《烟气脱碳工艺技术研发》立项论证报告Word文件下载.docx
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在可预见的未来，我国的能源供应仍然以燃煤为主，未来的五年依然是增量的趋势，其中有近80%用于火电、冶金、建材等行业。
随着“京都议定书”的实施和“后京都议定书”提议的出台，中国积极应对气候变化和温室气体减排问题，在“十一五”规划中首次把温室气体控制排放作为国家目标，承担起更多的二氧化碳减排的国际义务。
2007年发布了《中国应对气候变化国家方案》，明确提出了控制二氧化碳等温室气体排放的任务。
近年来，世界范围内出现了发展以研发推广低碳能源技术、增加碳汇、促进碳吸收技术发展为基础，旨在降低二氧化碳等温室气体排放，缓解温室效应，实现可持续发展的低碳经济的明显趋势。
根据国家产业政策，“十二五”期间，脱碳将成为烟气治理的重点工作之一，可以预见，烟气脱碳技术将在我国快速展开，以有效降低燃煤电厂二氧化碳排放对环境的负面影响。
脱碳工程在未来几年烟气治理工作中具有越来越好的市场前景。
目前，世界范围内尚未在烟气脱碳技术领域取得较大突破。
航天十一院控股的航天环境工程有限公司（以下简称：
环境公司）拥有的烟气脱硫技术和烟气脱硝技术已实现工程化应用，具有雄厚的烟气治理技术基础。
环境公司将按照国家积极应对气候变化，发展低碳经济的战略导向，突破吸收塔、解吸塔等关键技术，着力研发具有自主知识产权的、高效、低能耗的吸收法烟气气动脱碳工艺和系统，实现工
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程化应用。
可见，烟气脱碳工艺技术研发是符合国家产业政策，具有良好发展前景，不仅可以取得良好经济效益，而且可以取得无法估量的社会效益的前瞻性研发项目。
一、国内外技术发展现状与趋势分析
发电过程是主要的CO2排放源，其在中国占二氧化碳排放总量的比例接近50%。
为支撑经济发展，中国电力装机迅猛增长，2008年底达到近8亿千瓦，其中火电装机总量所占比例超过四分之三。
火电厂（燃煤电站）二氧化碳减排是世界各国，特别是中国二氧化碳减排工作的重中之重，相关技术更是研究的热点和难点。
电力行业减排CO2的主要途径，包括：
（1）调整燃料结构，发展新能源与可再生能源；
（2）提高发电效率，减少单位发电量CO2排放量；
（3）发展安全高效的二氧化碳捕集与封存（CCS）技术。
其中，二氧化碳捕集与封存（CCS）技术最具创新性，可实现最大限度的二氧化碳减排。
CCS技术包含CO2捕集、运输以及封存等一系列技术链的应用，分别简介如下：
（1）CO2捕集：
分为“燃烧后捕集”、“燃烧前捕集”和“富氧燃烧捕集”三种主要技术路径和吸收／吸附法、膜分离法、纯氧/烟气再循环燃烧、改变煤气化联合循环、低温分离法等若干捕集分离工艺方法。
（2）CO2运输：
一般将CO2制成流体态（气态和液态），以方船便大规模运输。
目前已经实践过的CO2运输方式主要有罐车运输、
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舶运输和管道运输。
其中，罐车运输已经成熟，我国已具备制造该类罐车和相关附属设备的技术能力；
船舶运输方面已有小型CO2运输船舶，挪威、日本等国正在设计大型CO2运输船；
管道运输上，目前已有近4500km的CO2输送管道，总CO2运输量为5000-7000万t/a。
（3）CO2封存：
指的是将捕集、压缩后的CO2运输到指定地点进行长期安全封闭存储。
包括：
地质封存、海洋封存、地表封存、生物封存和工业利用固存等。
目前，比较知名的二氧化碳封存项目有挪威Sleipner项目、加拿大Weyburn项目和阿尔及利亚InSalah项目等。
目前，各国都在积极进行CCS技术的探索和研究。
美国、欧盟和加拿大等都制定了相应的技术研究规划，开展CCS技术的理论、试验、示范及应用研究。
根据国际能源署的统计，截至目前，全世界共有碳捕集商业项目131个，捕集研发项目42个，地质埋存示范项目20个，地质埋存研发项目61个。
CCS技术有望成为显著减少温室气体排放的关键技术，通过替代或改造不同类型的CO2直排电厂，CCS技术可使来自于大工业源和燃煤电厂的CO2排放量减少85％左右。
从而可以在不损坏气候安全的条件下继续使用化石燃料，确保能源安全，在经济发展与环境保护两个方面实现双赢局面。
