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二氧化碳的捕集和储存

2010-04-14      来源:中国杂志     
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    燃料燃烧就会向大气中释放二氧化碳(CO2),而CO2的聚集会导致全球变暖和海水的酸化。碳的捕集和储存(CCS)技术可以在源头捕集CO2并将其封储在存储设备中,从而减少温室效应。苏尔寿泵业和苏尔寿化工技术是领先的泵类和传质设备制造商,这些设备广泛用于CCS链的所有阶段,可以成功减少CO2的排放及其对环境的负面影响。
    2005年全世界化石燃料燃烧所产生的CO2大约为270亿吨。电力生产中所排放的CO2所占比例最大。大约60%的排放来自于大型的固定排放源(10万吨CO2/年),使用天然气或煤作为燃料的火电厂大约占其中的30%。全球大约有2000座年排放量超过100万吨CO2的电站,它们是CO2捕集的最重要的潜在目标。
        
图1. 所有旁路工程最重要的一点就是预测流量和
出口的正确尺寸。

  碳捕集 
    CO2是一种不稳定的气体,要从惰性气体(主要是氮气)中捕集CO2是非常困难的,成本相当高,还需要额外的能量。由于传统的火电站是在大气压力下燃烧天然气或煤炭,在清洁的惰性气体排放到大气以前,CO2必须在非常困难的条件下分离出来。这样做的目的是得到浓缩的易于传输的高压CO2气流。实现这一目的主要有三种方法:
         预燃烧 :CO2在燃烧之前分离出来。这一过程比较复杂但潜力巨大。
         后燃烧:CO2从燃烧后的废气中分离出来。这种方法将电站的能量输出减少了20%以上,但是CCS技术的开发重点目前集中在这一领域。因为这种方法已经在用,而且现有的电站可以进行更新。
         全氧燃烧工艺:用氧气替代燃烧过程中的空气,因此废气中主要含有CO2和水。CO2可以通过冷凝分离出来。
    现有电站可以根据全氧燃烧工艺的要求进行翻新,这一工艺颇具前景,目前一些示范电站已在建设之中。 
        
碳捕集难题的解决方案 
    传统火电站的废气率非常高,例如一座400 MW的天然气发电设备废气率超过200万立方米/小时。要处理如此之高流量的废气,吸收塔直径大约需要18米或18米×25米的矩形结构(塔柱形状由工艺许可方决定)。苏尔寿化工技术在类似尺寸塔柱的设计和相关设备的制造方面经验丰富。
另外,CO2的捕集需要大量的溶剂(主要是胺)作为吸收剂(一座400 MW的电站需要2000 m3/h)。高浓缩的溶剂输送到再生塔后释放出CO2,然后稀释的溶剂被输送回吸收塔中。如何使液体分布器在塔柱交叉部位均匀喷洒是一大难题。
        
图2. 几乎60%的CO2来自于燃烧化石燃料的固定
排放源。预计至少到本世纪中叶,化石燃料仍然
是主要的能量来源。

    苏尔寿的液体分布器测试装置可以解决这些难题。在将分布器安装到塔柱内之前,利用这一测试装置用水进行测试。苏尔寿的各种单级标准泵型可在后燃烧捕集过程中进行液体的循环。苏尔寿泵业在CO2高压清洗中胺的泵送领域拥有丰富的经验。预燃烧CO2的捕集在高压下进行,苏尔寿泵业可以提供几种不同的高能效多级泵进行溶剂的循环。 
    塔柱入口处的气体分布是另一大难题,苏尔寿化工技术采用计算机流体力学(CFD)技术来优化这一过程,以便使气体在进入塔柱之后具有相同的分布速度。 
    吸收85-90%的CO2所需要的填料高度由清洗液体的种类决定。CO2反应速度越快,所需填料的高度越低。
    但是,填料高度越低,在再生塔释放CO2时,所需的能量通常越多。因此,世界各个地区都在开发新的低能耗溶剂。
    风机可以保证大量的废气通过吸收塔。填料和塔柱内部压降的减小是节约能量的关键因素。
Sulzer Mellapaktm 是一种理想的塔柱填料,因为它同时满足了真空应用(低压降)和气体脱硫(高流量和高能效)的需求。
    此外,Mellapak的机械结构稳定,只需要很少量的材料就可制成。
        
