.03%~0.04%左右,而燃煤电厂所排放的烟气中二氧化碳含量高达10%~15%,因此燃煤电厂是二氧化碳集中排放源。“脱碳装置就好比给燃煤电厂这个排放源戴了个大口罩,通过过滤把对环境没有任何影响的干净气体排放出去,而把二氧化碳留下来集中处理。”
  通过这样的“抓捕”程序,可以获得纯度大于99.5%的二氧化碳。再经过精制,最后可以产生达到食品级标准的、纯度为99.9%以上的二氧化碳液体。
深度挖掘
电厂脱碳的经济账
  燃煤电厂脱碳技术,被认为是在无法彻底改变能源应用结构的当前阶段,实现二氧化碳减排的一大有效手段。目前,二氧化碳捕集和封存技术正成为世界各国科学界和企业界研究的热点,全球有100多个CCS项目正在或即将运行。然而,相对于我国现阶段的火电规模而言,国内目前的电厂碳捕集项目可谓是凤毛麟角。既然技术上对二氧化碳的“逮捕”行动可以实现,那么,能否尽快将碳捕集装置应用到更多的燃煤电厂呢?
  资深电力专家、原电力工业部总工程师周小谦告诉记者,CCS技术的经济性还需要进一步研究,其投资成本是一个主要问题。他认为,CCS要实现规模化应用,可能需要一个相当长的时间。针对这个问题,我们的调查对象给记者算出了一笔电厂脱碳的经济账。
  华能上海石洞口第二电厂二期工程配套的脱碳装置,包括二氧化碳捕集和精制系统,工程概算投资约1亿元,全部为国内设计制造。对于电厂来说,这是一笔不小的投资。在运行过程中,电、蒸汽、水、化工药品等主要消耗品也价格不菲———每捕集一吨二氧化碳,就要消耗一定数量的低压蒸汽,消耗约75千瓦时的电量。
  另外,华能上海石洞口第二电厂二期工程配套的脱碳装置处理烟气量66000标准立方米/小时,约占单台机组额定工况总烟气量的4%,设计年运行小时8000小时,年生产食品级二氧化碳10万吨。设想一下,如果将全部烟气中的二氧化碳进行捕集,其二氧化碳的数量和捕捉成本是非常惊人的。美国工程院院士、“全球气候与能源计划”(GCEP)负责人、斯坦福大学普里克特能源研究所所长林·奥尔认为,常规电厂加上CCS技术之后,煤电的成本会在每千瓦时8美分~9美分(约合人民币0.54元~0.61元)之间,比风电还要贵。
  同样的问题,远达环保也在面对。刘艺表示,重庆合川双槐电厂的碳捕集装置总投资为1235万元,该装置是采用远达环保研发团队的自有技术,全部设备均由国内采购,因此已经大大降低了投资建设成本。但是,目前的装置作为一个研发平台,其处理的烟气量不到电厂排放总烟气量的1%。由此可见,如现阶段果要使脱碳装置与电厂烟气排放配套、规模化发展,所需要的经济投入是相当大的。
  “不过,我们对碳捕集装置还是很有信心的。”刘艺说,“远达环保下一步将通过二氧化碳捕集装置的实验运行,针对装置整体运行管理机制、运行参数等进行优化,对关键设备和吸收剂性能进行改进,降低捕集成本。其次,加快吸收剂的研发与改进研究,结合实验与理论分析,研发出性能更为良好的吸收剂,以降低运行能耗,从而进一步降低运行成本。”目前,该装置的能耗成本大概占总成本的40%。
后续思考
“用”还是“藏”?
