基于碳捕集的燃煤机组热力系统优化及技术经济分析

碳捕集和封存是实现电力低碳化发展的关键所在,以600 MW机组为例,研究了碳捕集系统的能量流和质量流。提出了碳捕集系统与燃煤机组的耦合方式,计算了参考电站和碳捕集电站的热经济性。建立了碳捕集电站优化模型,以粒子群算法作为优化模型的求解算法,获得了系统的最优解。基于各设备投资成本,建立了碳捕集电站发电成本和CO2减排成本模型,研究了碳捕集电站的技术经济性。利用系统灵敏度分析方法,研究了碳税收和碳售价对发电成本和CO2减排成本的影响。结果表明：优化后碳捕集电站的热效率比优化前提高了1.1%;当CO2税收额高于0.33元/(kgCO2)时,碳捕集电站的经济性优于参考电站。     

现实可行且成本可负担的中国电力低碳转型路径

电力行业的脱碳对于实现《巴黎协定》的减排目标至关重要,但同时也面临着巨大的困难和挑战,具有很强的复杂性和不确定性。为了给出现实可行且成本可负担的电力低碳转型路径,建立了具有足够时空分辨率和技术准确度的“自下而上”能源系统模型来模拟与优化中国电力行业的未来发展路径。通过设置3种典型情景(基准情景、2℃情景和1.5℃情景),分析电力脱碳技术路径以及相应的实施方案。结果表明,若按照当前的电力发展趋势,将不能实现《巴黎协定》规定的2℃/1.5℃目标,必须在当前基础上加大可再生能源扩张、加快燃煤电厂退出以及大规模部署碳捕集技术。未来30 a,风电和光伏发电需要逐渐转变为主力电源,年均装机增速达到当前水平的2~4倍。燃煤机组的容量需要逐渐减少,部分机组甚至要提前退役,这将导致燃煤机组的平均寿命降低0.42~1.93 a,对应1050亿元~6550亿元的搁浅成本。碳捕集技术需要大规模应用,尤其是煤炭生物质掺烧再加碳捕集装置的技术,到2050年,电力行业的二氧化碳年捕集量达到8.9亿t~10.8亿t。为了保障上述转型路径的实现,需要处理好电网安全稳定运行、煤电有序退出、碳捕集技术的部署以及转型投资成本的问题。通过加大储能等先进技术研发力度、建立存量煤电有序退出机制、加快碳捕集相关技术的研发与应用示范以及建立和完善绿色投融资机制等措施,可以有效解决这些问题。应对气候变化是全人类共同的责任,应当从现在起就超前部署相关措施和政策,以实现2℃/1.5℃目标下的中国电力低碳转型。     

碳捕集技术研究进展

碳捕集技术对于减少大气中的CO_2浓度显得至关重要,尤其是对于排放大量温室气体的火力发电厂和工业源的CO_2捕集。本文主要概述了CO_2的燃烧前捕集、富氧燃烧捕集、燃烧后捕集这3种主要的碳捕集技术的研究现状,并结合当前正在研究的碳捕集技术,提出了碳捕集技术未来可能的发展方向。     

燃煤烟气化学吸收碳捕集系统分析与优化

系统工艺优化是有效降低化学吸收法碳捕集成本的手段之一。本文以1000MW燃煤机组燃烧后烟气化学吸收CO_2捕集系统为研究对象,建立该系统碳捕集能耗模型和成本模型;在此基础上研究各流程参数对碳捕集能耗及成本的影响规律并获得基于正交设计的最优参数组合。结果显示:CO_2脱除率、吸收剂质量浓度、贫富液换热器端差能显著影响系统碳捕集能耗及成本。随着CO_2脱除率的增加(50%~90%)、吸收剂浓度的增大,脱碳系统的CO_2避免成本下降,而对于贫富液换热器端差,存在一个最优值7℃,使得CO_2避免成本最小。本次研究得到的优化方案的再生热耗为3.61GJ/t CO_2,相比基础方案下降10.9%;单位投资为3156.7元/k W,相比基础方案下降12.2%;单位运行成本为177.3元/t CO_2,相比基础方案下降8.0%;CO_2避免成本为315.86元/t CO_2,与基础方案的364.52元/t CO_2相比,下降13.3%。     

