能装综合-电厂化学与环保

能源化学与环境主讲人：武汉大学动力与机械学院廖冬箱：619168787@工程训练—能装综合之11/26/2023能源化学与环境本次课程主要讲述内容

以燃煤电厂湿法烟气脱硫系统（WFGD）为例：了解WFGD系统的组成；分析系统的腐蚀机理和腐蚀形态；材料防护措施；防腐材料的经济评价；11/26/2023能源化学与环境湿法烟气脱硫（WFGD）

湿法烟气脱硫（WetFlueGasDesulfurization）利用碱性的液体洗涤吸收燃煤烟气中的SO2气体（气液反应）包括石灰石法、海水脱硫、氨法、双碱法等。石灰石法技术最成熟。11/26/2023能源化学与环境SO2的溶解平衡：（气相→液相）

SO2(g)+H2O(l)H+(aq)+HSO3-(aq)H+(aq)+SO3-2(aq)石灰石在酸中的溶解：（固相→液相）CaCO3+2H＋

Ca2＋+H2O+CO2↑亚硫酸盐在液相中的氧化：

HSO3

-+½O2

HSO4

-H++SO42-石膏结晶沉淀：（液相→固相）Ca2++SO42-+2H2OCaSO4·2H2O↓

（石膏）石灰石法脱硫原理11/26/2023能源化学与环境WFGD系统水空气吸收剂石灰石废水石膏净烟气原烟气SO2吸收系统石灰石浆液供给系统石膏生成与脱水系统

11/26/2023能源化学与环境A电厂WFGD系统流程除雾器及冲洗水烟气换热器11/26/2023能源化学与环境除尘风机入口档板80℃以上出口烟气挡板凝结水箱旁路挡板石膏脱水站B电厂WFGD系统流程（2炉1塔）11/26/2023能源化学与环境WFGD工程设备实例烟气换热器原烟气吸收塔石灰石浆液喷淋管净烟气烟囱石膏浆液管氧化风机11/26/2023能源化学与环境一、WFGD系统的物相分析

（1）除尘后的高温烟气中含有水汽、SO2、SO3、HCl、HF、NOx等酸性气体和粉尘颗粒；（2）喷淋浆液中含有大量石膏晶体和石灰石颗粒。11/26/2023能源化学与环境析氢腐蚀露点（DewPoint）：空气湿度达到饱和时的温度。水蒸气的露点↓烟气露点↑70.5~90℃

经湿法脱硫后的烟气湿度↑温度↓（50℃）<露点温度（70.5~90℃）

SO3易在烟气中形成硫酸蒸气11/26/2023能源化学与环境露点腐蚀—析氢腐蚀净烟气易在接触的设备表面结露，酸性气体溶解其中形成酸液，造成露点腐蚀——析氢腐蚀。

