化工进展 ›› 2024, Vol. 43 ›› Issue (6): 2901-2914.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0730
• 特约评述 •
刘克峰(), 刘陶然, 蔡勇, 胡雪生, 董卫刚, 周华群, 高飞()
收稿日期:
2023-05-04
修回日期:
2023-08-14
出版日期:
2024-06-15
发布日期:
2024-07-02
通讯作者:
高飞
作者简介:
刘克峰(1982—),男,博士,高级工程师,研究方向为二氧化碳捕集和含碳小分子催化转化等。E-mail:liukefeng@petrochina.com.cn。
基金资助:
LIU Kefeng(), LIU Taoran, CAI Yong, HU Xuesheng, DONG Weigang, ZHOU Huaqun, GAO Fei()
Received:
2023-05-04
Revised:
2023-08-14
Online:
2024-06-15
Published:
2024-07-02
Contact:
GAO Fei
摘要:
捕集、封存(CCS)/捕集、利用和封存(CCUS)技术是缓解日趋严重气候问题的有效措施,其中CO2捕集是CCS/CCUS技术中的关键环节。经过多年发展,以乙醇胺为代表以及在此基础上发展起来的多氨基胺、位阻胺、离子液体等化学胺吸收碳捕集技术逐渐成熟,此类技术已开展或正在进行大型试验或工业示范。科研机构已经完成了技术评审(TR)的关键节点验证,积累了丰富的经验。本文结合具体案例简要介绍了包括燃烧前、富氧燃烧、化学链燃烧和燃烧后捕集技术的进展情况,分析了各类技术目前存在的主要问题,并提出了影响CO2捕集技术大范围推广的关键因素。捕集能耗高、设备投资和维护成本高、产生的废弃物量大是影响捕集成本的主要因素。此外,捕集的CO2主要还是用于驱油和埋存,尚不成熟的CO2化工转化技术生产的产品竞争力比较弱。
中图分类号:
刘克峰, 刘陶然, 蔡勇, 胡雪生, 董卫刚, 周华群, 高飞. 二氧化碳捕集技术研究和工程示范进展[J]. 化工进展, 2024, 43(6): 2901-2914.
LIU Kefeng, LIU Taoran, CAI Yong, HU Xuesheng, DONG Weigang, ZHOU Huaqun, GAO Fei. Progress in research and engineering demonstration of CO2 capture technology[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2024, 43(6): 2901-2914.
二氧化碳气源 | 体积分数/% |
---|---|
燃煤富氧燃烧 | >80 |
燃煤锅炉烟道气 | 14~19 |
天然气锅炉烟道气 | 7~8 |
天然气联合循环装置 | 4 |
天然气部分氧化 | 40 |
焦炭及重油锅炉 | 10~17 |
催化裂化烟气 | 13~16 |
水泥、石灰窑烟气 | 15~45 |
炼钢烟气 | 18~21 |
表1 主要工业生产过程排放烟气中CO2含量[4]
二氧化碳气源 | 体积分数/% |
---|---|
燃煤富氧燃烧 | >80 |
燃煤锅炉烟道气 | 14~19 |
天然气锅炉烟道气 | 7~8 |
天然气联合循环装置 | 4 |
天然气部分氧化 | 40 |
焦炭及重油锅炉 | 10~17 |
催化裂化烟气 | 13~16 |
水泥、石灰窑烟气 | 15~45 |
炼钢烟气 | 18~21 |
序号 | 项目名称 | 所在国家地区 | 开始时间 | 项目规模/MW | 碳捕集技术 |
---|---|---|---|---|---|
1 | HECA IGCC电站 | 美国 | 2019年 | 400 | 低温甲醇洗(rectisol) |
2 | Vresova IGCC电站 | 捷克 | 1996年 | 400 | 低温甲醇洗(rectisol) |
3 | 福建炼油乙烯IGCC项目 | 中国 | 2009年 | 280 | 低温甲醇洗(rectisol) |
4 | ELCOGAS IGCC电站 | 西班牙 | 2003年 | 14 | 化学吸收(MDEA) |
5 | 华能天津IGCC电站 | 中国 | 2012年 | 250 | 化学吸收(MDEA) |
6 | Western Power’s Taean IGCC电站 | 韩国 | 2016年 | 300 | 化学吸收① |
7 | Edwardsport IGCC电站 | 美国 | 2013年 | 618 | 物理吸收(selexol)② |
8 | HRL IDGCC示范项目② | 澳大利亚 | 2009年 | — | 化学吸收法、膜法、吸附法 |
表2 国内外具有代表性的IGCC配置CO2捕集项目
序号 | 项目名称 | 所在国家地区 | 开始时间 | 项目规模/MW | 碳捕集技术 |
---|---|---|---|---|---|
1 | HECA IGCC电站 | 美国 | 2019年 | 400 | 低温甲醇洗(rectisol) |
2 | Vresova IGCC电站 | 捷克 | 1996年 | 400 | 低温甲醇洗(rectisol) |
3 | 福建炼油乙烯IGCC项目 | 中国 | 2009年 | 280 | 低温甲醇洗(rectisol) |
4 | ELCOGAS IGCC电站 | 西班牙 | 2003年 | 14 | 化学吸收(MDEA) |
5 | 华能天津IGCC电站 | 中国 | 2012年 | 250 | 化学吸收(MDEA) |