CCS技术的核心是CO2捕集技术和CO2封存技术，本项目所述“烟气脱碳工艺技术”属于CO2捕集技术中的“燃烧后捕集”技术范畴，因此重点介绍CO2捕集技术，特别是“燃烧后捕集”技术，CO2对运输、CO2封存技术不再赘述。
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（一）国外技术发展现状
1、二氧化碳捕集技术路径目前对主要化石燃料（煤、天然气或石油）、生物质或这些燃料的混合体产生的CO2的捕集可分为“燃烧后捕集”、“燃烧前捕集”和“富氧燃烧捕集”三种主要技术路径:
（1）燃烧后捕集：
针对电站排放废气中二氧化碳分压低、处理量大，且同时含有少量氧的特点，燃烧后系统从一次燃料在空气中燃烧所产生的烟道气体中分离CO2。
主要采用溶液吸附脱附的原理，化学溶剂如胺类、MHI’SKS-1技术，物理溶剂如Rectisol和Selexol混合溶剂。
图1为燃烧后捕集系统流程图。
图1
燃烧后捕集系统流程图
（2）燃烧前捕集：
燃烧前系统将燃料进行高温高压氧化反应成H2和CO2，然后分离用于发电发热，产生易于捕集的高浓度CO2。
常见的“燃烧前捕集”系统，比如IGCC（综合煤气化联合循环）系统和NGCC（天然气联合循环）系统等。
图2为基于IGCC的燃烧前捕集系统流程图。
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图2
基于IGCC的燃烧前捕集系统流程图
（3）富氧燃烧捕集：
氧燃烧系统用纯氧代替空气进行燃烧，产这种方法产生的烟道气体具有很高生以水汽和CO2为主的烟道气体。
的CO2浓度（占体积的90%以上）。
然后通过对烟气进行污染物脱除和冷却压缩收集其中的CO2。
图3为富氧燃烧捕集系统流程图。
图3
富氧燃烧捕集系统流程图
2、二氧化碳捕集工艺方法目前主要的CO2捕集分离工艺方法有：
（1）吸收／吸附法：
吸收法利用溶剂吸收废气中的CO2，然后把CO2从溶液中分离出来，再经压缩、冷却后待进一步处置。
物理吸
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收与化学吸收比较，选择性较低，分离效果差。
但由于吸收剂再生时可以采用闪蒸，不需要再沸器，因此能耗低。
一般用于不要求全部回收CO2的废气。
化学吸收的吸收剂主要有碳酸钠、碳酸钾、乙醇胺及氨等水溶液。
化学吸收CO2的回收率较高，吸收剂挥发损失小，但流程中都有一个加热解吸再生过程，消耗一定能量，特别适用于系统有充分余热可以利用的场合。
（2）膜分离法：
利用CO2对某种特殊膜的渗透性能使之分离，特别适用于含CO2浓度大于20％的天然气处理，投资和运行费用只相当于胺吸收法的50％，且结构简单，操作简便。
但由于膜的性能存在不稳定性，至今尚未在工业上广泛应用。
此外，该技术用于燃煤但能耗占用煤能耗的50％～70％，锅炉烟道废气，可脱除80％的CO2，目前经济上无法承受。
（3）纯氧/烟气再循环燃烧：
此方法主要是针对烟气中浓度较低CO2分离浓缩时消耗巨大能量这一问题而提出的。
电厂锅炉采用纯氧和再循环烟气混合，组织煤粉燃烧。
当O2与再循环烟气之比恒定时，循环结果使烟气中CO2的体积分数高达80％～90％，然后处置或进一步提纯。
该方法需要进一步研究解决的问题是，纯氧锅炉和大型空气分离制氧设备的研制，以及降低制氧过程的能量消耗。
（4）改变煤气化联合循环：
在煤气化联合循环的工艺流程中，用蒸汽（H2O）将CO转化为H2和CO2。
分流后的H2进入燃气轮机燃烧，CO2送去压缩、冷却。
此方法可脱除90％的CO2，但发电成本将增加30％～50％。
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（5）低温分离法：
利用废气中CO2与其他成分气体的不同物理性质，采用适当的压缩冷却条件，使CO2液化分离。
压力较高就需要消耗较多的能量，但相应冷冻的能量消耗较少。
3、二氧化碳捕集吸收法工艺吸收法是目前最主要的CO2捕集分离方法，核心技术是吸收剂、吸收/再生装置和工艺流程。
（1）工艺流程：
一般工艺流程为，电厂燃煤锅炉燃烧后产生的烟气经过脱硝（如尿素SCR脱硝）、除尘（如四电场静电除尘）和脱硫（如石灰石/石膏湿法脱硫）后，含有12~13%的CO2及其他少量杂质。
该烟气经过增压风机加压后进入CO2吸收塔进行CO2吸收。