阳极（氧化）：Fe-2e-＝Fe2+

阴极（还原）：2H++2e-＝H2↑

总反应式：Fe+2H+＝Fe2++H2↑氢损伤露点11/26/2023能源化学与环境脱硫烟气湿排GGH的腐蚀多管式烟囱排烟内筒

钢筋混凝土外壳11/26/2023能源化学与环境B电厂WFGD系统内的主要腐蚀环境一览表11/26/2023能源化学与环境WFGD系统采用的防腐材料有两大类：1、选用耐蚀金属材料；2、采用非金属衬里防护；WFGD系统常用防腐材料及使用特点一览表11/26/2023能源化学与环境镍基合金镍基合金是以镍为主，与Co、Mo、Fe、W、Cr等形成的连续固溶体合金；它对于点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂等都有杰出的表现。由于价格较贵，一般仅用在WFGD系统中环境温度高、腐蚀条件很恶劣的某些区域，如脱硫塔入口烟道的干湿界面处。11/26/2023能源化学与环境丁基橡胶衬里优点：衬层致密，无针孔和气泡，与钢铁的结合力强；具有一定的弹性，抗机械冲击和热冲击性能好；缺点：耐热性比涂层差；一般应用于机械负荷大而环境温度较低的区域，如吸收塔内部、石灰石浆液系统、石膏脱水系统、温度较低的烟道等。11/26/2023能源化学与环境玻璃钢（FRP）衬里玻璃钢是以合成树脂为基体，以玻璃纤维制品作增强材料制成的；优点：它质轻而硬、防腐性能好；是制作管道法兰阀门的好材料。缺点：使用温度在120℃；非标件的模具难觅；易产生加工缺陷；多用在温度相对较低的液体输送管道中。11/26/2023能源化学与环境玻璃鳞片树脂衬里此项技术是80年代初在树脂涂层基础上发展起来的。在日本、美国和中国得到了广泛应用。它是以一定片径（0.4mm~2.4mm）和一定厚度（6µm~40µm）的玻璃鳞片为骨料，以耐蚀树脂作成膜物质，再加上各种添加剂组成的厚浆性涂料；也称鳞片胶泥。将其涂抹或喷涂于金属表面即成为防腐涂层。11/26/2023能源化学与环境优越的抗渗透性鳞片胶泥含有10~40%片径不等的玻璃鳞片；扁平型的玻璃鳞片在树脂连续相中呈平行重叠排列，具有迷宫效应：（1）腐蚀介质的屏障；（2）大大延长了腐蚀渗透距离。11/26/2023能源化学与环境玻璃鳞片阻隔基体缺陷平行排列的玻璃鳞片将树脂分割，孤立基体缺陷，有效抑制了腐蚀介质在基体连续相中的快速扩散。11/26/2023能源化学与环境玻璃鳞片衬里的特点（1）抗渗透性、耐蚀性、耐磨性、耐热性都较好；（2）价格有优势；（3）施工快，易修补；已成为WFGD系统防腐的首选技术。在发达国家，其材料及施工技术已完全标准化，有的已安全使用10年以上。11/26/2023能源化学与环境国内WFGD系统不同区域防腐材料的选择11/26/2023能源化学与环境结

晶

腐

蚀混凝土的结晶腐蚀盐类渗透干燥成结晶型盐体积膨胀现内应力脱皮开裂盐类渗透毛细孔内衬里钢本体11/26/2023能源化学与环境防腐材料的经济评价工程造价：耐蚀塑料和玻璃鳞片树脂最低，镍基合金材料最高。检修维护费用：镍合金材料比衬里低，30年不大修；而橡胶和鳞片树脂衬里约5年内免修，8年需重衬。长周期寿命成本：不同腐蚀区域，防腐材料的寿命成本不同。11/26/2023能源化学与环境本次课程内容小结腐蚀是WFGD系统中存在的一个严重问题。腐蚀机理涉及：化学腐蚀与电化学腐蚀（吸氧和析氢腐蚀）腐蚀形态涉及：点蚀、缝隙腐蚀、磨蚀和应力腐蚀应根据不同区域的腐蚀特性，选择不同的防腐材料。对防腐材料进行经济评价，在投资和维护费用方面找到平衡点。11/26/2023能源化学与环境燃煤电厂烟气脱硝脱碳

技术及发展趋势11/26/2023能源化学与环境氮氧化物污染控制

1.氮氧化物的性质及来源

2.燃烧过程中氮氧化物的形成机理

3.低氮氧化物燃烧技术

4.烟气脱硝技术11/26/2023能源化学与环境1.氮氧化物的性质及来源NOx包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5大气中NOx主要以NO、NO2的形式存在（污染的主要成分）NOx的性质N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层的破坏NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分。

1952年，洛杉矶上空笼罩在浅蓝色的烟雾之中，这是在强烈阳光照射下，污染物发生的化学反应；之后日本、英国、德国、澳大利亚先后出现过光化学污染，我国兰州、上海也发生过类似的光化学烟雾事件。NO2：强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降11/26/2023能源化学与环境1.氮氧化物的性质及来源NOx的来源1、固氮菌、雷电等自然过程（5×108t/a）2、人类活动（5×107t/a）燃料燃烧占90％95％以NO形式，其余主要为NO211/26/2023能源化学与环境2.燃烧过程NOx的形成机理形成机理燃料型NOx燃料中的固定氮生成的NOx