燃煤电厂CO2捕集与咸水层封存全过程经济性模型

碳捕集与封存技术（即CCS技术）通过对CO₂进行捕集、压缩、运输与封存,可实现CO₂大规模减排,近年来受到广泛关注。CCS技术的经济成本是其商业化的关键因素,但目前多数研究都集中在捕集过程,CCS全过程的经济成本分析鲜见报道。针对CO₂捕集与咸水层封存系统,给出了捕集封存全过程投资运行总成本和捕集封存整体系统CO₂减排成本的计算公式,建立了CO₂捕集、压缩、管道运输与咸水层封存全过程的成本估算模型,并对典型的600 MW超临界燃煤电厂捕集封存CO₂的投资运行成本和减排成本进行了案例研究。     

基于钠基吸附剂的烟气脱碳系统余热利用研究

针对基于钠基固体吸附剂的燃烧后脱碳技术应用于燃煤电厂后综合能耗偏高的问题,本文提出与供热机组结合的碳捕集/供热双机组系统,利用低温热网回水回收系统低品位余热。依据双机组的抽汽混合与否构建了两种系统流程,分析了两种不同方案下的系统性能。研究结果表明,在有效回收脱碳系统碳酸化反应余热后,独立抽汽方案中碳捕集综合能耗从4.05GJ/t CO₂降低至1.26GJ/t CO₂,而混合抽汽方案中碳捕集综合能耗降低至1.13GJ/t CO₂,同时双机组系统的热网供热量较单供热机组分别增加了67.5%和72.8%,经济效益显著。分析了混合抽汽方案的系统中碳捕集综合能耗随相关运行参数变化的规律,发现碳酸化反应温度和热网回水温度因为能够直接影响系统余热利用程度因而更易对碳捕集综合能耗产生影响。     

低油价条件下CCUS的经济适用性评价

目前用于油田驱油的CO_2气源主要来自于天然气藏和碳捕集。其中,碳捕集驱油的投入成本较高,且由于煤化工企业与油田距离相对较远,运输成本也较高。通过对CO_2捕集成本、运输成本、驱油成本、增油效益等方面的分析评价,建立了一种CO_2捕集驱油的经济评价方法,并以此评价低油价条件下CO_2捕集、利用和封存(CCUS)技术的经济适用性。同时,以南京化学工业有限公司工业尾气回收所得CO_2用于苏北油田驱油为例,对苏北油田工业尾气CO_2驱油技术开展了经济性评价。     

MEA-AEP溶液捕集CO_2试验研究

针对传统碳捕集吸收剂解吸能耗高的问题,建立了双胺溶液碳捕集系统。采用MEA-AEP双胺溶液进行捕集CO_2研究,研究了吸收温度、CO_2浓度、吸收液浓度对捕集率的影响,并对比了MEA-AEP溶液与MEA溶液的捕集效果以及工业应用潜力。结果表明,双胺溶液的最佳吸收温度为50℃,最佳吸收液浓度为3 mol/L,烟气中CO_2浓度应<15%;在碳捕集效果上,MEA-AEP溶液明显优于MEA溶液。     

MEA-AEP溶液捕集CO_2试验研究

针对传统碳捕集吸收剂解吸能耗高的问题,建立了双胺溶液碳捕集系统。采用MEA-AEP双胺溶液进行捕集CO_2研究,研究了吸收温度、CO_2浓度、吸收液浓度对捕集率的影响,并对比了MEA-AEP溶液与MEA溶液的捕集效果以及工业应用潜力。结果表明,双胺溶液的最佳吸收温度为50℃,最佳吸收液浓度为3 mol/L,烟气中CO_2浓度应15%;在碳捕集效果上,MEA-AEP溶液明显优于MEA溶液。     

电厂和碳捕集装置同步集成与调度优化研究

由于全球碳排放量持续增加所引发的环境问题日益严重,发展低碳技术迫在眉睫。在化石燃料发电厂的尾端加入碳捕集装置能够有效减少燃煤电厂的碳足迹,达成减排指标。然而,碳捕集装置的高设备成本以及运行所附带的效率惩罚和经济惩罚阻碍了其与电厂装置的集成与部署。为了在满足碳减排量的同时有效提高电厂和碳捕集装置的总体效益,建立了一个基于数学规划的系统优化设计与调度方法,将发电厂与一个增加烟气旁路和溶剂储罐的碳捕集装置进行集成,并在电厂蒸汽动力循环部分引入分级透平,旨在考虑电价波动的情况下,充分利用碳捕集装置的操作灵活性与蒸汽透平分级做功的优势,对集成系统进行调度优化。最后,通过算例验证了模型的可靠性与有效性,分析归纳了电厂与碳捕集装置协同调度的主要特性与规律。     