  二氧化碳捕捉到了,接下来要如何处理呢?无论是华能集团的10万吨脱碳装置,还是中电投集团的万吨级碳捕集项目,都面临着一个问题:再大的储存罐,能存放的二氧化碳也是有限的,这也是世界范围内遇到的CCU和CCS的问题。中国工程院院士倪维斗曾表示:“对于中国来说,首先要做CCU,把利用放在前面考虑。尽管从长远来看,能用掉的二氧化碳很少。但起步的时候,要先立足于‘用’。”
  专家介绍,二氧化碳的工业用途非常广泛:在机器铸造业,二氧化碳是添加剂;在金属冶炼业,特别是优质钢、不锈钢、有色金属冶炼,二氧化碳是质量稳定剂;在陶瓷塘瓷业,二氧化碳是固定剂;饮料啤酒业,二氧化碳是消食开胃的添加剂;做酵母粉,二氧化碳是促效剂;在消防事业中,二氧化碳是灭火剂。
  然而,虽然用途非常广泛,二氧化碳的用量却并不大。据调查,目前上海市每年的二氧化碳用量大约为15~18万吨。而华能上海石洞口二厂的碳捕集量就为10万吨/年,可以满足整个市场需求量的近2/3。
  因此,二氧化碳利用领域的开发与创新也必不可少。从清华大学一毕业就进入中电投远达环保工作的伍灵博士如今已经是该公司脱碳项目资源化利用领域的负责人,她告诉记者,如何再利用捉到的二氧化碳,是从2006年项目筹划之初就思考的问题了。“如果能够开发新工艺,实现产生二氧化碳的企业与需要的企业对接,将有效推动对二氧化碳的资源化利用。”伍灵说,远达环保计划接下来将利用捕集所得二氧化碳建立中试级可降解塑料制备实验装置,有针对性地开展二氧化碳利用方面的技术研发。
  对捕集到的二氧化碳进行利用,更大程度上是发挥替代效应,从而实现碳减排。目前,市场供应的二氧化碳产品中,有相当一部分来源于燃烧天然气、燃烧石灰石、开采二氧化碳气田等以生产二氧化碳为目的的制备方式。电厂捕集二氧化碳并进行精处理后,可以替代原有的二氧化碳生产方式,达到碳总量减排的目的。对二氧化碳捕集产品进行循环利用,实现总量控制和二氧化碳产品资源化,是目前国际上燃煤电站实现碳减排的主要处理方式。
  当然,利用为先,也不能忽视储存。针对“替代效应”的看法,远达环保副总经理、碳捕集项目总负责人杜云贵博士则认为,把二氧化碳安全而永久地“封存”起来,才能真正做到碳减排。然而,目前碳封存仍旧是CCS技术中最复杂的环节,面临诸多问题如:健康、安全和环境风险。在CCS的应用中,将存在管道运输相关联的风险、地质封存渗漏引发的风险、二氧化碳注入海洋的风险等,这些风险将不可预见地影响人体健康、安全和生态环境;相关法律与法规的欠缺,没有一个合适的法律框架以推进地质封存的实施,也没有考虑到相关的长期责任;认识不足、封存技术研发、源汇匹配、风险评价与监测等其他问题。对CCS的认识存在不足,目前我国工业过程二氧化碳捕集、运输技术已经达到“一定条件下经济可行”的水平,但封存技术中有些技术是成熟的,有些还处在实验研究阶段,与大规模地质封存的要求,尤其是在设备产能和成本上还存在很大的差距,封存技术本身还要深入研究,还要更好地了解和封存地点的主要二氧化碳源的距离并建立捕获、运输和封存的成本曲线,同时需要在全球、地区和局部层面上改进对封存能力估算,要更好地了解长期封存、流动和渗漏过程等等。
    在我国,目前中电投CCS的碳封存的研究与开发主要集中在电投(北京)碳资产经营管理有限公司,处于前期阶段,对一些项目的地质封存等各种封存方式都在考虑之列,并针对廊坊IGCC项目、上海IGCC项目和集团煤制烯烃项目,研究了二氧化碳封存途径。廊坊IGCC项目将同步建设二氧化碳捕集示范工程,利用紧邻华北油田的优势开展EOR(二氧化碳油田回注增采)的应用研究。同时,中电投和国内外多家科研院所建立了专题合作研究的基础。其他关于二氧化碳封存的研究也正在进行:中石油集团在吉林油田开展的二氧化碳驱油(EOR)试验,主要针对二氧化碳封存技术进行研究;而神华集团计划在鄂尔多斯进行10万吨/年二氧化碳盐水层封存示范。
发展愿景
期待产业政策配套
  环保产业,往往都是高投入产业。在投入的同时,我们或许无法立竿见影地感受到它所带来的回报。刘艺笑着说:“难道,站在脱碳装置边上,就会感觉到空气变好了?这当然不可能。”环保产业所带来的经济和社会效应,是需要时间来检验的。在环保问题上,我们必须有长远眼光。
  目前,华能集团和中电投集团的碳捕集技术已经走在国内前列,并与国际水平基本同步。华能集团北京热电厂二氧化碳捕集示范项目的3000吨级碳捕集装置已运行一年多,捕获二氧化碳3500余吨;其中华能上海石洞口第二电厂的10万吨/年碳捕集装置是目前全球规模最大的,能耗指标达到国际先进水平。而中电投集团在重庆合川双槐电厂万吨级捕集装置的基础上,也将开展大型吸收设备强化和过程优化的技术研究,建设10万吨级电厂二氧化碳捕集示范工程。