（1%）热力型NOx高温下N2与O2反应生成的NOx瞬时NO低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO11/26/2023能源化学与环境NOx的形成11/26/2023能源化学与环境3.低NOx燃烧技术原理控制NOx形成的因素空气－燃料比（空气过剩系数α）燃烧区温度及其分布后燃烧区的冷却程度燃烧器形状11/26/2023能源化学与环境4.烟气脱硝技术脱硝技术的难点处理烟气体积大（10万千瓦机组2Mm3/h）NOx浓度相当低（400～660mg/m3）NOx的总量相对较大GB13223-2003火电厂大气污染物排放标准11/26/2023能源化学与环境GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准11/26/2023能源化学与环境SCR法SNCR法吸收法吸附法同时脱硫和脱硝（发展趋势）第十二届全国大气环境学术会议11/26/2023能源化学与环境催化剂：贵金属、碱性金属氧化物（固体）还原反应：NH3提供还原气氛，适当温度（气气）潜在的氨氧化反应4.1选择性催化还原法（SCR）11/26/2023能源化学与环境4.1选择性催化还原法（SCR）11/26/2023能源化学与环境根据SCR反应器安装在锅炉的不同位置,有三种情况:在空气预热器前350℃位置—高温高尘工艺在静电除尘器和空气预热器之间—高温低尘工艺布置在FGD之后—低温低尘工艺4.1.1SCR的工艺类型11/26/2023能源化学与环境高温高尘工艺去湿法烟气脱硫系统锅炉静电除尘器SCR反应器空气预热器氨罐氨气空气氨蒸发管线氨气+空气氨空气混合器省煤器电蒸发器液氨液氨罐车烟气喷氨格栅氨烟气混合器11/26/2023能源化学与环境高温高尘工艺高尘（飞灰、SO2）高温（300~500℃），适用于多数催化剂，但易中毒

烟气飞灰中Na、K、Ca、Si、As会使催化剂中毒或污染；

飞灰对催化剂反应器的磨损和使催化剂反应器蜂窝堵塞；

如烟气温度升高，会使催化剂烧结或使之再结晶失效；

如烟气温度降低，氨会和三氧化硫生成硫酸氢铵，堵塞烟道；

高活性催化剂会使二氧化硫氧化成三氧化硫。工程应用较多主要费用来自于更换催化剂11/26/2023能源化学与环境4.1.2SCR工艺优缺点优点反应温度较低，寿命长等缺点对管路设备的要求高，造价比较高NH3易造成二次污染在发达工业国家得到普遍应用第十二届全国大气环境学术会议11/26/2023能源化学与环境现有的SCR公司美国Babcock&Wilcox公司Alstom公司BabcockPower公司德国Argilloon公司日本BHK公司4.1.3SCR工艺现状863大气复合污染控制技术研讨会

项目项目单位技术供应商已经投运台湾电力台中电厂美国巴威公司技术1995投运福建漳州后石电厂日本ＢＨＫ技术1999投运在建项目太仓环保电厂(四期)日立造船，苏源环保分包浙江国华宁海电厂4号机组日本BHK，浙大能源分包福建嵩屿二期上海石川岛广东恒运电厂德国KWH东方锅炉广东国华台山电厂5号机组丹麦Topsoe11/26/2023能源化学与环境引进国外技术进行烟气脱硝开发自主产权技术，实现SCR脱硝的国产化研制高效能的催化剂：稀土掺杂催化剂改变现在应用的工艺：低温低尘工艺的低温催化剂（金属氧化物/焦炭）4.1.4国内SCR脱硝发展趋势第十二届全国大气环境学术会议11/26/2023能源化学与环境4.2选择性非催化还原法（SNCR）尿素或氨基化合物作为还原剂，较高反应温度化学反应同样，需要控制温度避免潜在氧化反应发生不用催化剂，设备运行费用省，脱硝效率较低兹米约夫电站建立了工业装置11/26/2023能源化学与环境4.3吸收法1、碱液吸收必须首先将一半以上的NO氧化为NOxNO/NO2＝1效果最佳2、强硫酸吸收11/26/2023能源化学与环境石灰/石膏法:采用生石灰、消石灰和微粒碳酸钙制成吸收液，加入少量硫酸，将其pH调制4～4.5，在洗涤塔内反应如下:

