李长福、罗书磊、郑贤江、周恩年
新疆中泰创新技术研究院有限责任公司 新疆乌鲁木齐市 830000
摘要: 随着碳达峰提出，很多火电厂企业面临着巨大的挑战，找到切实有效的技术成为企业实现碳减排的关键，实现碳减排的第一步便是二氧化碳捕集。目前常用的二氧化碳捕集技术有化学吸收法和固体吸附法，研究其捕集火电厂烟气中二氧化碳，对进一步实现碳固定、碳减排有着重要意义。
关键词：烟气、二氧化碳、捕集
1 概述
2020年我国政府在第七十五届联合国大会上提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。碳达峰和碳中和的提出，使很多企业面临着巨大的挑战，尤其是火电厂烟气中含有大量二氧化碳；但因烟气中CO2体积分数一般只有3%~15%【5】，因此烟气中CO2 捕集回收技术的关键制约因素是能耗较大，对电厂效率有较大影响，研究分析化学吸收法和固体吸附法在火电厂烟气中的应用，有利于进一步实现火电厂二氧化碳减排。
2火电厂烟气组分分析
随着人们环保意识的不断提高及政策收紧，大气污染物排放标准也越来越严格，根据火电厂大气污染物排放标准规定如下表一。
表一、大气污染物特别排放限值【1】
单位：mg/m3（烟气黑度除外）
序号 燃料和能量转化设施类型 污染物项目 适用条件 限值 污染物排放监控位置
1 燃煤锅炉 烟尘 全部 20 烟囱或烟道
二氧化硫 全部 50
氮氧化物（以NO2计） 全部 100
汞及其化合物 全部 0.03
2 以油为燃料的锅炉或燃气轮机组 烟尘 全部 20 烟囱或烟道
二氧化硫 全部 50
氮氧化物（以NO2计） 燃油锅炉 100
燃气轮机组 120
3 以气体为燃料的锅炉或燃气轮机组 烟尘 全部 5 烟囱或烟道
二氧化硫 全部 35
氮氧化物（以NO2计） 燃油锅炉 100
燃气轮机组 50
4 燃煤锅炉，以油、气体为燃料的锅炉或燃气轮机组 烟气黑度（格林曼黑度）/级 全部 I 烟囱排放口
然而，根据烟气二氧化碳捕集纯化工程设计标准规定，进入二氧化碳吸附装置的烟气指标宜符合下表二。
表二、进入二氧化碳吸附装置的烟气指标【2】
序号 项目 指标
1 温度 不宜高于40℃【3】
2 粉尘 不宜大于5mg/Nm3
3 二氧化硫 不宜大于10mg/Nm3
4 氮氧化物 不宜大于50mg/Nm3
对比表一、表二可知一般情况下火电厂烟气需要进一步处理，才能达到进入二氧化碳捕集装置要求。由于表二指标是推荐指标，另外，不同厂家化学吸收液和固体吸附剂性能不同，对进料指标的要求也有所不同。因而，最终火电厂烟气处理到什么指标进二氧化碳捕集装置，需要综合考虑标准要求及厂家化学吸收液和固体吸附剂性能。
3 化学吸收法
3.1基本情况
化学吸收法回收二氧化碳是目前应用最为广泛，技术也比较成熟的方法，常用的醇胺类吸收剂包括一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）等 ，在火电厂烟气二氧化碳捕集方面，也有相对多的工程案例。
3.2工艺流程
烟气经预处理后，再经引风机加压后，进入吸收塔底部，与塔顶加入的贫液逆向接触，吸收烟气中的CO2成分，未被吸收的气体进烟道；塔底为吸收CO2后的富液，经吸收塔底泵加压并与贫液换热器换热升温后进入再生塔。富液在再生塔内通过加热方式由塔顶脱除CO2气体而再生，塔釜再沸器用蒸汽作为再沸器热源。再生后的贫液经换热回收能量，再经再生塔底泵经冷却后返回吸收塔。再生塔顶排的CO2气体含有水蒸汽和少量吸收液，经再生塔顶冷凝器冷凝后进入再生塔回流罐中，凝液全部作为回流由再生塔回流泵返回塔顶，未凝的气体则是半产品CO2气，再根据具体需求进行压缩得到产品气。化学吸收法流程示意图如下图一所示。