在吸收塔中喷入一定量的吸收溶剂，吸收烟气中的二氧化碳，处理后的含少量杂质、大量氮气和水分的净化气直接排向大气。
吸收了CO2的吸收液通过富液泵泵至热交换器加热后到再生塔进行解吸分离，再生塔用蒸汽进行煮沸，分离出的高浓度二氧化碳进入压缩储存系统进行储存或进入精制系统进行提纯。
（2）吸收剂：
目前常采用胺基化学吸收剂，如一乙醇胺（MEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）等。
一乙醇胺MEA被认为最合适燃煤烟气CO2分离，其优势为“分子量小、吸收酸性气体能力强”，对捕集燃烧后烟气中低浓度的CO2最具优势；
其缺点为“CO2负荷能力（kgCO2/kg吸收剂）低、设备腐蚀率高、胺类会被其他烟气成分降解、吸收剂再生时能耗（kCal/kgCO2）高，使得胺基CO2化学吸收工艺技术的能耗高、CO2分离成本高，对电厂影响大。
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（3）吸收/解吸装置：
常采用填料吸收塔和填料解吸塔。
（二）国内技术发展现状
我国燃煤电站烟气的二氧化碳捕集研究尚处于起步阶段，但相关研究工作具有较好的基础。
例如，在国外引进大化肥装置的消化、吸收和再创新方面积累了有益的经验，在中、小化肥厂的扩能、降耗方面取得了长足的进展等。
化肥厂、合成氨厂的CO2吸收虽和电厂或钢但有关新型吸收剂、高效吸收设备和铁厂的CO2捕集有很大的差别，能量集成方面的经验仍具有重要的参考价值。
如能组织电力、化学化工、环境等领域的科技工作者协作攻关，有可能在CO2捕集技术方面取得突破，创制国际一流水平的先进技术，为全球的温室气体控制做出应有的贡献。
目前，国内电厂、钢铁厂的绝大部分二氧化碳捕集技术为国外引进，不掌握核心技术。
国内已经开始进行烟气脱碳技术研发工作。
同时，通过技术引进，数个烟气脱碳示范工程已经展开。
华能集团最先开始二氧化碳捕集技术工程应用和研究，于2008年建成了华能集团北京高碑店热电厂250MW机组（部分烟气）、3000吨/年的二氧化碳捕集项目，并产出食品级二氧化碳；
2009年开始建设华能上海石洞口第二电厂二期660MW机组（部分烟气）、10万吨/年的脱碳工程。
华电集团新疆苇湖梁电厂1万吨/年的脱碳实验工程已通过可研评审，将于2010年启动。
预计一旦火电厂烟气脱碳市场形成，华能集团将组建专业公司率先进入该领域。
（三）国内外技术发展趋势
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1、二氧化碳捕集技术发展趋势
（1）燃烧后捕集：
其技术路线是以气体净化工业上相当成熟的化学溶剂吸收法工艺为基础，也是当前仅有的已进入工业规模试验的美技术路线。
目前较成熟的烟气CO2捕集技术为醇胺类溶剂吸收法，国在上世纪90年代后期已建立了数个一乙醇胺（MEA）法脱碳的工业示范装置以捕集燃煤电站及燃气透平机排放的二氧化碳。
存在的主要问题是装置的能耗较高，且MEA的氧化降解较严重。
目前正准备通过吸收溶剂研究、优化吸收/再生工艺和设备及使用抗氧化添加剂等措施降低操作成本、实现CO2吸收分离过程的节能优化。
技术路线的关键是转化制氢及高温下氢气的膜分离系统，开发的重点是膜式转化装置及高温膜分离材料。
技术路线的关键是廉价的富氧空气供应及与之相适应的高技术涡轮机的开发。
2、二氧化碳捕集技术路径比较表1为不同技术路径的捕集技术发展水平比较，2为不同技术表路径的捕集技术经济性比较。
表1不同技术路径的捕集技术发展水平比较特定条件下经济上可行
捕集系统
基础系统IGCC
研究阶段示范阶段√
市场成熟
燃烧前捕集化工厂/多联产燃烧后捕集富氧燃烧PC——√
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√√√
表2
不同技术路径的捕集技术经济性比较新建超临界PC新建IGCC范围682-84665-15281-9131-401169-15651414-227019-6641-6154-7920-5511-32均值7731088635132618253747623320
参数无捕集排放（kgCO2/MW?
h）有捕集排放（kgCO2/MW?
h）CO2减排（%）有捕集供电效率%（LHV）无捕集造价（$/kW）有捕集造价（$/kW）捕集系统成本增量%无捕集发电成本（$/MW?
h）有捕集发电成本（$/MW?