Ca(OH)2+SO2→CaSO3+H2OCaSO3+SO2+H2O→Ca(HSO3)2NO+2Ca(HSO3)2+H2O→1/2N2+2CaSO4·2H2O+2SO2NO2+2Ca(HSO3)2+2H2O→1/2N2+2CaSO4·2H2O+2SO2

氨/石膏法3.同时脱硫脱硝的湿式系统11/26/2023能源化学与环境4.吸附法吸附剂：活性炭、分子筛、硅胶、含氨泥煤NOx和SO2联合控制技术吸附剂：浸渍碳酸钠的

-Al2O3再生：天然气、CO11/26/2023能源化学与环境二氧化碳的减排

—二氧化碳的分离捕集、运输、利用封存(Sequestration)11/26/2023能源化学与环境内容提要1、背景介绍2、国际法律与政策框架—京都议定书3、CO2的分离与捕集4、CO2的运输5、CO2的利用与封存11/26/2023能源化学与环境1.1碳循环11/26/2023能源化学与环境

CO2（64％）、甲烷、N2O、氟氯烃等气体，能阻止地球表面的热量向外散发，使地球表面的平均气温升高，这就是“温室效应”。

温室效应对人类生存环境影响极大，因此必须控制CO2等温室气体的排放量。1.2温室效应11/26/2023能源化学与环境1.3灾难全球变暖带来了严重的负面影响：海平面上升与陆地淹没气候带的移动飓风的加剧植被的迁徙与物种灭绝洋流的变化与厄尔尼诺频发等等。11/26/2023能源化学与环境2、京都议定书“京都议定书”的全称为“联合国气候变化框架公约京都议定书”，是按1992年由全球185个国家参与的“联合国气候变化框架公约(UNFCCC)”，经各缔约国多次讨论和研究后，于1997年12月在日本京都制定的。目前全球已有141个国家和地区签署了该议定书，且已于2005年2月16日下午1时(北京时间)正式生效。11/26/2023能源化学与环境2、京都议定书“京都议定书”对发达国家规定了明确的减排义务：至2010年，所有发达国家排放的二氧化碳等6种温室气体的数量要比1990年减少5.2%，发展中国家则没有减排义务。对发达国家而言，从2008年至2010年必须完成的削减目标是：与1990年相比，美国削减7%、欧盟削减8%、日本削减6%、加拿大削减6%及东欧各国削减5%~8%。11/26/2023能源化学与环境2、京都议定书“京都议定书”在规定减排义务的同时,也规定了非常灵活的履行义务方式，其中最重要的是基于市场运作的“联合履行”、“清洁发展机制”和“排放交易”等3种机制。通过这些机制的实施，该议定书及其规定的气候政策就成为平衡发达国家与发展中国家使用煤炭、石油和天然气的成本和补贴的政治决定。11/26/2023能源化学与环境2、京都议定书(1)“联合履行”：是指允许承担减排义务的国家在运作成本较低的另一个承担减排义务的国家投资旨在减少CO2排放的项目，并将由此而减少的排放额返回给投资国，用以抵扣其减排义务。此机制只允许在承担减排义务的发达国家之间实施。(2)“清洁发展机制”(CDM)：是指允许发达国家在此机制下与发展中国家联合履行。其实质是把“联合履行”机制扩展到投资成本低而效益高的发展中国家，以换取减排额度来抵扣本国的减排义务。11/26/2023能源化学与环境2、京都议定书(3)“排放交易”：是指如果某一个国家的排放量低于条约规定的标准，其剩余的额度可以直接出售给完不成规定义务的国家。根据此条款的规定，全球第一个CO2排放权交易市场已于2002年4月在英国诞生，且世界银行估计在2002年全球排放权的交易量可能已达到6700t的水平。11/26/2023能源化学与环境中国的机遇与挑战CDM机制能给我国带来大量资金和全新的减排技术，从而使我国的环保技术更上一层楼。中国将于2012年后承担起减排温室气体的义务。我国CO2排放量早已位居世界第二位，且随着国民经济发展，CO2的排放量呈快速上升趋势，已成为全球履约的焦点。因此，加强我国CO2减排技术的研究和储备已成为我国科技和经济发展的当务之急。11/26/2023能源化学与环境能源与CO2减排CO2主要产生于矿物燃料的燃烧，而以矿物燃料为主要能源的电力生产中排放的CO2超过CO2排放总量的30%，电力生产是CO2的一个集中排放源。中国—GreenGen美国—FutureGen欧盟—Hypogen

