燃烧前 CO 2 捕集技术研发与示范 许世森 中国华能集团清洁能源技术研究院 2013.7.2
我国一次能源消耗预测 万亿 kwh 12 10 8 6 4 2 太阳能生物质能风电抽蓄及其它蓄能元件水电核电燃气煤电 2050 能源消费总量 : 63 亿 tce 2005-2050 总煤耗量 : 1158 亿 tce 0 2010 2020 2030 13.1% 1.7% 1.7% 13.6% 4.1% 1.9% 82.4% 76.2% 4.0% 13.7% 2050 2.5% 1.8% 8.1% -0.1% 10.6% 9.0% 53.6% 2.3% 68.2% 20.1% 3.5%
CCUS 的必要性
电厂是 CO 2 重要的排放源之一 来源 : IEA Gas, 1294Mt, 14% Oil, 985Mt, 11% 电厂 CO2 排放 Coal Oil Gas Coal, 6780 Mt, 75% 燃煤电厂也是 CO 2 的重要排放源, 排放量占到总排放量的 50% 左右, 还将进一步增长, 未来电厂将面临 CO 2 减排压力
燃烧后捕碳技术适合传统燃煤电厂 燃烧前捕碳技术适合 IGCC 电厂 富氧燃烧技术适合传统燃煤电厂
建设阶段 Lost Cabin 煤气厂美国燃烧前捕集 ( 天然气处理 ) 1 EOR 2012 伊利诺伊工业碳捕集与封存 (ICCS) 项目 美国工业分离技术 ( 乙醇生产 ) 1 深碳酸盐岩地 层 2013 边界大坝 (Boundary Dam)CCS 示 范项目 拿大燃烧后捕集 ( 电厂 ) 1 EOR 2014 Agrium 与 ACTL 合作的二氧化碳捕集 项目 拿大燃烧前捕集 ( 化肥生产 ) 0.6 EOR 2014 肯珀县 (Kemper County)IGCC 项 目 美国燃烧前捕集 ( 发电厂 ) 3.5 EOR 2014 Gorgon 二氧化碳注入项目 澳大利亚 Pre-combustion ( 天然气处深碳酸盐岩地 3.4-4 3 理 ) 层 2015
脱除 CO 2 时火电技术的经济性比较 90 80 70 2 COE $MWh with Capture & Sequestration COE $/MWh with CO2 60 Capture 50 COE $/MWh w/out 40 Capture 30 20 10 0 NGCC 525 MW ($3.50=$3.3 $ $/GJ NG) NGCC 525 MW ($5/MBtu =$4.7/GJ NG) IGCC 520 MW (EPRI) USC PC 600 MW NGCC = Natural Gas Combined Cycle IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle USC PC Hi-efficiency Pulverized coal
CCUS 示范项目 100,000t/a 基于 IGCC 的燃烧前 CO2 捕集 利用和封存示范项目 近零排放示范项目 50000t/a 燃烧前 CO 2 捕集示范项目 煤化工 CO2 捕集示范项目 3000 t/a 燃烧后 CO 2 捕集示范项目 第一个燃煤电厂 CO2 捕集项目 120,000t/a 燃烧后 CO 2 捕集示范项目 世界上最大的燃烧后 CO2 捕集项目 www.chng.com.cn
成立绿色煤电有限公司 在国家发改委 科技部等部委指导下, 中国华能集团公司等 八家能源企业发起成立了绿色煤电有限公司 : 中国华能集团公司 中国大唐集团公司 中国华电集团公司 中国国电集团公司 中国电力投资集团公司 神华集团公司 国家开发投资公司 中国中煤能源集团公司 美国博地能源公司
三阶段计划 IGCC 煤电化多联产技术完善绿色煤电关键技术研发阶段 绿色煤电示范工程实施阶段 IGCC 电站阶段 自主创新的 2000 吨 / 天气化炉 25 万千瓦 IGCC 煤电化多联产 绿色煤电技术实验室建设 第一阶段 2006-2011 IGCC 煤电化多联产技术完善 从技术和经济上验证气化炉放大到 3500 吨 / 天或 2 2000 吨 / 天的运行方式 制氢技术研发 H2 和 CO2 分离技术研发 燃料电池发电技术研发 绿色煤电示范工程前期准备 第二阶段 2011-2015 建设 40 万千瓦级煤制氢 氢能发电和 CO2 分离的绿色煤电示范工程 运行近零排放绿色煤电示范电站 经济性验证 商业化准备 第三阶段 2015-2020
The Flow Sheet of GreenGen I
2012.11 华能天津 IGCC 示范电站建成投运 我国第一座 250MW IGCC 示范电站 我国第一套自主知识产权的 2000t/d 级干煤粉气化炉 自主设计 建设 调试 运行
中国华能天津 IGCC 示范电厂 Gasifier: CHNG Net eff. 41% GT: SIEMENS Power: 265MW ASU: Kai Kong SO 2 : <1.4mg/Nm3g ST: Shanghai Electric HRSG: Hang Guo NO X : 52mg/Nm3 PM: <1mg/Nm3
第二阶段技术路线图 完善 IGCC 及制氢和 CO2 分离技术, 为第三阶段开发和示范做准备
第三阶段技术路线图
基于 IGCC 的燃烧前 CO2 捕集 利用和封存 60,000-100,000t/a CO 2 capture and sequestration 2013 Start Operation