6 | Western Power’s Taean IGCC电站 | 韩国 | 2016年 | 300 | 化学吸收① |
7 | Edwardsport IGCC电站 | 美国 | 2013年 | 618 | 物理吸收(selexol)② |
8 | HRL IDGCC示范项目② | 澳大利亚 | 2009年 | — | 化学吸收法、膜法、吸附法 |
序号 | 项目名称 | 所在国家地区 | 时间 | 项目规模/MW | 压缩分离供应方 |
---|---|---|---|---|---|
1 | Schwarze Pumpe燃煤富氧燃烧示范项目① | 德国 | 2014年 | 30 | Linda/Air Product |
2 | Callide富氧燃烧项目 | 澳大利亚 | 2011年 | 30 | Air Liquid |
3 | CIUDEN循环流化床富氧燃烧项目 | 西班牙 | 2012年 | 30 | Air Liquid |
4 | Meredosia富氧燃烧示范项目② | 美国 | 2016年 | 167 | Air Product |
5 | Doosan富氧燃烧示范项目 | 英国 | 2009年 | 40 | Air Product |
6 | 华科3MW富氧燃烧全流程工业试验 | 中国 | 2012年 | 3 | 四川空分 |
7 | 华科35MW富氧燃烧全流程工业试验 | 中国 | 2015年 | 35 | — |
表3 国内外具有代表性的富氧燃烧CO2捕集项目
序号 | 项目名称 | 所在国家地区 | 时间 | 项目规模/MW | 压缩分离供应方 |
---|---|---|---|---|---|
1 | Schwarze Pumpe燃煤富氧燃烧示范项目① | 德国 | 2014年 | 30 | Linda/Air Product |
2 | Callide富氧燃烧项目 | 澳大利亚 | 2011年 | 30 | Air Liquid |
3 | CIUDEN循环流化床富氧燃烧项目 | 西班牙 | 2012年 | 30 | Air Liquid |
4 | Meredosia富氧燃烧示范项目② | 美国 | 2016年 | 167 | Air Product |
5 | Doosan富氧燃烧示范项目 | 英国 | 2009年 | 40 | Air Product |
6 | 华科3MW富氧燃烧全流程工业试验 | 中国 | 2012年 | 3 | 四川空分 |
7 | 华科35MW富氧燃烧全流程工业试验 | 中国 | 2015年 | 35 | — |
序号 | 项目名称 | 所在国家 地区 | 时间 | 项目规模 | 烟气类型 | 技术持有单位 和吸收剂 | 能耗GJ /GJ·(tCO2)-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 北京热点厂中试项目 | 中国 | 2008年 | 3000t/a | 燃煤电厂 | 华能,MEA | — |
2 | 上海石洞口12×104t/a工业示范 | 中国 | 2009年 | 12×104t/a | 燃煤电厂 | 华能,MEA | 3 |
3 | Boundary Dam | 加拿大 | 2014年 | 100×104t/a | 燃煤电厂 | 壳牌康索夫DC-103,MEA | — |
4 | Warrior Run示范项目 | 美国 | 2000年 | 150t/d | 燃煤电厂 | 福陆(DOW),MEA | — |
5 | Petrol Nova | 美国 | 2017年 | 140×104t/a | 燃煤电厂 | 三菱重工 KS-1,位阻胺 | 2.4 |
6 | NCCC中试项目 | 美国 | 2018年 | 2.5t/d | 燃气电厂 | 德克萨斯大学,哌嗪 | 2.45 |
7 | NCCC中试项目 | 美国 | 2022年 | 2.5t/d | 燃气电厂 | ION Clean Energy,ICE-31 | 2.4 |
8 | 长春热电厂中试项目 | 中国 | 2020年 | 1000t/a | 燃煤电厂 | 华能,相变吸收剂 | 2.3 |
9 | DMX Demonstration in Dunkirk中试项目 | 法国 | 2022年 | 12t/d | 炼钢烟气 | IFPEN/Axens,相变吸收剂 | 2.3 |
10 | Hazelwood Power Station中试 | 澳大利亚 | 2011年 | 1t/d | 燃煤电厂 | 墨尔本大学CO2CRC,碳酸钾 | 2.5 |
11 | 海螺水泥白马山示范项目 | 中国 | 2018年 | 5×104t/a | 水泥窑 | 大连理工大学,AEEA | — |
12 | 锦界15×104t/a CCUS示范项目 | 中国 | 2021年 | 15×104t/a | 燃煤电厂 | 国家能源集团,复合胺(多氨基胺及位阻胺) | 2.4 |
13 | Staudinger power plant中试项目 | 德国 | 2009年 | — | 燃煤电厂 | 西门子,氨基酸 | 2.7 |
14 | Wilhelmshaven coal power plant中试项目 | 德国 | 2012年 | 70t/d | 燃煤电厂 | 福陆,二甘醇胺 | 2.7 |
15 | 大唐国际北京高井电厂 | 中国 | 2014年 | 5t/d | 燃气电厂 | 成都华天海容,MEA+离子液体 | — |
16 | 北京热电厂中试项目 | 中国 | 2013年 | 1000t/a | 燃气电厂 | 华能 | 3.2 |
