电厂二氧化碳控制及未来发展方向Power plant carbon dioxide control and direction of futuredevelopment摘要 温室气体2CO 主要产生于矿物燃料的燃烧过程，其中电力生产过程是2CO 的一个集中排放源，控制和减缓电力生产中2CO 排放对于解决全球气候变暖和温室效应问题具有重要意义。

综述了世界2CO 排放的状况和适应于火电厂2CO 排放控制及综合利用的措施及其技术原理，对电力工业2CO 的排放控制具有重要的借鉴作用。

Abstract Greenhouse gases mainly generated in the combustion of fossil fuels, power production process is a concentrated source of emissions, control and mitigation of power production the emission of great significance in solving the problem of global warming and the greenhouse effect. Measures to the world the status of emissions and adapt to the thermal power plant emissions control and comprehensive utilization of its technical principle, to control the emissions of the power industry has an important role in reference.关键词 温室气体 2CO 富集 分离回收 2CO 填埋Keywords Greenhouse gases, enrichment, separation and recovery, landfill前言据统计，在过去的一百年中，全球平均地面气温已增加0. 3℃~0. 6℃。

政府间气候变化专门委员会(IPCC>第3次评估报告指出，近五十年内的气候变暖主要是由于向空气中排放了大量的温室效应气体的缘故，其中CO占56%。

从1800年至今，大气中的CO含量由280上升到360，其中70%的增加量发生在近五十年中。

表1示出了2001年国际能源署( IEA)对世界CO排放的预测。

可以预料，随着2012年“后京都时代”的到来，温室气体排放将由于经济的加速发展而急剧上升。

全球变暖带来了严重的负面影响:海平面上升与陆地淹没、气候带的移动、咫风的加剧、植被的迁徙与物种灭绝、洋流的变化与厄尔尼诺频发等等。

1 2CO 富集技术国际能源署在减少温室气体排放的研究与开发计划中明确指出，在全球能源与电力生产如此多样化的今天，不可能仅用一种方法来达到减少和控制CO 排放的目的，应采用不同的方法或相互的结合来适应各种不同的燃料资源、环境和地区的具体条件。

1.1 2O /2CO 燃烧技术众所周知，减少电力生产过程中CO 排放、实现CO 分离的前提是获取高CO 浓度的烟气，而常规燃煤电站锅炉排烟中CO:的浓度一般为14 0o ^-16 0o ，直接从此烟气中分离回收低浓度的CO 将使电站效率降低7% ~2 9%，发电成本增加1. 2~1. 5倍。

因此，如能提高烟气中CO 的浓度将会大大降低分离回收CO 的成本。

Oz /COz 燃烧技术正是在这一前提下提出的，是一种既能直接获得高浓度COz ，又能综合控制燃煤污染排放的新一代技术，近些年来已引起了学术界和技术界的高度关注。

该方法利用空气分离获得的O 和部分循环烟气的混合物来代替空气并与燃料组织燃烧，从而提高排烟中CO 的浓度。

其原理示意图如图1所示:2O /2CO :燃烧技术最早由Horne 和Stein burg 于1981年提出，目前该技术的研究已列为IEA 控制温室气体排放研究与计划的主要项目之一，其主要试验在加拿大政府能源技术研究中心(CETC)的0. 3 MW 的煤粉2O /2CO :燃烧半工业规模的试验系统上进行。

美国Argonne 国家实验室(ANL)在美国能源部的资助下早在1982年就开始对2O /2CO 燃烧技术进行了研究，证明常规锅炉只需进行适当的改造就可实现由空气燃烧到2O /2CO 燃烧的转变。

此外，其它发达国家如旧本、英国、荷兰、法国、德国及瑞典等均投入巨资，对该燃烧技术展开了研发工作，其中美国、日本、加拿大等国(Air Liquid- US, CAN-MET-Canada ，国际火焰研究基金一IFRF 和石川岛播磨重工一IHI)已经开展了中试规模的试验研究。

该技术的主要优越性在于(采用烟气再循环，以烟气中的CO 来替代助燃空气中的氮气，与氧气一起参与燃烧，这样能使排烟中的2CO 浓度大为提高(95%以上)，可直接回收2CO ，2SO ，x NO 二排放低，同时矿物质的蒸发量也可望较常规空气燃烧时有显著地下降，是一种污染物综合排放低的环境友好型的燃烧方式；(3)烟气再循环使得燃烧装置的排烟量大为减少(仅为传统方式的1/5)，从而大大减少排烟损失，由此锅炉热效率得以显著提高；(4)通过调整2CO 的循环比例有可能实现燃烧、传热的优化设计。

2O /2CO 燃烧技术的应用领域主要有：(1)建立在常规煤粉锅炉基础上的2O /2CO :煤粉燃烧系统；(2)在IGCC 系统中，气化产物可直接在2O /2CO 环境中燃烧，其产物可直接作为燃气轮机和余热锅炉的介质；(3)用于更高效的电力生产如燃料电池，煤气产物在电池的阳极反应后在2O 中燃烧，产生以2CO 为主要成分的烟气进一步作为阴极的反应物。