燃烧后二氧化碳捕集技术与应用进展

二氧化碳是主要的温室气体之一，其大量排放已对全球的气候环境造成严重影响，迫切需要开发经济有效的碳捕集技术。目前，碳捕集技术主要有吸收分离法、吸附分离法、膜分离法和低温分离法。首先，介绍了碳捕集技术的发展现状、应用研究进展和未来发展趋势；总结了国内外碳捕集示范项目；重点对比了各碳捕集技术的优势与缺点，同时强调了捕集技术面临的困难与挑战；指出目前主要的碳捕集技术均难以独立实现高效、节能、经济的碳捕集分离，需针对不同的应用场景，选择适合的分离技术，并提出了适用分离场景的应用建议；最后，简要介绍了混合捕集技术的研究成果，提出混合捕集技术可能是一种突破单一捕集技术瓶颈的可行方法。     

燃烧后CO_2捕集技术研究

对燃烧前、燃烧后CO2捕集以及富氧燃烧3种CO2捕集技术的特点,以及适用于燃煤电厂的燃烧后CO2捕集技术进行了介绍,分析了吸收分离法、吸附分离法和膜分离法的原理及优缺点。其中,化学吸收法应用最广,但再生能耗大,运行成本高;吸附法虽再生能耗小,但对CO2选择性低,吸附能力有限;膜分离法目前仍处于实验室研究阶段,但应用前景巨大。对上述技术整合形成复合技术以及对新材料进行开发将有助于克服现有CCS技术面临的困难。     

甘氨酸盐捕集二氧化碳后的矿化解吸与再生研究

矿化解吸作为低能耗的再生工艺已成为二氧化碳捕集封存（CCS）技术的关注点。为了更好地研究矿化解吸已捕集二氧化碳的吸收剂以及吸收剂再生的整个过程,采用了衰减全反射傅里叶变换红外光谱法（ATR-FTIR）指认了甘氨酸钾溶液以及其二氧化碳吸收饱和溶液的12个特征峰,再选定特有的反应物和产物的特征峰,对氧化钙矿化解吸已捕集二氧化碳以及甘氨酸钾再生过程做跟踪测量。实验结果表明,在矿化解吸二氧化碳过程中随着甘氨酸钾溶液pH的逐渐升高,溶液中质子胺（—NH₃⁺）、氨基甲酸酯（N—COO^-）和碳酸氢根（HCO₃^-）的含量在逐渐减少,溶液中的胺基（—NH₂）不断生成,甘氨酸钾吸收剂得到再生。虽然—NH₃⁺可以完全再生回—NH₂,但部分N—COO^-还保留在吸收剂溶液中。因此,氧化钙矿化解吸无法完全再生已捕集二氧化碳的甘氨酸钾吸收剂。该结果有助于进一步了解矿化解吸已捕集二氧化碳吸收剂的反应机理和反应动力学。     

二氧化碳捕集技术研究进展

随着全球工业的快速发展,二氧化碳的大量排放被认为是造成气候变暖最主要原因,二氧化碳的捕集和封存已经成为研究的热点,本文综述了近年来CO2捕集技术的研究进展,主要有燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧三条技术路线,最后提出了可以提高二氧化碳捕集能力的策略与展望。     

二氧化碳捕集技术及应用分析

分析了CO2捕集技术及现状。CO2捕集是CCS的关键技术单元之一,针对不同的CO2气源,国内外研究开发了多种技术。许多CO2捕集技术已经工业化,其中燃烧后烟气中CO2的捕集技术主要是以一乙醇胺(MEA)为基础的胺法;燃烧前的CO2捕集技术主要应用于IGCC电厂,一般需要对煤气中CO进行部分变换,变换后脱碳可采用成熟技术,如Selexol(NHD)等。富氧燃烧则是在中试成功的基础上,进行更大规模的工业示范。国内外大型煤制油化工项目主要采用低温甲醇洗脱除CO2,如果设置CO2产品塔,则可以获得体积分数98%以上的CO2。天然气脱碳主要采用MDEA技术。另外还有低温法、PSA、膜分离等CO2捕集技术及化学链燃烧等一些正在研发的技术。     

碳捕获与封存技术综述

人类活动排放的二氧化碳将导致全球温度上升,从而引发各种灾难。CCS是短期内减缓全球变暖速度的重要手段。文中综述了碳捕获和碳封存的技术方法,以及CCS技术存在的问题。碳捕获分为燃烧前捕获、富氧燃烧捕获和燃烧后捕获。碳封存方式有地址封存、洋封存、矿石碳化、工业利用、生态封存等,其中地质封存是主流方式。     