17 | 国电投长兴岛CCUS创新示范项目 | 中国 | 2023年 | 10×104t/a | 燃气电厂 | 远达环保、清华大学、中国科学院 | — |
表4 国内外具有代表性的吸收法CO2捕集项目
序号 | 项目名称 | 所在国家 地区 | 时间 | 项目规模 | 烟气类型 | 技术持有单位 和吸收剂 | 能耗GJ /GJ·(tCO2)-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 北京热点厂中试项目 | 中国 | 2008年 | 3000t/a | 燃煤电厂 | 华能,MEA | — |
2 | 上海石洞口12×104t/a工业示范 | 中国 | 2009年 | 12×104t/a | 燃煤电厂 | 华能,MEA | 3 |
3 | Boundary Dam | 加拿大 | 2014年 | 100×104t/a | 燃煤电厂 | 壳牌康索夫DC-103,MEA | — |
4 | Warrior Run示范项目 | 美国 | 2000年 | 150t/d | 燃煤电厂 | 福陆(DOW),MEA | — |
5 | Petrol Nova | 美国 | 2017年 | 140×104t/a | 燃煤电厂 | 三菱重工 KS-1,位阻胺 | 2.4 |
6 | NCCC中试项目 | 美国 | 2018年 | 2.5t/d | 燃气电厂 | 德克萨斯大学,哌嗪 | 2.45 |
7 | NCCC中试项目 | 美国 | 2022年 | 2.5t/d | 燃气电厂 | ION Clean Energy,ICE-31 | 2.4 |
8 | 长春热电厂中试项目 | 中国 | 2020年 | 1000t/a | 燃煤电厂 | 华能,相变吸收剂 | 2.3 |
9 | DMX Demonstration in Dunkirk中试项目 | 法国 | 2022年 | 12t/d | 炼钢烟气 | IFPEN/Axens,相变吸收剂 | 2.3 |
10 | Hazelwood Power Station中试 | 澳大利亚 | 2011年 | 1t/d | 燃煤电厂 | 墨尔本大学CO2CRC,碳酸钾 | 2.5 |
11 | 海螺水泥白马山示范项目 | 中国 | 2018年 | 5×104t/a | 水泥窑 | 大连理工大学,AEEA | — |
12 | 锦界15×104t/a CCUS示范项目 | 中国 | 2021年 | 15×104t/a | 燃煤电厂 | 国家能源集团,复合胺(多氨基胺及位阻胺) | 2.4 |
13 | Staudinger power plant中试项目 | 德国 | 2009年 | — | 燃煤电厂 | 西门子,氨基酸 | 2.7 |
14 | Wilhelmshaven coal power plant中试项目 | 德国 | 2012年 | 70t/d | 燃煤电厂 | 福陆,二甘醇胺 | 2.7 |
15 | 大唐国际北京高井电厂 | 中国 | 2014年 | 5t/d | 燃气电厂 | 成都华天海容,MEA+离子液体 | — |
16 | 北京热电厂中试项目 | 中国 | 2013年 | 1000t/a | 燃气电厂 | 华能 | 3.2 |
17 | 国电投长兴岛CCUS创新示范项目 | 中国 | 2023年 | 10×104t/a | 燃气电厂 | 远达环保、清华大学、中国科学院 | — |
1 | 刘兰. 全球极端天气走向常态化[J]. 生态经济, 2021, 37(9): 5-8. |
LIU Lan. Global extreme weather is becoming normal[J]. Ecological Economy, 2021, 37(9): 5-8. | |
2 | 韩学义. 电力行业二氧化碳捕集、利用与封存现状与展望[J]. 中国资源综合利用, 2020, 38(2): 110-117. |
HAN Xueyi. Current situation and prospect of carbon dioxide capture, utilization and storage in electric power industry[J]. China Resources Comprehensive Utilization, 2020, 38(2): 110-117. | |
3 | 袁舟. CO2捕集与封存产业化发展的政策初探[J]. 云南化工, 2022, 49(11): 100-102. |
YUAN Zhou. A preliminary study on the policy of industrialization development of CO2 capture and storage[J]. Yunnan Chemical Technology, 2022, 49(11): 100-102. | |
4 | MONDAL Monoj Kumar, BALSORA Hemant Kumar, VARSHNEY Prachi. Progress and trends in CO2 capture/separation technologies: A review[J]. Energy, 2012, 46(1): 431-441. |
5 | 白尊亮. 中美日典型IGCC电站对比研究[J]. 中外能源, 2021, 26(5): 9-15. |
BAI Zunliang. Comparative study on typical IGCC power stations in China, USA and Japan[J]. Sino-Global Energy, 2021, 26(5): 9-15. | |
