二氧化碳捕集的理论极限能耗分析

随着“双碳”目标的提出，CO₂捕集、封存与利用技术发展迅速，但与之相关的能耗理论研究相对匮乏。该文对煤电机组烟气CO₂分离的理论能耗进行定量分析，以混合物的一阶截断virial方程为基础，通过分析CO₂分离前后混合物系物性的变化，得到CO₂捕集理论极限能耗的测算方法，并对碳捕集和节能减排技术进行对比研究，得到单位发电量碳捕集的极限能耗((火用))为151.95kJ/(kW·h)。实现煤电烟气CO₂全部分离最少会使得厂用电率增加4.22个百分点。结果可为企业制定减碳技术规划和技术路线遴选提供一定参考。     

中国燃煤电厂超低排放和节能改造的实践与启示

与推行超低排放前的2013年相比,2019年中国火电装机容量、发电量分别增长36.7%和19.5%,但烟尘、SO₂、NO_x排放量却分别下降87.3%、88.6%、88.8%。同期,全国火力发电行业厂用电率维持在6.01%,供电煤耗从321 g/(kW·h)下降到306.4 g/(kW·h),相当于2019年减排CO₂约27015万t,是国内目前最大的15万t/年碳捕集工程的1 801倍。为总结中国燃煤电厂超低排放和节能改造取得的重大成就,指导其他行业的污染治理及碳达峰与碳中和目标的高效经济的实现,系统研究最严排放标准、企业需求、国家重视、技术创新、经济激励政策等对燃煤电厂超低排放和节能改造成功实践的重要作用。结果表明,燃煤电厂超低排放工程、碳捕集工程等烟气治理工程不仅投资高,而且运行费用可观。烟气治理工程的顶层设计与持续推进是关键,技术突破和规范应用是保障,环保电价与激励政策是重点。就超低排放而言,超低电价等经济激励政策不能因为超低排放全面完成而取消,而应进一步优化,激励超低排放工程的高效运行。其他工业行业在推行超低排放过程中,应借鉴电力行业的成功经验,制定可行技术路线、工程技术规范、运行管理技术规范等国家环保标准,同时出台相关的经济激励政策,以确保超低排放工程建设好、运行好,真正实现减排效果。节能改造工程完成后,其运行不仅具有一定的经济效益,而且减排CO₂的能力较大,在碳达峰与碳中和的约束条件下,燃煤电厂应优先实施节能改造工程。在碳捕集工程能耗、成本、风险不能大幅下降的前提下,碳捕集工程不宜盲目推广。     

实施非水可再生能源配额情景下的发电行业CO2排放预测

发电行业是落实中国碳减排目标的重点领域。为实现中国到2020年单位国内生产总值CO₂排放比2005年下降40%~45%和非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右的碳减排目标,国家能源局拟实行可再生能源配额制,要求2020年各煤电企业承担的非水可再生能源发电量配额与煤电发电量的比重达到15%以上。分别基于国家《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》和征求意见的15%非水可再生能源发电量配额政策,对发电行业到2020年的CO₂排放情况进行了预测,并基于2020年全国的碳减排目标对发电行业的碳减排任务进行了计算。预测结果表明,实施15%的非水可再生能源配额之后,2020年非水可再生能源发电量将在行动计划预计值的基础上进一步提高,达到7514亿kW·h,在总发电量中占比9.94%,相应地,单位发电量CO₂排放量为580.5 kg/（MW·h）,比2005年下降27.4%。     

安徽省煤电机组超低排放改造及CEMS验收问题分析

对安徽省已提前完成超低排放改造任务的67台（36 490 MW）煤电机组的SO₂、NO_x和烟尘超低排放改造技术路线、改造的经济性、改造后排放浓度及减排量以及改造后3种污染物在线监测系统（CEMS）验收中的问题进行分析。研究表明：安徽省燃煤电厂超低排放改造主要以湿式电除尘、低低温电除尘和超净电袋为核心的3条典型技术路线。1000MW机组改造经济性最高,其次为600MW和300MW机组。超低排放改造对全省电厂烟气污染物减排显著,污染物之间协同脱除效果良好。现行的气态污染物监测仪器、滤尘材料及测试方法均不能很好地满足改造后污染物CEMS验收的测试准确度要求,建议超低排放改造机组的烟尘验收选用低浓度粉尘测量自动取样系统和设置空白实验修正;SO₂验收需采用紫外或红外烟气分析仪,采样管路需要高温伴热;NO_x验收应根据SCR脱硝出口和总排口NO_x浓度测试数据相互佐证。     

中国火电大气污染防治现状及挑战

在对中国火电厂大气污染物排放标准的发展历程进行回顾与总结的基础上,分析不同阶段排放标准或要求对中国燃煤电厂大气污染控制技术发展的推动作用及其产生的环境效果,特别是超低排放。目前中国火电行业大气污染物控制处于超低排放阶段,燃煤电厂大气污染防治技术处于国际领先水平,烟尘、SO₂、NO_x三大常规污染物排放浓度实现了燃煤发电与燃气发电基本同等清洁。尽管如此,中国火电环保在CO₂控制、常规大气污染物进一步减排、湿法脱硫对生态环境的影响、危险废物废弃脱硝催化剂的处置、非常规污染物的控制、烟气治理设施的运行优化等方面仍然面临诸多挑战,提出了需要研发的重点领域及相应目标。     

