能量转换与管理86 (2014)476-489
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能源转换及管理
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燃煤电厂碳捕获和储存的前景:英国的视角
杰弗里·p·哈蒙德a、buArr;,杰克20
英国巴斯大学机械工程系，Bath BA2 7AY
英国巴斯大学Bath BA2 7AY可持续能源与环境研究所(IdSEE)
a r t i c l e i n f o b s t r a c t
文章历史:
2011年11月15日接收，2014年5月10日接收
2014年6月7日在线
关键词:
碳捕获与封存(CCS)发电
燃煤发电厂经济学
能源指标
环境影响
碳捕捉与封存(CCS)设施与燃煤电厂相结合，提供了一种减缓气候变化的策略，潜在地允许继续使用化石燃料，同时减少二氧化碳(CO2)的排放。研究了从英国(英国)发电厂捕获、运输和储存二氧化碳的潜在设计路线。对有CCS和没有CCS的燃煤电厂进行了能源和碳分析。对现有的CCS技术和新的CCS技术进行了评估。由于运行效率较低，CCS电厂的能源回收期较长，能源增益比传统电厂低。成本估算报告的背景是，最近英国工业试验组织试图确定在整个CCS链条上降低成本的机会，同时国际上努力设计共同的CCS成本估算方法。这些费用数字应被视为“指示性”或暗示性的。他们却有助于各CCS的利益相关者(如行业,政策制定者(公务员和各种政府机构的工作人员),和公民社会和环境的非政府组织(ngo)),以使他们能够评估这项技术在国家能源战略的作用及其对当地社区的影响。
2014年,作者。由爱思唯尔有限公司出版。
creativecommons.org/licenses/by/3.0/)。
1． 介绍
1．1．背景
能源系统遍及工业社会，并编织了一个复杂的互动网络，影响着其公民的日常生活。因此，人类的发展是由各种各样的能源来加热和提供动力的，但由于不受欢迎的“秒级”效应[1]，这些能源使生物圈的质量和长期生存能力处于危险之中。能源生产和消费的许多这种不利后果造成了地方、区域和全球范围内的资源不确定性和潜在的环境危害。全球变暖，主要是由燃烧产生的污染物造成的“温室效应”增强引起的，被许多人视为最严重的全球性环境影响。二氧化碳(CO2)——主要的温室气体(GHG)——被认为在大气中有大约100年的“停留时间”。例如，在英国，二氧化碳约占温室气体排放总量的80%，其中95%左右来自能源部门[1-3]。
因此，世界各地的能源战略都强调所谓的“低碳或零碳”能源选择:提高能源效率和减少需求的措施、采用碳捕获和封存技术的化石燃料发电厂、热电联产(CHP)发电厂、核能和可再生能源系统。因此，英国政府在2008年的《气候变化法案》(Climate Change Act)中设定了一个具有挑战性、具有法律约束力的目标，即到2050年将英国的二氧化碳排放总量减少80%(与1990年的基准相比)。这为英国采用LZC能源方案提供了基础。
煤炭是世界上最丰富的化石燃料来源之一，目前约占世界一次能源总需求的23%，约占全球发电量的38%。它是一个重要的投入，例如，在钢铁生产中，通过基本的氧气炉工艺生产的钢约占世界钢产量的70%[5,6]。但更严格的环境/气候变化法规意味着，煤炭要想继续成为重要的能源来源，就必须减少其对环境的影响。因此，与燃煤电厂相结合的二氧化碳捕获和储存设施提供了一种减缓气候变化的战略，潜在地允许继续使用煤炭资源，同时减少二氧化碳排放。CCS过程包括三个基本阶段[4,8]:从发电厂捕获和压缩二氧化碳，运输二氧化碳，以及从大气中储存数百至数千年的。
uArr;通讯作者:巴斯大学机械工程学系Bath BA2 7AY,英国。电话: 44 1225 386168;传真: 44 1225 386928。
电子邮件地址:ensgph@bath.ac.UK(G.P.Hammond)。http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2014.05.030
作者:0196-8904/ 2014由爱思唯尔有限公司出版。
本文是CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/)下的一篇开放访问文章。
G.P. Hammond, J. Spargo /能源转换与管理86 (2014)476-489 477