图3. 苏尔寿化工在使用计算机流体动力学
技术优化气体进口形状方面拥有多年的经验。

    Mellapak比散堆填料具有更大的气/液接触面积(每千克不锈钢),这是改善传质的重要因素(图4)。目前,只有某些大型工厂(例如天然气加工厂和氨水生产厂)将CO2的分离作为例行程序,还没有电站装备完整大小的CO2捕集设备,但是已有几台试验装置投入运行,而且还有许多已在计划中。此外,一台捕集能力为10万吨CO2/年的示范设备计划于2009年内建成。实际大小的设备将于2011年开间。 
         
 运输
    捕集到的CO2通常压缩到超临界状态(压力>74 bar)进行运输。CO2可以通过管道或者装在储罐中通过铁路、公路和海上进行运输。当大量CO2的输送距离达到1000公里左右时,管道是首选。
        
图4. Mellapaktm and MellapakPlustm填料
非常适用于CCS领域,因为他们同时具有低
压降和高流量、高能效,可以大大减小塔柱
的尺寸。

    泵、机械密封的选择和泵的运行是非常关键的。苏尔寿在欧洲和美国拥有25年以上的泵送捕集CO2用溶剂、液态CO2和相似的低润滑性流体(如乙烯)的经验。苏尔寿泵业提供的泵可以将CO2压缩后进行运输、注入和储存(图5)。 
        
CO2的压缩
    再生塔中的CO2通常压力较低,必须压缩到至少80 bar的临界压力。在80-250 bar的压力下,CO2的密度变化大体上与温度的变化呈线性关系。CO2密度越大,管道的直径越小,机械设备(泵或压缩机)也越小,因此在相同的流速下,成本可能越低。
    将CO2冷却至27℃之下达到密相所需的成本可能很高。在寒冷气候下,就最后的压缩阶段而言,泵的效率高于压缩机。在冷却到10-15℃时,利用冷的海水可以大大节省成本。苏尔寿的多级泵可用于两相压缩,吸入压力在临界压力之下。
        
图5. 多级GSC分散泵可用于炼油厂、石化
厂和天然气加工过程的重载场合,用以输送压缩
的CO2或比重为0.4(本案例中)的冷却
乙烯。

CO2的运输和注入
    用于注入的CO2必须纯净干燥,以满足现有的欧洲法规。用于最后的压缩阶段的苏尔寿泵可以用于管道增压和CO2的注入,其吸入压力在80-100 bar之间,排出压力最高可达300 bar(取决于注入环境)。CO2还用于提高石油采出率(EOR)。目前CO2在美国已广泛用于EOR。 
        
碳的存储
    人们对三种可能的CO2地质储存区域进行了详细研究:油气藏、深的盐层和不可开采的煤床。密相CO2被注入地表下的岩石层内。CO2的存储加上CO2在提高石油采出率或提高煤床甲烷开采率方面的应用,将为石油或天然气的开采带来额外的收益。但将来可能捕集到的CO2仅有较小一部分可用于该领域。
    人们也考虑过将CO2储存在海洋中。但这一方法对于海洋环境的影响还是未知数,因此不是最佳选择。未来的储存技术还在开发之中。CO2还可以通过矿物碳化进行存储,但其预期成本远高于地质存储方法。 
        
前景
    CCS技术仍然处于早期阶段。一些公司和国家正启动一些项目展示CCS技术,同时等待政府的支持和资金投入。苏尔寿在CCS项目的早期工艺设计阶段即参与进来,并与客户保持密切联络。目前,大多数客户正在进行小规模的试验工厂(特别是CO2的捕集)的设计,也更加重视用于EOR的CO2管道。他们很可能在未来几年内与其了解和信任的技术供应商合作进行大规模的应用。

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