澳大利亚—ZeroGen

加拿大—清洁动力联盟(CanadianCleanPowerCoalition)日本—EAGLE(CoalEnergyApplicationforGas,LiquidandElectricity)11/26/2023能源化学与环境由美国、中国等17个国家和欧盟组成的致力于CO2捕捉与隔离技术的碳隔离领导联盟(CarbonSequestrationLeadershipForum)美国/加拿大的ZECA联盟(TheZeroEmissionCoalAlliance)欧盟的AD700动力计划(AD700PowerProject)能源与CO2减排11/26/2023能源化学与环境3、CO2的分离与捕集3.1燃烧后脱碳(post-combustion)3.2燃烧前脱碳(pre-combustion)3.3富氧燃烧技术(oxyfuel)3.4化学链燃烧技术(chemicalloopingcombustion,CLC)

涉及5种CO2分离技术：化学溶剂吸收、物理溶剂吸收、吸附、膜分离和低温分离（冷凝）。11/26/2023能源化学与环境3.1燃烧后脱碳燃烧后脱碳面临的2个挑战：烟气体积流量大（10万千瓦机组2Mm3/h）、其中CO2分压低（3~15KPa，＜15%，选胺）。优点：系统原理简单，对现有电站（新建与改建）继承性好，适用范围广。当前仅有的已进入工业规模试验的技术路线。11/26/2023能源化学与环境1000MW燃煤电厂脱硝除尘脱硫脱碳的流程示意图除尘N2+H2O浓度低、量大烟气温度已降至200℃以下，继续调整T、P参数再生供热11/26/2023能源化学与环境3.1.1化学吸收法

以气体净化工业上成熟的化学溶剂吸收法工艺为基础的化学吸收法已有60余年的历史，是进行商业性CO2捕获应用最广泛的方法。

MEA的分子式为HOC2H4NH2(简写为RNH2，伯胺)，一乙醇胺或单乙醇胺，分子量61，沸点171℃，凝固点10.5℃，蒸气压47.99Pa(20℃，较高)，在水中溶解度(20℃)为全溶。

MEA法脱除二氧化碳原理：MEA具有较强的碱性，在温度为20~50℃时可与烟气中的二氧化碳迅速反应生成较稳定的氨基甲酸盐，使烟气中二氧化碳得到脱除；将溶液升温到105℃或更高时，氨基甲酸盐发生分解，释放出二氧化碳，溶液得到再生。11/26/2023能源化学与环境MEA法脱除二氧化碳原理

CO2和一乙醇胺水溶液的吸收反应为放热反应:(1)2(HOCH2CH2NH2)+CO2+H2O↔(HOCH2CH2NH3)2CO3(2)HOCH2CH2NH2+CO2+H2O↔HOCH2CH2NH3HCO3(3)2(HOCH2CH2NH2)+CO2↔HOCH2CH2NHCOONH3CH2CH2OH