6 | 孙晓晓, 吴文信, 黄琼志. IGCC在石化工艺中的集成功能[J]. 炼油技术与工程, 2010, 40(10): 5-9. |
SUN Xiaoxiao, WU Wenxin, HUANG Qiongzhi. IGCC’s system integration function in petrochemical process[J]. Petroleum Refinery Engineering, 2010, 40(10): 5-9. | |
7 | SIFAT Najmus S, HASELI Yousef. A critical review of CO2 capture technologies and prospects for clean power generation[J]. Energies, 2019, 12(21): 4143. |
8 | 林民鸿, 樊玲. NHD净化工艺应用领域[J]. 化肥设计, 2002, 40(5): 4, 40-43. |
LIN Minhong, FAN Ling. Application field of NHD purification process[J]. Chemical Fertilizer Design, 2002, 40(5): 4, 40-43. | |
9 | ROUSSANALY Simon, VITVAROVA Monika, ANANTHARAMAN Rahul, et al. Techno-economic comparison of three technologies for pre-combustion CO2 capture from a lignite-fired IGCC[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2020, 14(3): 436-452. |
10 | CASERO Pedro, COCA Pilar, Francisco GARCÍA-PEÑA, et al. CO2 emissions reduction technologies in IGCC: ELCOGAS’s experiences in the field[J]. Greenhouse Gases: Science and Technology, 2013, 3(4): 253-265. |
11 | KAPETAKI Zoe, Hyungwoong AHN, BRANDANI Stefano. Detailed process simulation ofpre-combustion IGCC plants using coal-slurry and dry coal gasifiers[J]. Energy Procedia, 2013, 37: 2196-2203. |
12 | ALPTEKIN G. Pilot testing of a highly efficient pre-combustion sorbent-based carbon capture system[C]//2021 Carbon Management and Oil and Gas Research Project Review Meeting, 2021. |
13 | BAZMI Mohammad, TSOTSIS Theodore, JESSEN Kristian, et al. Advanced ceramic membranes/modules for ultra efficient hydrogen (H2) production/carbon dioxide (CO2) capture for coal-based polygeneration plants: Fabrication, testing, and CFD modeling[C]//39th Annual International Pittsburgh Coal Conference. US DOE, 2022. |
14 | LIN Haiqing, SWIHART M, KNIEP J, et al. Sorption enhanced mixed matrix membranes for hydrogen (H2) purification and carbon dioxide (CO2) capture[R]. United States, 2020. |
15 | KNIEP J, SALIM W, MERKEL T, et al. Bench-Scale Development of a transformative membrane process for pre-combustion CO2 capture[R]. Membrane Technology and Research, Inc., Newark, 2022. |
16 | JAYAWEERA Indira, JAYAWEERA Palitha, BHAMIDI Srinivas, et al. Development of a pre-combustion CO2 capture process using high-temperature PBI hollow-fiber membranes[J]. Social Science Electronic Publishing. DOI:10.2139/ssrn.3366238 . |
17 | KOECH P K. Syngas purifications using high-pressure CO2 BOL derivatives with pressure swing regeneration[C]//NETL Carbon Capture 2020 integrated Review Webinar, 2020. |