[7]的各种捕获方法的原理是将CO2从其他废物中去除，使其可以被压缩和运输储存。CO2可以通过船舶或管道运输[4,8]。
1．2．考虑的问题
在英国，发电约占二氧化碳排放量的五分之二，CCS是几种所谓的碳减排技术(cat)之一，可以用来减少这些排放。从英国发电厂，如金斯诺斯和龙塘塘鹅的地点，捕捉、运输和储存二氧化碳的潜在路线，在这里进行了研究。英国的储量可能在地质构造中，比如北海枯竭的油气田或含盐含水层。目前的贡献是正在进行的研究工作的一部分，旨在评估和优化能源系统的性能，以及向低碳未来过渡的途径。它建立在哈蒙德和Ondo Akwe[9]以及哈蒙德等人对电厂碳捕获和无碳捕获的热力学(包括“火用经济学”)和技术生态经济学分析的早期研究基础上。虽然目前工作的重点是在英国的背景下，研究结果有更广泛的含义，在国际上采用清洁能源技术。
在本研究中，为了提供一个说明性的“技术-生物学评估”，对现有的和新的CCS技术进行了评估。报告了英国燃煤电厂的能源和碳分析结果，以及最近的成本估算。讨论了运行(或“堆栈”)和上游二氧化碳排放之间的重要区别，从发电厂与耦合CCS设施。成本估算报告的背景是，最近英国工业界主导的尝试确定了整个CCS产业链的成本削减机会，同时国际上也尝试设计通用的CCS成本估算方法。然而，在撰写本文时，还没有为正在运行的化石燃料发电厂(即，大小为gt; 500mwe)在世界任何地方。因此，性能参数通常是根据计算模型或仿真、详细的“前端工程设计”(FEED)研究、专家意见、相对小型捕获设备的规模化等来估计的。因此，这里公布的参数应被视为“指示性的”或暗示性的。不过他们所需的各种CCS利益相关者团体(如行业,政策制定者(公务员和各种政府机构的工作人员),和公民社会和环境的非政府组织(ngo)),以使他们能够评估这项技术在国家能源战略的作用及其对当地社区的影响。目前的研究结果被置于跨学科文献中所确定的CCS机遇和挑战的更大范围内。
2． 当前碳捕集与封存(CCS)技术二氧化碳捕获
目前正在开发的燃煤电厂二氧化碳捕集主要有三种方法:燃烧后捕集、燃烧前捕集和氧燃料燃烧捕集[4,7]。这三条一般的“路线”都涉及到从点源气流中去除二氧化碳的过程，这可以通过多种方式实现。与这些路线相关的技术和成本数据已在政府间气候变化专门委员会(IPCC)关于CCS (SRCC)[8]的特别报告中进行了描述。在英国，推动和阻碍目前可用的CCS技术的应用是最近的事
由哈蒙德等人讨论。他们建议，大约90%的运营碳排放可以被捕获;尽管与煤粉参考电厂[4]相比，该项目的能源成本约为16%，“电力成本”(COE)也上涨了140%左右。Kleijn等人[10]最近也发现，电厂CCS的金属强度远远高于现有的发电机。有五种主要的技术可以从用于CCS的气体流中去除二氧化碳，而烟气流中二氧化碳的压力、温度和浓度将决定哪一种技术最适合给定的流程[7,11]。五项技术是:(一)化学溶剂;(2)物理溶剂;(3)吸附/解吸;(四)膜分离;(五)低温分离。
燃烧后捕获(或“烟气洗涤”)方法是目前工业上应用最发达和最流行的从化石燃料燃烧废气中捕获二氧化碳的技术[4,7,8]。它可以以相对较低的成本对现有的电站[7]进行改造，使燃烧过程保持相对不变。煤是在传统的燃烧室中燃烧的，然后废气通过一个颗粒去除室，分离出灰和烟颗粒。在脱硫阶段之后，烟气被转移到二氧化碳吸收装置中，在那里溶剂吸收二氧化碳。如果灰、硫和其他主要杂质没有预先过滤过[11]，溶剂就会发生不良反应(或以较快的速度消耗)。富含二氧化碳(通常)的胺基溶剂，如单乙醇胺(MEA)[4,7]，随后在CO2汽提器中加热，释放出可回收的纯CO2，以吸收更多的CO2[12]。汽提器收集的二氧化碳被压缩并储存在当地，然后通过管道输送或直接运往最终的储存地点。氨洗涤是一种经过验证的工艺，目前用于工业应用的二氧化碳去除[7]。然而，由于气体压缩和溶剂冷却和加热的要求，它确实会带来额外的能量损失。这通常相当于16%左右[4,7,12,13]，因此需要燃烧更多的煤才能达到相同的电力输出水平。
燃烧前捕集利用煤燃料转化为相对清洁的气体的过程，通常称为“合成气”，主要由氢(H2)和一氧化碳(CO)组成[7,8,13,14]。煤主要由碳、氢、硫和各种杂质组成。空气分离装置(ASU)用于从空气中提取氧气，然后将氧气添加到加热的粉煤(PC)中，生成合成气。然后，过滤器和擦洗装置被用于去除气体中的硫和微粒(与燃烧后技术采用的方法类似)，然后再通过一个换向反应器。后者是一种催化剂，它能引起一氧化碳和高温蒸汽之间的反应，产生更多的氢和二氧化碳。然后使用溶剂(如自20世纪60年代以来用于天然气“脱硫”(去除有机硫化合物和硫化氢)的“Selexol”[4,7]等)对这种气体进行清洗，其方式与燃烧后的气体大致相同。无二氧化碳气体，现在几乎完全由氢组成，用于燃气涡轮发电机发电。然而，预燃烧过程需要大量额外的能量来驱动ASU，并产生煤气化所需的热量。能源损失通常在8%到12%之间[8,12,13]，这主要是由于ASU的运行和煤炭气化过程中的损失。