反应可逆，随着T、溶液表面上P(CO2)的变化，平衡可向左或右边移。当温度较低时，反应向正反应方向进行，反之则向逆反应方向进行。优点：它能产生相对纯净的CO2气流；技术已经成熟，已实现商业化。11/26/2023能源化学与环境一乙醇胺温度40～60℃，生成较稳定的氨基甲酸盐冷却器引风机低温液通过热交换器加热分解成MEA和CO2，温度100～140℃，略大于标压高温循环MEA水洗：系统水平衡、脱除MEA耗能999，50KPa11/26/2023能源化学与环境化学吸收系统技术经济性的关键参数化学吸收系统技术经济性的关键参数：1、烟气流速：决定2个塔的规模，占很大的基建成本。2、CO2的脱除率：80～95％经济最优化。3、溶液的流速：决定其他设备规模。4、能耗：热能、泵、风机、压缩。5、冷却11/26/2023能源化学与环境6、药剂的选择与消耗1）15~30％质量浓度的MEA水溶液，添加了碳钢防腐剂和抗氧化剂；消耗量为0.2~1.6kg/tCO2。MEA易与O2、CO2、硫化物等发生化学与热降解，MEA与氧气的降解中间产物主要为过氧化物，最终产物为氨基乙酸等（引起MEA降解损耗的主要原因），与二氧化碳的降解产物主要有恶唑烷酮类等。化学吸收系统技术经济性的关键参数11/26/2023能源化学与环境药剂的选择与消耗2）胺回收反应釜用0.03~0.13kgNaOH/tCO2。溶液生产循环一段时间后，仍然会生成一定数量的热稳定性盐，影响溶液的吸收能力。为了提高溶液的清洁度，保持溶液的CO2吸收能力，在捕集系统内布置了胺回收反应釜，间歇性投运，用一定浓度的碱溶液将热稳定盐加热分解生成乙醇胺溶液，回收利用，不可再生的降解产物则从反应釜排放，并进行无害化处理。胺回收反应釜的投运频率将视运行过程中溶液的降解程度而定。3）0.03~0.06kg活性炭/tCO2脱除吸收剂中的铁锈等固体杂质。11/26/2023能源化学与环境化学吸收法的技术问题一、烟气预处理1、冷却除尘（飞灰与炭黑）：堵塞吸收塔2、脱除SO2和NOX等酸性气体：会与碱性吸附剂反应生成不可再生的热稳定性盐。烟气中SO2为300～5000ppm，98～99％的脱除率，可致＜50ppm，满足Kerr流程；但对Econa方法而言不够＜10ppm。增加净化设备满足吸附剂要求。3、过高氧含量加速MEA的降解。11/26/2023能源化学与环境化学吸收法的技术问题二、供电效率低，设备成本高

对于燃煤电站耗能25%~37%；由于所需零部件尺寸大，设备成本高，使得主电站的成本增加约60%。2000年NationalEnergyTechnologyLaboratory(NETL)评估结果表明：采用此技术技术将增加70%的发电成本。改进的吸收剂能减少能量损失，目标在于降低再生过程所需的能量。通过对吸收器模块和其他主要零部件尺寸进行设计和技术改进，有可能降低成本。

