将火电厂排放的CO2利用碳捕捉与封存(CCS)强化煤层气开采的基本模型

【摘要】本文在原有CCS的基础上，阐述综合模型，提出将火电厂排放的 注入毗邻煤矿的煤层以强化煤层气开采，从而降低其高昂的费用，促进其在我国的大范围推广，促进节能减排。同时，分析了CCS面临的问题和应对策略。

【关键词】CCS;强化煤层气开采;减少CO2排放

0.引言

为抵御全球气候变化，世界持续研发新的规划以应对不断提高的CO2含量，中国作为世界CO2第二排放大国责无旁贷。我国能源结构主要以煤炭为主且长期难以改变。减少全球CO2排放的策略必须将以下几种组合采用：提高能效；更多的生产可再生能源；较多地实施CCS（碳捕捉及封存技术）。然而，国际能源局（IEA）指出，通过提高能效和增加可再生能源生产来减少CO2排放的潜力仍是有限的。CCS是当今世界公认的降低CO2排放的方法，是未来极具潜力的减少CO2排放的技术。

1.燃煤火电厂CCS基本模型介绍

模型提出:

CCS是指是指CO2从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程。然而，由于其成本高昂，未在电厂实际生产中大规模使用。其中一种途径是。

基于我国日益增长的CO2排放量，而许多火电厂都靠近煤矿这一现状。设想一个关于CCS的基本模型，将CO2注入煤层用以增加煤层气的产量并存储CO2，从而提高煤层气产量，并在一定程度上降低CCS的成本。

对火电厂产生的CO2捕捉与封存是在火电厂有相关的捕捉技术（如入口烟气“湿法”脱硫、利用受阻胺的CO2重获、CO2压缩、输送至矿井的管道运输和提高矿井煤层气开采等）的前提下进行的。从全球范围来讲，CO2地址存储潜力巨大。国际能源署的温室气体研发项目对全球CO2地址存储容量进行了评估。

2.模型构建

CO2捕获简化流程图如图一所示。此模型采用燃烧后捕获，CO2捕获工厂毗邻燃煤火电厂，火电厂产生的烟气通过管道输送至CO2捕获工厂。在可能的情况下，火电厂的部分蒸汽也送至CO2捕获工厂，用以驱动压缩机。捕获工厂的运行会消耗燃气、电能、水、石灰石等。净化后的CO2被压缩后经管道输送至贮藏井。管道系统中含升压压缩机用以补偿输送过程中的压降。贮藏井存储压缩的CO2，并消耗一定的燃气和电能分离产生的气体和水，再经脱水、压缩得到可燃气体（如CH4等），运输到燃气厂进一步加工、交易。

图2.1 CO2捕获简化流程图

为更好地了衡量其中的经济性，有必要了解内部过程的一些细节。这个综合模型装置、对原料和能耗的预测需要权衡从捕获工厂到输送管线、贮藏井的过程。捕获工厂的处理过程又依次包括脱硫环节、CO2重获环节、CO2压缩环节和支持设施环节。每个环节都包含了相应的装置，设备环节则包括了利用燃气、蒸汽、电能、软化水、冷却水等的支持其他环节的设备。

图2.2 CO2捕获工厂中的简化环节流程图

CO2捕获工厂中的简化环节流程图如上图二所示。烟气脱硫环节由采用“湿石灰洗涤法”的SO2/SO3吸收装置组成。从电厂排出的烟气经进口鼓风机增压进入水冷塔冷却、浸润，然后进入湿石灰洗涤装置，石灰浆与硫化物生成CaCO3，提供额外的O2将其氧化为CaCO4（石膏），经沉淀、过滤后从底部除去。低硫烟气从洗涤装置顶部排出，经另一个急冷塔进入 重获环节。

经过“受阻胺”酸性气体除去环节，烟气中的CO2被除去。脱硫环节后的低硫烟气进入CO2重获环节，在经过压缩、脱去剩余硫化物后输送至胺吸收塔。气体和胺溶液经过一系列反应，除去90%的CO2。剩余的10% CO2和N2从吸收塔顶部排出。胺富集的溶液离开吸收塔底部，经热交换器加热进入蓄热器。蓄热器的热量用来除去CO2。