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3.3工艺特点
化学吸收法主要优点是一次性投资成本低，操作运营费用低，运营消耗如下表三；缺点是操作检修相对频繁，吸收液的氧化降解严重，解析时能耗大【4】，产品气浓度高。
表三、化学吸收法吨产品运营消耗
项目 单位 消耗量
蒸汽 0.6MPa（G） t 1.66
电 KWh 93
循环冷却水 32~40℃ t 127
胺液损耗 kg 2
注：1.原料气浓度10%；2.产品气浓度95%；3.化学吸收法效率取决于吸收液性能，不同吸收液运营消耗会有所偏差。
4 固体吸附法
4.1基本情况
固体吸附法目前在电厂烟气捕集二氧化碳领域相对较少，但在食品级二氧化碳制造方面也有应用。
4.2工艺流程
烟气流程：从烟气脱硫装置之后的烟道适当位置取烟气，先进入水洗塔对烟气进行进一步的降温、除尘、除杂，然后由烟气风机将烟气压力增加，再经冷却后进入水分离器除去游离水，再从下至上流经吸附塔进行碳捕集，最后吸附塔顶流出的净化烟气经缓冲后返回原烟道进行排放。
二氧化碳流程：被吸附塔捕集下来的二氧化碳通过真空泵抽出来，进入解吸气缓冲罐，然后由产品气风机压缩，送往后工段使用。
变压吸附流程：
变压吸附分离装置设置吸附塔，采用的固体吸附技术，真空解吸。每个吸附塔的循环周期包括以下步骤：吸附、均降、顺放、抽真空、均升和终充。
吸附：原料气由下至上经过吸附塔床层，原料气中的CO2被床层吸附剂吸附，大部分N2、O2则经顶端出口流出吸附塔；
均降：吸附结束后，吸附塔连续进行均压降，将塔内余压及CO2转移至处于均压升状态的吸附塔；
顺放：顺着吸附塔的吸附方向，将吸附塔中的杂质气体放出，吸附床压力得以降低；
抽真空：真空泵从吸附塔底部抽取高浓度二氧化碳，吸附剂完成再生。
均升：抽空结束后，吸附塔连续进行均压升，接收处于均压降状态吸附塔内CO2，有效气体得以回收，同时将处于均压升状态的吸附塔压力升至接近吸附压力。
终充：均压升结束后采用净化气将吸附塔内压力升至吸附压力，终充结束后吸附塔即可投入下一个循环。
4.3工艺特点
固体吸附法主要优点是自动化程度高操作检修少，不消耗蒸汽主要耗电，吸附剂使用寿命长；缺点是一次投资成本高，运营费略高，运营消耗如下表四。
表四、固体吸附法吨产品运营消耗
项目 单位 消耗量
仪表空气 Nm3/h 13.3
电 KWh 531
循环冷却水 32~40℃ t/h 104
注：1.原料气浓度10%；2.产品气浓度95%；2.固体吸附法法效率取决于吸附剂性能，不同吸附剂运营消耗会有所偏差。
5 结束语
随着碳中和、碳达峰的提出，火电厂烟气二氧化碳捕集将成为碳减排的重要一部分。化学吸收法和固体吸附法是目前较为常用的二氧化碳捕集技术，在火电厂烟气二氧化碳捕集领域有工程实际应用，技术可行。但由于火电厂烟气浓度比较低，相应的运营成本比较高，降低运营成本将促进化学吸收法和固体吸附法在火电厂烟气捕集二氧化碳中的应用；其次，找到碳中和技术，实现把捕集的二氧化碳固定下来，将进一步促进二氧化碳捕集在火电厂烟气中的应用。
参考标准
【1】GB 13223《火电厂大气污染物排放标准》
【2】GB 51316/T《烟气二氧化碳捕集纯化工程设计标准》
【3】JB/T 12909《燃煤烟气二氧化碳捕集装备》
参考文献
【4】王明坛，谢圣林，许子通，《二氧化碳捕集技术的现状与最新进展》，当代化工, 第45 卷第5 期，2016年5月
【5】步学朋，《二氧化碳捕集技术及应用分析》，洁净煤技术, 第20 卷第5 期，2014年9月