基于IGCC的燃烧前CO2捕集技术应用与示范

IGCC和CCS的结合是一种高效性和环保性的先进技术,基于IGCC的燃烧前CO₂捕集技术越来越受到世界各国的广泛关注。介绍了中国首套燃烧前 CO₂捕集系统的工艺流程,对其捕集能耗和成本做了分析。结果表明：该系统的捕集能力为9.46万t/年,捕集率大于88%,捕集CO₂能耗为2.34 GJ/t,捕集成本为281.37元/t。同时指出了今后在降低蒸汽消耗方面的优化方向,该技术与常规电厂燃烧后CO₂捕集技术相比,单位能耗与成本大幅度降低,是未来化石燃料实现低成本捕集CO₂的关键技术。     

基于CEMS数据的超低排放燃煤机组大气污染物排放特性分析

以54台超低排放燃煤机组为研究对象,对比分析了主要大气污染物(颗粒物、SO₂、NOx)的年排放达标率、年排放浓度、排放性能等排放特征。在对环保设施投运和故障进行调查的基础上,分析了排放超标和故障的原因。结果显示：参与调查的燃煤机组中颗粒物、SO₂、NOx排放年度达标率分别为99.981%、99.962%、99.893%,表明能够稳定实现超低排放;颗粒物、SO₂、NOx排放绩效均值分别为11.11、68.16、140.26 mg/(kW·h),满足且优于国家标准要求;启停时段颗粒物、SO₂、NOx排放超标时长占比分别为54%、64%、57%,说明机组启停过程中颗粒物、SO₂、NOx排放浓度难以控制,消除启停机期间制约环保设施正常投运的影响因素是后续主要研究方向。     

燃煤电厂超低排放的减排潜力及其PM2.5环境效益

燃煤机组在燃用低硫优质煤的基础上采用先进的大气污染控制技术设备,实施主要大气污染物的超低排放,在新建机组与改造机组上均是可行的。长三角、京津冀的燃煤电厂实施超低排放环保改造后,与现有燃煤电厂排放的污染物相比,SO₂、NO_x和烟尘以及烟尘中一次PM_2.5减排比例均在90%以上,SO₃减排幅度也达到70%左右。采用MM5+CULPUFF耦合模型,以江苏省为例,定量模拟研究了2012年江苏省火电厂排放的大气污染物对各地级市PM_2.5的影响,结果表明,对各市贡献的日均浓度最大值介于27.3~42.9 μg/m³,平均为35.28 μg/m³,其中二次PM_2.5占87.4%;实施超低排放后对各市贡献的日均浓度最大值介于6.2~12.5 μg/m³,平均为9.43 μg/m³,其中二次PM_2.5占91.7%。     

CCUS技术在燃煤电厂大规模应用的经济性和效益提升路径研究

为了研究燃煤电厂实施碳捕集、利用与封存技术(CCUS)的可行性和经济效益，基于西北某省提供的火电装机规划和发电数据，提出2023年、2025年和2030年3种不同的CCUS时间改造方案，对其进行经济性分析，发现方案1需投资12 202.93亿元，折算为发电成本约上涨0.076 3元/(kW·h)；方案2需投资11 231.9亿元，折算为发电成本约上涨0.076 9元/(kW·h)；方案3需投资8 601.2亿元，折算为发电成本约上涨0.069 0元/(kW·h)。针对CCUS改造方案的成本过高问题，提出了一种将CCUS和甲烷干重整相结合的技术路线，将捕集的CO₂用于制合成气，发现1 t CO₂因为消耗天然气制取合成气带来的支出和收益分别为1 520.7元和3 247.2元。综合碳捕集系统分析，方案2和方案3可实现零成本脱碳。     

膜法二氧化碳分离技术研究进展及展望

二氧化碳的排放导致了严重的环境和生态问题,而碳捕集、利用和封存技术(carbon capture,utilization and storage,CCUS)是减缓CO₂排放的有效途径。在众多的CCUS方法中,膜分离因其能效高、成本低、投资少、维护运行简单等优点引起了广泛关注。综述了燃烧前捕集、燃烧后捕集和天然气脱碳中的膜材料及其膜分离性能,分析影响CO₂捕集效率的关键膜结构因素和调控规律,膜组件开发关键问题及产业化情况,膜分离系统集成及经济性规律。结合研究现状和CO₂捕集需求,提出未来膜法CO₂捕集的研究方向。     

Back where it belongs

Capturing the harmful carbon that is produced during generation of electricity and burying it underground is not a new idea but, since its appearance in the UK Energy Review, it has again come into the spotlight. Carbon capture and storage (CCS) offers technological solutions to the production of harmful emissions from power generation. The review accepts as inevitable a long-term future for coal, and, according to the government, this new technology could cut carbon emissions form fossil fuels by between 80-90%, leading to the saving of several million tonnes of carbon by 2020. Basically CCS involves capturing the carbon dioxide (CO₂) released by burning fossil fuels and injecting it underground     