十二五 国家 863 计划重点项目总体目标 研发基于 IGCC 发电系统的 CO 2 捕集 利用与封存 (CCUS) 系统, 建立并进行 CCUS 系统示范 开发并掌握 CO 2 捕集 富氢燃烧 CO 2 /H 2 分离 CO 2 增产石油 CO 2 地质封存等关键核心技术
项目任务指标 建成 30MW th 基于 IGCC 的 CO 2 捕集 利用和封存示范系统, 并进行 CCUS 全流程试验研究和技术验证 ; 变换实验系统热功率 50kW,CO/H 2 /CO 2 可调变 ; 建立热功率 100-200kW 富氢气体燃烧试验装置 ; 建立处理量 6Nm 3 /h H 2 /CO 2 分离试验系统, 捕集能耗比同规模常规湿法脱碳系统能耗降低 10-15%; CO 2 捕集能力 6-10 万吨 / 年, 捕集系统单位能耗小于 2.5GJ/t(CO 2 ) 驱油利用 CO 2 量 4 万吨 / 年, 目标区块提高石油采收率 10%; 地质封存 CO 2 量 2 万吨 / 年, 完成 CO 2 地质封存渗流实验系统 基于 400MW 的大型 IGCC 的 CCUS 全流程系统方案设计及工艺包
工作进展及亮点 华能清能院 完成 30MW th 基于 IGCC 的 CO 2 捕集系统工艺比选, 得到能耗较低的 CO 2 捕集系统设在 Aspen Plus 软件平台上建立了 CO 2 捕集系统的计算模型, 对在以下计方案 技术方案在能耗,CO 2 回收率等方面进行了模拟计算与对比 : 方案 1-MDEA 脱硫 + 中高温变 换 +MDEA 脱碳 +CO 2 压缩液化 方案 2- 耐硫变换 +MDEA 脱硫 +PSA 脱碳 +CO 2 压缩液化 方案 3- 耐硫变换 +MDEA 脱硫 脱碳 + 硫碳分离 +CO 2 压缩液化 2
工作进展及亮点 完成工艺流程图 PFD 设计, 完成设备布置图, 确定工艺设备表, 确定主要静设备的简图, 确定系统的控制方案 华能清能院 捕集系统布置图
延长石油 5 万吨 CO2 捕集项目 依托陕西延长石油榆林煤化有限公司 20 万吨醋酸项目建设捕集能力为 8.36t/h 的二氧化碳提纯工程 ; 二氧化碳经过压缩液化 罐车运输用于 EOR( 驱油 ) 装置于 2012 年投入运行, 可在额定生产能力的 80~120% 范围内平稳运行 最终产品为液态 CO2, 纯度 99.5% 运行成本 115 元 / 吨 CO2
延长石油 5 万吨 CO2 捕集系统
延长石油 5 万吨 CO2 捕集项目
美国杜克能源燃烧前 CCS 项目 中美两国最大的能源电力企业, 中国华能集团与美国杜克能源公司 Team: Largest energy power enterprises in China and U.S., China Huaneng Group and US Duke Energy, Inc. IGCC 发展和使用还处在早期阶段, 研究发展 IGCC+CCS 技术对中美两国节能 减排都有非常重要的意义 The development and utilization of IGCC is still in its initial stage and the research in developing IGCC + CCS technology is of great importance to the two countries in energy saving and emission reduction. 天津 IGCC 电站于 2012 年 11 月投产 Tianjin IGCC put into operation in Nov. 2012 华能 Huaneng 合作内容 Collaboration 在建的 Edwardsport IGCC, 预计 2012 年投产 Is developing an IGCC in Edwardsport, d Indiana; expected to put into operation in 2012 杜克 Duke 中美 CERC
体会与建议 CCUS 是应对气候变化的有效途径之一, 是一项战略必争的技术 ; CCS 需要付出高昂的代价, 进行示范是十分必要的, 只有通过自己的示范, 才能获得适合我国的技术路线和技术经济数据 ; 从技术层面看 : 燃烧后 CO2 捕集适合于常规火电, 燃烧前 CO2 捕集适合于 IGCC 发电, 均可以实现工程化 ; 从经济层面看 : 燃烧后比燃烧前捕集 CO2 的单位成本高, 但常规火电 +CCS 与 IGCC+CCS 相比, 总成本未必高, 有待进一步验证, 这一点与美欧的观点不同 ; CO2 的工业利用量非常有限,EOR 和 ECBM 是近期较大规模利用 CO2 的优先机会 ;
体会与建议 促进电力和石油行业的合作, 大力推进百万吨级 CO2 捕集 EOR 与封存示范, 积累经验, 获取数据, 使自主技术得到工业规模验证, 为未来做好技术储备 ; 列入国家示范工程和科技专项, 出台示范工程优惠政策, 在项目资本金 捕集 CO2 后的电价 科研和运行经费方面给予政策支持 ; 进行不同技术路线的比较, 制定适合我国的技术路 进行不同技术路线的比较, 制定适合我国的技术路线和相关技术标准
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