1.2 以煤制氢为核心的近零排放技术煤炭直接制氢发电技术是由美国Los Alamos 国家实验室(LANL)的Klaus Licker 和Hassocks 以及Louisiana 州立大学的Douglas Harrison 在近些年提出的。

在此技术中，煤与氢在高温、高压下反应生成甲烷，然后在Ca0存在的情况下，甲烷与O H 2进行重整反应，生成氢气和3CaCO ，其中一部分氢气在系统内循环，另一部分被用作燃料电池的燃料产生电力，3CaCO 在高温下锻烧产生高纯度的2CO ，CaO 则被循环利用，其示意图见图2在该技术所涉及的各过程中，能量和物质在该系统中充分循环。

一方面，充分利用系统自身的能量维持各过程的进行，减小系统的能量损失，提高效率;另一方面，烟气循环使大量污染物在系统内循环，从而减少污染物的排放量，同时也减少了需要处理的烟气量。

由于没有空气参与燃烧，避免了与常规燃烧过程相关的颗粒物和其他污染物的释放。

美国能源部于2003年制定的Future Gen 项目宣布将投资10亿美元用10年时间建造世界上第1座集二氧化碳捕集、封存、发电和制氢于一体的零排放示范性电厂，其将成为第1次实现大规模氢生产和二氧化碳捕集与封存的范例。

Future Gen 技术体系包括先进气化技术、气体净化技术、膜分离技术(2O ,2H 生产)、碳封存技术、氢气透平、燃料电池及其联合循环、先进燃烧以及副产品利用技术等等。

该项目是一个由美国引领的全球合作计划，它将首次验证煤基发电、制氢并同时捕集和封存二氧化碳项目的技术可行性。

1.3 基于循环氧载体的化学链燃烧技术化学链燃烧(Chemical Looping Combustion, CLC)技术是一个基于零排放理念的先进发展方向，其使用氧载体(通常是金属氧化物)中的氧原子来代替空气中的氧来完成燃料的燃烧过程，其原理示意图见图3。

金属氧化物在燃料反应器中与燃料发生还原反应，生成2CO /O H 2和被还原的金属，只需经过低能耗的冷凝过程就能实现2CO 的高浓度富集;金属颗粒送人空气反应器与空气中的氧分子发生氧化反应，释放出大量热量，所产生的金属氧化物送人燃料反应器中循环。

氧载体在2个反应器中循环，从而实现氧的转移，避免燃料与空气的直接接触，没有燃料X NO 和X SO 的产生;由于基于2步化学反应，实现了化学能梯级利用，具有更高的能量转换效率。

总体来看，化学链燃烧的研究主要集中在氧载体的制备和反应机理、反应器的设计和运行等。

目前主流的氧载体是金属氧化物，包括Fe 、Cu 、Ni 、Mn 、C 。

等的氧化物，氧载体一般附着在惰性载体(热载体)上，用于惰性载体的化合物常常有32O Al 、2SiO 、MgO 、2TiO 、六价铝酸盐等；另外，研究者还对非金属氧化物作为氧载体进行了可行性研究。

目前，瑞典Chalmers University of Technology 、韩国能源研究院、TDA Research 公司以及国内的东南大学都搭建了可以连续运行的试验规模的化学链燃烧系统。

1.4 常规燃煤电站2CO 富集技术从常规燃煤烟气产物中捕获2CO 并储存和利用这些高浓度2CO 被认为是近期内减缓2CO 排放的根本方法，也是较为可行的措施与技术之一。

1. 4. 1 吸收分离法吸收分离法是利用吸收剂对混合气体进行洗涤来分离2CO 的方法。

按照吸收剂的不同，可分为化学吸收和物理吸收。

典型的化学吸收法流程如图4所示。

化学吸收溶剂与2CO 在吸收塔中发生化学反应，2CO 被吸收后形成富液，并在还原塔内加热释放出2CO ，从而达到分离的目的。

常用的化学溶剂为32CO K 水溶液、乙醇胺类水溶液等，目前较新的是道化学公司1999年开发命名为Gas/SpecCS-2000的溶剂，其具有较高的2CO 吸收率且不会引起设备的严重腐蚀。

物理吸收法通常是在加压下利用有机溶剂对2CO 进行吸收，通过减压使溶剂得到再生。

所选吸收剂应对2CO 溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、性能稳定。

常用溶剂有环丁矾、聚乙二醇二甲醚、冷甲醇,N 一甲基毗咯烷酮及碳酸丙稀醋等。

1. 4. 2 吸附分离法吸附分离是基于气体与吸附剂表面活性点间的分子间力来实现的。

按照解析方式的不同，可分为变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA>。

吸附剂在低温或高压下从混合气体中选择性地吸附2CO ，然后通过升温或降压把被吸附的2CO 释放出来，通过周期性地改变温度与压力使2CO 得到分离。

常用吸附剂为活性炭、沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶等固体吸附剂。

该法适用于含2CO 在30 00^60%的气体，回收较为经济。

1.4.3 膜分离法膜分离法可分为气体分离膜技术和气体吸收膜技术2种。

气体分离膜技术是依靠待分离混合气体与膜间的化学或物理反应。

由于膜对不同气体透率的差异从而将混合气体分为渗透气体和残留气体，使得高渗透率气体快速溶解并穿过薄从而达到分离的目的。