  此外,两家企业在基于IGCC(整体煤气化联合循环)的燃烧前捕集技术研发方面也都各有进步:中国首座IGCC示范工程———华能天津IGCC项目率先通过国家发展改革委核准,并于去年开工建设。根据工程进度计划,2010年,天津IGCC项目进入施工高峰期,预计年底完成设备安装工作进入调试阶段;中电投集团针对廊坊IGCC项目、上海IGCC项目和集团煤制烯烃项目,研究了二氧化碳封存途径。廊坊IGCC项目将同步建设二氧化碳捕集示范工程,利用紧邻华北油田的优势开展EOR(二氧化碳油田回注增采)的应用研究。同时,中电投集团和国内外多家科研院所建立了专题合作研究的基础。
  华能集团麾下的西安热工研究院是我国洁净煤燃烧的一支重要科研力量,研究院总工程师许世森是我国CCS的领军人物之一。他说:“20年前,搞脱硫和脱硝被许多人认为是高成本、‘多此一举’,但环境污染和修复环境的巨大代价使人们很快认识到,必须脱硫脱硝。此时,我们才发现自己没有技术。今天的CCS不能像当年搞脱硫脱硝一样,都是引进国外技术,必须有自主技术,才能进一步降低造价。”
  杜云贵在接受采访时多次对记者强调,现在考察碳捕集项目,一定要注意区分一个概念,那就是技术平台和产业化的区别。“当然,要真正地使这项技术在国内有更好发展,恐怕还需要国家层面的政策支持和来自社会各界的理解和重视。我们期待国家尽快出台相关的产业政策,扶持碳捕集技术。”他说。
  高昂的成本是制约碳捕集技术迅速推广的重要原因,除此之外,还有两个方面因素。其一,其推广过程还存在诸多不确定因素,不像脱硫,在技术已经较成熟的情况下,国家出台了强制标准,并给予了适当的电价补贴。刚刚起步的脱碳技术,更需要国家在政策上的倾斜。西方国家在这方面已经有所行动:美国的经济刺激方案中有34亿美元用来启动碳捕集技术的应用;欧盟已通过总量管制与排放计划限制温室气体的排放,并公布了对去年使用碳捕集技术相关部门进一步的鼓励措施;英国、澳大利亚和其他一些国家也都许诺要资助相关的示范项目。此外,电价补贴和征收碳税将是更可取的办法。对脱碳发电给予一定的电价补贴,可以补偿电厂因配备脱碳装置带来的成本损耗;而征收碳税可以提高二氧化碳的排放成本,并将这些税收转给电力企业进行技术开发。
  另一方面,英国、澳大利亚等国已着手建立CCS相关法规和标准,而我国这方面尚未起步。面对如此空白,监管部门很难对CCS的选址、运输、运行以及后续活动进行合理、准确的评估和管理。杜云贵认为,应该把CCS的一些前期工作放在国家层面来做,这样也可以有效避免重复建设和浪费。政府应该从战略布局出发,针对二氧化碳的捕集、封存及利用作出规划,并协调各方面关系,打造真正的碳减排产业链条。
记者手记:
捉的不仅是“碳”更是意识
  采访中遇到的碳捕集技术研发人员,都出人意料的年轻。然而,即使是年轻的他们,即使是切身参与碳捕集项目的他们,面对“捉碳”仍有着许多的惊奇。喻江涛告诉我,几年前这还只是一个梦想,没想到这么快就变成现实了。
  技术的创新,总是在以日新月异的速度前行着。而这样的速度,更多地是来自于人类对未来的勇敢设想和对技术的渴望。“逮捕”二氧化碳,在地球变暖、碳减排任务艰巨的当下,从最初的一个想法开始,萌芽、成长。
  支撑这个创新的,其实是我们对家园的捍卫。套句时下流行的网络用语,如今,我们捉的不仅仅是二氧化碳,更是节能减排的环保意识。
  我国化石燃料排放的二氧化碳中,电力和供热部门排放约占50%,而燃煤发电是我国电力供给主要来源,也是我国化石燃料二氧化碳的主要集中排放源。
经济要持续发展,需要的能源数量仍将直线上升。节能减排任务艰巨,我国已经面向世界作出了承诺。在这样的时刻,我们更加需要一种时时刻刻铭记于心的环保意识,无论是国家、企业,还是我们个人,都应该牢记。
  在采访过程中,我常常被这样一种环保意识所感染。从3000吨到上万吨,再到10万吨,数量级的不断攀升,不仅仅代表了我国在碳捕集技术上的进步,更传递着电力行业节能减排的信心与决心。也许,这样的新技术还在摸索,还在徘徊,还面临着不那么清晰的未来,但我们已经在行动。
名词解释
  CCS(CarbonCaptureandStorage),是从工业和能源相关的生产活动中分离二氧化碳,运输到储存地点,并使之长期与大气隔绝的过程。CCS的产业链由四部分组成,即捕捉、运输、存储和监测。根据联合国政府间气候变化委员会(IPCC)的调查,该技术的应用能够将全球二氧化碳的排放量减少20%~40%,将对气候变化产生积极的影响。
  CCU(CarbonCaptureandUse),是先将二氧化碳进行储存,之后再将储存的二氧化碳进行有效利用。如二氧化碳和氢可进行甲烷、甲醇等有机化工产品的生产,达到循环利用的目的;也可将二氧化碳用于碳纤维、工程塑料、沥青、建材等的生产,进行永久固碳;还可利用植物的光合作用进行生物固碳。此外,二氧化碳和氢的牵手也将拓展未来氢能的利用领域。
 
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