加快生物质废弃物吸附增强制可再生氢气

作为全球性的优质能源载体,氢的主要生产方式包括碳氢化合物（例如天然气、煤炭和生物质）的热化学过程以及使用电力来源与可再生能源（如风能或太阳能等）的水电解过程。目前的水电解技术在大规模制氢方面经济竞争力亟待提升。本文指出：为了在2060年实现碳中和,迫切需要开发绿氢制备新技术,大力发展可再生制氢和低碳制氢。具有碳捕集、利用和封存的碳氢化合物低碳制氢（蓝色）技术将占重要地位,随后逐步转向可再生制氢（绿色）,并有望全面实现零碳制氢,进而对长期低碳化社会的发展至关重要。文章提出我国生物质资源非常丰富,但生物质废弃物制氢的技术成熟度仍然较低,迫切需要开发从生物质中高效生产可再生氢气的新技术,以显著提高氢气产量并降低成本;吸附增强反应代表了一种可用于可持续生产氢的有前景的新技术;氢气的产率和纯度可以通过过程强化得到显著提高,制氢过程的强化可以在多功能反应器中实现,其中重整和/或气化、水煤气变换和CO₂移除步骤可将重整/水煤气变换反应催化剂和CO₂捕集剂混合而集成到一个反应器中。最后指出：由于该过程潜力巨大,因此应助推耦合气化和吸附增强反应过程从生物质废弃物中生产可再生氢气的工艺过程,以加快推进碳中和进程。     

Techno-economic comparison of three technologies for pre-combustion CO2 capture from a lignite-fired IGCC

This paper compares the techno-economic performances of three technologies for CO₂ capture from a lignite-based IGCC power plant located in the Czech Republic: (1) Physical absorption with a Rectisol-based process; (2) Polymeric CO₂-selective membrane-based capture; (3) Low-temperature capture. The evaluations show that the IGCC plant with CO₂ capture leads to costs of electricity between 91 and 120 €·MWh⁻¹, depending on the capture technology employed, compared to 65 €·MWh⁻¹ for the power plant without capture. This results in CO₂ avoidance costs ranging from 42 to 84 €·t_CO2,avoided⁻¹ , mainly linked to the losses in net power output. From both energy and cost points of view, the low-temperature and Rectisol based CO₂ capture processes are the most efficient capture technologies. Furthermore, partial CO₂ capture appears as a good mean to ensure early implementation due to the limited increase in CO₂ avoidance cost when considering partial capture. To go beyond the two specific CO₂-selective membranes considered, a cost/membrane property map for CO₂-selective membranes was developed. This map emphasise the need to develop high performance membrane to compete with solvent technology. Finally, the cost of the whole CCS chain was estimated at 54 €·t_CO2,avoided⁻¹ once pipeline transport and storage are taken into consideration.     

二氧化碳捕获材料的研究进展

简要阐述了近年来二氧化碳的减排、捕获等最新技术的研究进展,着重介绍了二氧化碳捕获材料的研究状况,如醇胺类吸附剂、离子液体吸附材料、金属化合物材料、陶瓷材料、沸石分子筛材料、碳基吸附材料、硅胶材料等传统吸附材料及复合型材料、负离子选择性吸附材料等新型捕获材料.并对二氧化碳捕获材料的发展趋势进行了展望.     

Optimization of the amines-CO2 capture process by a nonequilibrium rate-based modeling approach

Amine-based chemical absorption has become the most mature technology among carbon dioxide capture processes, featuring the advantages of high separation efficiencies and its simplicity to attach it to existent industrial facilities. Nevertheless, further improvements on its performance are required in order to implement this technology to a wider extent. Energy expenditure at the solvent regeneration unit has been remarked as the major drawback of the process under discussion; therefore, the main objective of this work is to compute optimal operating policies which ensure minimum heat load at the reboiler along with reasonable removal efficiencies. A deterministic mathematical model of a reported pilot plant was deployed as the basis for the nonlinear programming optimization formulations, using a rate-based approach and an eNRTL thermodynamic framework. Several optimization scenarios were studied to account for diverse capture targets and degrees of freedom. Furthermore, sensitivity analyses were performed to understand the stand-alone effect of some variables on the process. Results reflect the importance of optimizing the complete plant to account for significant interactions between variables, as well as choosing an operational arrangement according to the separation goal demanded.