NETL的目标是将燃烧后捕获CO2耗能减少至20%。11/26/2023能源化学与环境核心：研发新的吸收剂与吸收工艺

吸收剂的选用标准：高吸收率、高吸收负荷和低再生能耗1、哌嗪(piperazine)为活化剂的热钾碱法，由于此法的吸收/再生过程的操作温度相差不大，故与常规醇胺法相比，再生热量的消耗可下降50%~75%。2、中科院已经研发出难挥发、稳定性好的离子液体，1mol离子液体吸收1mol二氧化碳。3、固体吸收剂的发展。利用干法吸收剂通过气固反应脱除CO2的技术具有反应能耗低、循环利用效率高、对设备无腐蚀、无二次污染等优点，已成为目前的研究热点；碱金属基吸收剂干法。11/26/2023能源化学与环境全球CO2分离技术示范概况美国DOW化学公司开发的基于MEA（30％）的EconamineFG流程，目前由美国Fluor公司所有，于2000年在美国马里兰州WarriorRun燃煤电厂进行示范，CO2处理量为150t/d(320)，用于啤酒生产；日本三菱重工参与开发的KEPCO&MHI烟道气CO2回收流程，也是使用基于MEA的改进型KS-1溶剂，此技术1999年应用于马来西亚一家化工厂，CO2处理量为210t/d，用于尿素生产；ABBLummusGlobal（美国鲁玛斯）的KerrMcGee流程，也是基于MEA（15～20％）的一种吸收技术；CO2最大处理量为400t/d。11/26/2023能源化学与环境国内首座燃煤电厂烟气CO2捕集示范工程2007年，中澳两国政府发表《关于气候变化和能源问题的联合声明》，其中中澳洁净煤工程的第一个项目就是“燃煤发电厂年捕集二氧化碳3000吨试验示范工程”，地点定在华能北京热电厂（高碑店），这是中国电厂第一个捕集二氧化碳装置。2007年12月26日示范项目正式启动，2008年7月底投产。工程由二套装置组成，一套是CO2捕集装置2400多万（西安热工所），另一套是CO2精制装置400多万（杭州快凯），是华能“绿色煤电计划”的一部分。11/26/2023能源化学与环境华能北京热电厂华能北京热电厂建有4台热电联产机组，总装机84.5万kW，平均热效率高达60%以上。华能北京热电厂示范装置采用飞灰复燃液态排渣锅炉，烟气净化采用低氮燃烧技术和脱NOx装置、静电除尘装置、湿法烟气脱硫装置(FGD)，净化后的烟气通过烟塔(冷却塔)合一排放。本项目烟气旁路的抽气点选在FGD和冷却塔之间管道上。11/26/2023能源化学与环境11/26/2023能源化学与环境北电CO2捕集装置11/26/2023能源化学与环境CO2捕集装置入口烟气经检测，脱硫后的即CO2捕集示范装置入口的烟气温度为40~50℃，主要成分如下：11/26/2023能源化学与环境北电CO2捕集装置工艺流程图喷水减温至50℃、旋流分离器脱水除尘90％酸气吸收水洗烟气中MEA,循环吸收补充水平衡活性碳过滤器胺回收反应釜汽提解吸部分CO2升气帽再生关键设备：立式自然差压再沸器进一步解吸CO2汽水分离水回流补液泵顶部喷淋,降低塔顶温度,保证塔内的温度梯度,也维持了系统水平衡11/26/2023能源化学与环境吸收塔与再生塔30多米高的吸收塔与再生塔采用压降小、不易起泡的填料塔，安装孔板波纹填料。在两个塔器的顶端均设置了高效丝网除沫器。用吊车将两截长十六七米的容器吊装在一起，然后焊接。焊接效果必须仔细检测，看密封性是否过关。因为需要将具有弱碱性的乙醇胺原料注入到容器中，万一密封性不过关，后果严重。11/26/2023能源化学与环境工程效果整个装置CO2的捕集率达80％～85％。捕集后二氧化碳浓度已经达到99.5%，再经过后面的精制系统提纯，最后纯度达到99.9%食品级二氧化碳，可用于饮料、食品行业。奥运会期间，外地的食品级二氧化碳进京困难，每天都有高压槽罐车，来北京热电厂运走几十吨液态二氧化碳。由于华能还没有相关的许可证，目前项目生产的食品级二氧化碳都是通过中介公司卖给食品公司。因为有中介环节，二氧化卖出的价格只有500多元/吨，比市场价低了一半。11/26/2023能源化学与环境3.2燃烧前脱碳在煤气化器和联合循环电站(IGCC)之间安装CO2清除设备可实现捕获CO2。该工艺能够使分离的CO2气流可作它用或封存，使可燃气体(H2)燃烧发电。下图是需要安装于煤气化器和联合循环电站之间的CO2清除设备(和其他设备)。燃烧前捕获工艺最复杂，设备成本高。