18 | ANDERSON Clare, SCHOLES Colin, LEE Andrew, et al. Novelpre-combustion capture technologies in action—Results of the CO2 CRC/HRL Mulgrave capture project[J]. Energy Procedia, 2011, 4: 1192-1198. |
19 | 江蓉, 张进, 李小姗, 等. 基于富氧燃烧的CO2压缩纯化技术研究进展[J]. 煤炭学报, 2022, 47(11): 3914-3925. |
JIANG Rong, ZHANG Jin, LI Xiaoshan, et al. Research progress of CO2 compression and purification technology based on oxy-fuel combustion[J]. Journal of China Coal Society, 2022, 47(11): 3914-3925. | |
20 | ZHANG P, HUANG S, SAYEGH S, et al. Effect of CO2 impurities on gas-injection EOR processes[C]. SPE/DOE Symposium on Improved Oil Recovery, 2004. |
21 | Lars STRÖMBERG, Göran LINDGREN, Jürgen JACOBY, et al. Update on Vattenfall’s 30 MWth oxyfuel pilot plant in Schwarze Pumpe[J]. Energy Procedia, 2009, 1(1): 581-589. |
22 | KOMAKI Akihiro, GOTOU Takahiro, UCHIDA Terutoshi, et al. Operation experiences of oxyfuel power plant in callide oxyfuel project[J]. Energy Procedia, 2014, 63: 490-496. |
23 | LUPION M, DIEGO R, LOUBEAU L, et al. CIUDEN CCS Project: Status of the CO2 capture technology development plant in power generation[J]. Energy Procedia, 2011, 4: 5639-5646. |
24 | DELGADO M A, DIEGO R, ALVAREZ I, et al. CO2 balance in a compression and purification unit (CPU)[J]. Energy Procedia, 2014, 63: 322-331. |
25 | 黄卫军, 李延兵, 廖海燕, 等. 富氧燃烧锅炉CO2纯化技术研究综述[J]. 中国煤炭, 2014, 40(S1): 253-257, 262. |
HUANG Weijun, LI Yanbing, LIAO Haiyan, et al. Review on purification technology of CO2 in oxygen-enriched combustion boiler[J]. China Coal, 2014, 40(S1): 253-257, 262. | |
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YANG Yong, ZHANG Yihua, CAI Lyulyu, et al. Analysis on industrial application progress of oxygen enriched combustion[J]. Energy and Energy Conservation, 2021(7): 179-181, 205. | |
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LEI Ting, YU Shunan, ZHOU Chang’an, et al. Research progress on the shaping technology of solid amine adsorbents for CO2 capture by adsorption method[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2022, 41(12): 6213-6225. | |
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ZHAO Wenying, ZHANG Zhi, LI Zhenshan, et al. Experiment research on CO2 continuous capture using dual fluidized bed reactors with supported amine[J]. CIESC Journal, 2013, 64(10): 3640-3646. | |
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