中国能源碳排放因素分解与情景预测

我国能源活动碳排放占总碳排放85%以上,研究能源活动碳排放的变化规律对于实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。首先,采用对数平均迪氏分解法(logarithmic mean Divisia index,LMDI)对1995—2017年我国能源消费碳排放变化的影响因素进行分解,从经济规模、产业结构、能源强度、能源结构、能源价格、人均可支配收入、人口规模这7个方面,模型给出了相关因素对一、二、三产业和居民部门碳排放变化的贡献。结果表明,对于3个产业部门,经济增长是碳排放增长的首要驱动力,而技术进步带来的能源强度下降、产业结构优化和能源消费结构改善呈现负效应,且产业结构优化和能源结构清洁化的作用越来越显著。对于居民部门,人均可支配收入是居民部门碳排放增长的推动力,而能源价格呈现明显的负效应。其次,设计了3种情景,运用可拓展的随机性的环境影响评估模型(stochastic impacts by regression population,affluence and technology,STIRPAT)对2030年我国能源碳排放进行预测,在以实现碳达峰为目标的低碳情景中,我国能源碳排放有望于2025—2029年实现达峰,峰值水平为101亿~110亿t。最后,为实现碳达峰碳中和目标,建议以构建中国能源互联网为基础平台,实施“清洁替代”和“电能替代”,推进能源转型。     

“双碳”目标下先进煤炭清洁利用发电技术研究综述

在“双碳”目标下,煤炭发电逐渐由主体能源向托底能源转变,燃煤发电技术在煤炭清洁处理、高效率发电及排放物低碳处理等各方面不断发展,同时也向深度调峰辅助服务、“燃煤+”耦合发电等方向转型,探索高效清洁的先进煤炭发电技术意义重大。分析超临界煤气化、超临界煤液化以及超临界水煤氧化等煤炭清洁利用技术的研究现状,讨论超临界水煤氧化热力发电技术、超临界CO₂动力循环技术、整体煤气化联合循环技术、超超临界循环流化床技术等先进燃煤低碳发电方式的技术特点,论述碳捕集利用与封存技术的发展趋势,同时展望煤炭清洁利用发电技术的转型方向,为碳达峰碳中和目标的实现提供发展思路。     

碳排放及燃煤约束下的电源规划及其效益评价

优化电源规划是应对电力系统"碳锁定"效应,促进电力系统减少碳排放的重要举措。考虑到国内以煤炭为主的能源结构,有必要分析碳排放及燃煤约束对电源规划的影响。在分析碳捕集电厂运行特性的基础上,建立了考虑碳排放及燃煤约束的低碳电源规划模型,并在模型中采用典型日的运行校验系统是否具备足够的调峰能力。基于国内典型地区电力系统,对不同碳排放总量约束、不同可再生能源发展场景及不同煤炭资源供应约束下的常规火电及碳捕集电厂的扩展规划进行了优化分析,分析结论表明碳捕集电厂可以充分适应电力系统的碳减排目标,满足新能源大规模发展的调峰需求。     

燃煤电厂湿式电除尘器减排及能效特性研究

在工况及负荷稳定的情况下,对122台燃煤电厂配套湿式电除尘器（金属板式35台、导电玻璃钢87台）开展多污染物的减排特性和能耗测试分析,结果表明,湿式电除尘器对各类污染物均具有较高的脱除效率,绝大部分湿式电除尘器出口颗粒物、PM_2.5、雾滴和SO₃可分别控制在5、2.5、25和10 mg/m³以下,出口PM_2.5/PM占比明显升高,导电玻璃湿式电除尘器一般为非连续喷淋,电源参数可以升到更高,因此对SO₃脱除率也较金属板式更高,出口雾滴浓度更低;金属板式和导电玻璃钢湿式电除尘器比电耗分别为0.68×10^–4~3.34×10^–4、0.74×10^–4~3.38×10^–4 kW·h/m³,平均值分别为1.55×10^–4、1.75×10^–4 kW·h/m³,颗粒物脱除能耗分别在4.7~24.7、2.9~37.5 kW·h/kg,平均值分别为10.8、13.3 kW·h/kg,且入口颗粒物浓度越高颗粒物脱除能耗越低。     

燃煤电厂碳排放典型计算及分析

2015年9月25日,中美双方共同发表了《中美元首气候变化联合声明》。根据声明,中国计划于2017年启动全国碳排放交易体系（ETS）,而准确核算碳排放量是制定ETS的基础。为使企业掌握自身碳排放量情况,增加企业碳排放领域的知识储备,使企业熟悉并掌握电力行业碳排放量数据核算方法,以内蒙古自治区某电厂为例,介绍了碳排放量的数据源收集和计算过程,计算得出了该电厂燃料活动水平、燃料排放因子及碳排放量等数据;定量研究了CO₂排放总量与供电量之间的对应关系,用于评价电厂碳排放水平的优劣。