CO2产气的压缩由可进行级间冷却和液体除去的5级压缩机完成，CO2捕获厂在气压15MPa时可以获得干燥的CO2产气。压缩机功率和释放温度可以由GPSA手册，使用摩尔热容方程和计算压缩系数的Peng-Robinson方程分析求得。

支持设施环节包括了脱硫环节、CO2重获环节、CO2压缩环节所需的设备，如蒸汽锅炉、锅炉给水系统、冷却塔、冷却水系统和循环水系统。燃气和电能为其中各环节供能。

上述碳捕捉环节进行时都会产生易散性排放，使净捕捉效率降低。综合模型考虑了所有易散性排放，并将其从总捕获体积中扣除。可估计其净捕捉效率在50%到70%之间。净捕捉效率和烟气中的CO2含量密切相关。降低CO2含量会降低捕获效率是因为此时烟气的体积同CO2的关联性提高。

CO2输送管线将CO2产气从捕获工厂送至贮藏井。该模型仍需求解可使输送管线投资、运营和增压压缩机投资整体最小的最优管径。

CO2贮藏井宝包括将CO2注入盐碱含水层简单贮存、将CO2注入不可开采煤层贮存以及强化煤层气开采。

3.强化煤层气开采

由于多数火电厂靠近煤矿，在渗透性不好的煤层，通过在很深的盐水层储藏中注入CO2替代甲烷，可强化煤层气的开采。此过程与矿井深度、温度、压强以及气体容量、注入率、渗透率等相关联，由于煤层气的强化开采而产生的利润可以在一定程度上解决CCS在实际应用中成本过高的问题。

4.CCS面临问题

火电厂应用CCS虽然越来越受到科学界和企业界的关注，然而该技术的推广主要存在以下障碍：

4.1成本高昂

虽然将CO2注入煤层能降低其成本，但据国际能源署估计，每吨CO2的捕捉费用高达50美元。但随着技术开发的进步和规模经济的扩大，未来捕捉费用可能下降20%~30%。运输和存储费用也将随着技术的成熟和规模化的增加而逐渐下降；

4.2技术性问题

尽管CO2不具有毒性，但仍然可能带来危险。封存后的CO2如果发生渗透可能污染淡水层、影响土壤化学成分等；CO2的大量聚集也可威胁人畜的生命安全，CO2捕捉和封存技术的可靠性仍有待更加充分的证实；

4.3市场障碍

包括从事风险的组织机构和部门、技术不确定性和是场地不确定性几个因素。从组织机构讲，要求各能源企业和政府在20~30年内通力合作和大量的前期资本投入，折旧需要建立一种机制在利益相关者之间能均衡分摊风险，从而保证项目顺利进展。 （下转第８７页）

（上接第95页）4.4公众意识

CCS昨晚一项新兴的CO2减排技术，公众对其可以昨晚一种潜在减排选择方式还了解不多。因此政府需要在提高公众对这项技术优点的知晓方面扮演一个重要角色，需要将公众意识普及与技术开发放在同等重要的地位给予考虑，以保证公众意识的提高和合理的应对。

5.结语

目前全世界每年CO2排放量达到25Gt以上，对燃煤火电厂的CO2进行捕捉和封存对温室气体减排具有全球性的深远意义。本文叙述的燃烧后CCS模型在降低捕捉成本，从而推进CCS的应用具有一定的实际意义。当前，一些发达国家为实现《京都议定书》的承诺目标，已就此开展了一系列研发工作，如果通过反复试验改进技术，建立更大规模的示范项目，并扫除目前存在的障碍，那么，燃煤电厂CO2捕捉与封存技术将会成为减少CO2排放的主要手段之一，这对全球温室气体减排和缓解全球气候变化裨益良多。因此，借鉴国际经验，在我国大力开发CO2捕捉与封存技术更具有其重要性和紧迫性。■

【参考文献】

［１］钱伯章.碳捕捉与封存（CCS）技术的发展现状与前景［J］.国外环保, 2008,12:57-61.

［２］孙欣.燃燥电厂二氧化碳捕集与储存技术［J］.中国煤炭, 2008，34(4):96-99.

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