氧燃料燃烧与后燃技术的相似之处在于，燃烧产生的废气是在燃烧后处理的。煤粉只经过预处理，然后在燃烧室中产生的燃料通过ASU[4,7,8,13,14]。随后，它与烟气中的CO2混合，得到一个可变的CO2/O2混合物。二氧化碳只需要调节燃烧的温度，它需要微调
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达到最佳燃烧温度。燃烧气体的纯度降低了废气中的杂质，因此在二氧化碳被清洗之前需要更少的过滤。洗涤后，产生的二氧化碳的一小部分被反馈回燃烧装置，与氧气混合，产生氧气燃料。与预燃烧捕获方法一样，主要的能量损失来自于需要一个ASU来提供纯氧。与传统的PC燃烧相比，这将导致约8-9%的能量损失。氧燃料燃烧方法可以改进到现有的发电厂，尽管必须在传统的发电厂中增加一台ASU、CO2洗涤和压缩设备。
2．2．二氧化碳运输
国际能源机构(IEA)在其CCS“技术路线图”[12]中建议，管道将是二氧化碳运输的主要方式，船舶和火车将在短期内用于全球一些示范项目(参见Anderson和Newell [14];哈蒙德等人;Svensson等人，[15])。海运比管道长距离运输二氧化碳(gt;1000公里)更经济。液化二氧化碳具有与液化石油气[8]类似的性质，可以以0.7 MPa左右的压力运往海外，具有商业吸引力。在英国，天然气和其他液体和气体的运输已经建立了良好的基础，自上世纪70年代初以来，天然气和石油一直通过管道从北海储层输送。因此，有可能利用英国国家电网运营的现有管道基础设施[4,13]来减少建立一个新的CO2网络所需的投资。然而，现有的通往北海的石油和天然气管道已接近工程寿命的终点，它们的设计是为了适应不同的运行条件。因此，二氧化碳管道需要设计得能够承受高压，从而可能出现泄漏的风险。CO2在不同阶段的行为不同，这些都会影响管道腐蚀的发展。因此，管道材料必须仔细选择和设计，以将管道故障的风险降到最低，特别是如果管道位于海底。此外，还需要设计新的计量装置来监测浓相CO2的质量[4,13]。还可能需要将重新压缩阶段插入管道。据信，从中期来看，二氧化碳管网将与多个陆上“集散中心”一起最有效地运作，这些集散中心将压缩和清洁几家发电厂和工业捕集厂用较小管道输送的二氧化碳。在这些集散地，经过高度压缩和净化的二氧化碳将通过一两根更大、更坚固的管道输送到其近海储集层[11]。这不仅可以降低安装成本和所需的管道长度，而且还可以实现一个可以共享的互连系统。如果发生泄漏或故障，这样的网络将有可能发展成具有冗余和安全性的管道网络[11,12]。中心网络系统还可以更好地管理二氧化碳的运输，由第三方租赁管道用于发电机组，从而分散成本，减少单个发电机组和行业用户的维护和运营压力。英国的二氧化碳运输需求将受益于这样一个事实:英国在北海的蓄水池通常距离发电站只有200或300公里。利益相关者认为，在英国[16]开发二氧化碳管道网络没有长期的技术障碍。但由于资产成本高、收益低，CO2管道运营商面临着巨大的财务风险[16]。事实上，Gough等人提出，网络和替代传输方式之间的成本增加可能高达每吨3英镑(4.5美元或每吨二氧化碳4.0欧元)。
2．3．二氧化碳存储
自然形成的地质构造为捕获的二氧化碳提供了潜在的储存地点:石油或天然气开采、不可开采的煤层、含盐含水层和枯竭的油气田[4,8,11]。由于所涉技术的成熟，这些技术受到青睐。例如，挪威和美利坚合众国[11]在地质构造中封存二氧化碳已有35年以上。这种渗透层通常至少在海底800米以下。其他潜在的储存方式包括海洋储存和二氧化碳矿化。提高采收率(EOR)和提高采收率(EGR)是利用CO2从地质构造中提取油气的方法，自20世纪70年代初以来在加拿大和美国得到了广泛的应用[4,8,11,14]。向油藏中注入二氧化碳使天然气与原油混合，从而使混合物变稀。这样就更容易从储层中提取了。这些技术目前仅用于近海应用，因此在英国大陆架上的应用似乎非常有限。英国先
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