11/26/2023能源化学与环境IGCC燃烧前脱碳流程图①气化反应：2CxHy＋xO2↔2xCO＋yH2②CO催化变换是关键CO+H2O↔CO2+H2CO2和H2保护下游设备文氏管湿式洗涤物理溶剂吸收与吸附H2×11/26/2023能源化学与环境IGCC与燃烧前脱碳系统图降低燃烧温度，减少NOx排放低温烟囱联合循环发电11/26/2023能源化学与环境H2/CO2分离与燃烧后相比，燃烧前脱碳的混合气体中CO2具有压力高（0.3~4.2MPa/2~7MPa）、浓度大（15~60%）和杂质少（严格净化）的优点；分离能耗低，分离设备尺寸小，分离工艺广泛。目前应用Selexol等物理吸收法；膜分离是发展方向：膜式转化装置及高温膜分离材料。11/26/2023能源化学与环境物理溶剂吸收物理吸收法通常是在加压下利用有机溶剂对CO2进行吸收，通过减压使溶剂得到再生。所选吸收剂应对CO2溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、性能稳定。常用溶剂有环丁砜、聚乙二醇二甲醚（UOP开发的Selexol）、冷甲醇、N-甲基吡咯烷酮及碳酸丙烯酯等。11/26/2023能源化学与环境吸附分离吸附分离是基于气体与吸附剂表面活性点间的分子间力来实现的。按照解析方式的不同，可分为变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA)。吸附剂在低温或高压下从混合气体中选择性地吸附CO2，然后通过升温或降压把被吸附的CO2释放出来。常用吸附剂为活性炭、沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶等固体吸附剂。该法适用于含CO2在30%~60%的气体，回收较为经济。11/26/2023能源化学与环境变压吸附法变压吸附法主要用于合成氨等化工行业，因为CO2的浓度比较高。西南化工研究设计院是国内最早开发成功变压吸附分离技术的单位，该技术已在国内外石油化工系统得到广泛应用，曾两次获得国家科技进步一等奖，但是变压吸附法用于电厂、水泥厂等烟道气中二氧化碳浓度较低的装置中，成本就比较高，捕集到的CO2纯度不够。11/26/2023能源化学与环境燃烧前脱碳的优缺点燃烧前捕获的主要优点是耗能10%，所耗的能量主要是用于煤气化和蒸汽重整。CO2高分压允许采用更有效的捕获技术(如物理吸收)，能进一步降低能耗。燃烧前捕获的主要缺点是发电设备的总成本非常高。燃烧前捕获电站运行成本比标准电站的要高，但低于燃烧后捕获电站。2000年DOE(美国能源部)评估结果表明：采用燃烧前捕获将增加发电成本25%，目标是将其增加的发电成本降低至10%，使燃烧前捕获比燃烧后捕获更具吸引力。11/26/2023能源化学与环境3.3富氧燃烧技术通过纯氧而不是空气来燃烧燃料，使燃料在燃烧过程中产生更少的非CO2气体而得到高浓度的CO2气流。纯氧燃烧比燃烧后捕获更简单，CO2气流可直接压缩或经过简单的除尘和脱硫设备后压缩；还能实现多种污染物控制（NOx）。11/26/2023能源化学与环境富氧燃烧捕集系统图锅炉冷凝器清除颗粒清除SO2直接压缩CO2低温制氧煤空气O2N2和其他气体83％CO215%H2O2％O2含SO2NOX量↓↓H2O80~98％CO2排入大气90％CO2再循环烟气降温，使排烟量大为减少(为1/5)，减少排烟损失，显著提高锅炉热效率。CO211/26/2023能源化学与环境耗能23%~37%，所耗的能量主要制备纯氧；成本高，增加电站成本150%，经评估后大约为2040美元/KW。硫化物主要是源于燃料，由于在循环利用CO2过程中，SOx浓度增加，导致锅炉腐蚀问题加剧。富氧燃烧的成本真实比较需将CO2处理和NOx减排所减少的成本计算在内。富氧燃烧技术的局限11/26/2023能源化学与环境3.4化学链燃烧技术化学链燃烧技术是一个基于零排放理念的先进发展方向，其使用氧载体（通常是金属氧化物）中的氧原子来代替空气中的氧来完成燃料的燃烧过程，其原理示意图见下图。11/26/2023能源化学与环境化学链燃烧技术原理示意图MeO+CxHy→CO2+H2O+MeMe+O2→MeO低能耗冷凝实现CO2捕集氧载体在2个反应器中循环，从而实现氧的转移，避免燃料与空气的直接接触，没有燃料NOx和SOx的产生。11/26/2023能源化学与环境关于氧载体目前主流的氧载体是金属氧化物，包括Fe、Cu、Ni、Mn、Co等的氧化物，氧载体一般附着在惰性载体（热载体）上，用于惰性载体的化合物常有Al2O3、SiO2、MgO、TiO2、ZrO2、六价铝酸盐等。11/26/2023能源化学与环境4、CO2的运输流体态（气态、超临界和液态）