h）发电成本增量（%）CO2捕集成本（$/tCO2）
范围736-81192-14581-8830-351161-14861894-257844-7443-5262-8642-6623-35
均值7621128533128620966346735729
属于“燃烧前捕集技术”的整体煤气化联合循环（IGCC）技术被认为是最有潜力的环保型绿色煤电技术之一。
IGCC技术能耗较低，将改革和更新传统的燃煤发电路线。
但中国没有商业运行的IGCC电站，且超过6亿千瓦的发电装机是传统燃煤电站。
因此，适合传统燃煤电站的CCS技术中的“燃烧后烟气二氧化碳捕集技术”，即“烟气脱碳技术”是中国近期降低单位GDP碳排放量的最佳及最有效手段。
燃烧后二氧化碳捕集的成本约20~40美元/吨CO（一般为30美元/吨），2占CCS总成本的80%。
增加CO2捕集和封存装置将使发电站的成本提高约35%，使发电成本增加大约0.01-0.05美元/千瓦时，并消耗20%以上的能源，考虑分配和运输的费用，终端用户电费将上涨约20%，这对各国经济都是非常沉重的负担。
而利用IGCC技术的燃烧前捕获，
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成本相对低一些，是20美元/吨CO2。
但是，IGCC电厂自身的投资远大于常规的火电站。
综合比较，“烟气脱碳技术”是最适合传统燃煤电站，最有可能在近期实现商业化示范的技术。
不过，只有大幅度地降低成本，才可能更有效地实施CO2捕集和封存，实现CO2大规模减排。
将IGCC技术和CCS技术相结合也是技术发展趋势之一，这样不仅能实现二氧化碳零排放，还能实现二氧化硫的超低浓度排放，同时大大提高燃煤效率。
3、二氧化碳捕集工艺发展趋势是脱碳工艺研究的热目前，吸收法仍是最成熟的CO2捕集工艺，点和重点。
吸收法工艺在吸收剂、吸收/再生装置和工艺流程等核心技术方面发展趋势为：
关键是进行流程优化，降低系统运行成本，提高系统运行可靠性。
（2）吸收剂：
趋势是开发具备“高CO2吸收速率”、“高CO2吸收负荷”、“低再生能耗”特性的新型吸收剂。
一般以一乙醇胺（MEA）等醇胺类溶剂为主，配以辅助溶剂组成新型混合吸收剂。
重点是调节各组分配比，以达到吸收效果和系统技术经济综合指标最优化。
新型溶剂的可能组分主要有：
1）MEA：
作为吸收剂主体；
1）MDEA：
MEA中添加少量MDEA后，可提高CO2吸收速率；
2）空间位阻胺：
MEA中加入适量空间位阻胺后可显著提高CO2
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吸收能力，并降低再生热耗；
3）活化剂：
包括单活化剂、双体活化剂等，特别是MEA中加入双低浓度双体活化剂后，可有利于CO2的吸收又能减轻碳钢腐蚀；
4）抗氧化剂：
MEA中加入适量抗氧化剂，可显著改善吸收剂的氧化降解问题；
5）缓蚀剂（TBEE）：
MEA中加入适量缓蚀剂（TBEE），可改善碳钢腐蚀问题。
吸收装置方面关键是对吸收塔流场进行研究，优化设计，以减少压力损失，降低能耗，提高气液传质效率和负荷处理能力；
解吸装置方面关键是对再生塔流场和热传质进行计算和分析，优化设计，以提高热传质效率，降低能耗。
二、需求分析
气候变化是21世纪人类共同面对的最大挑战和威胁，是经济和社会发展的主要制约因素。
在气候变化问题上，目前的科学研究表明，在2050年左右，大气中的二氧化碳含量应低于400ppm，才有较高的可能性将地球温度的上升控制在2℃内。
气候变化对中国的潜在威胁是巨大的，在气候变化的大背景下，中国的干旱和洪涝灾害增加，山地冰川普遍退缩，西部山区冰川面积在几十年间减少20％以上，这种速度正逐年加快。
在21世纪末，水资源利用将受到较大威胁。
全球变暖将对中国的冻土、沼泽、荒漠产生严重影响。
这种变化都是不可逆转的。
目前，中国已成为世界上最大的温室气体排放国家，遭遇到前所未有的挑战。
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我国煤资源丰富而油气紧缺。
由于我国煤炭消费比重远大于国际由于我国的平均水平，造成我国能源消费的CO2排放强度相对较高。
水资源和耕地资源的缺乏，一次能源结构以煤为主的情况将延续相当长的时间。
在气候变化、人口、资源和环境的限制条件下，发展控制CO2排放的洁净煤技术和“低碳经济”是我国面临的严重挑战。
在2007年APEC会议上，胡锦涛主席明确提出“发展低碳经济”，推动了我国烟气碳排放治理工作的进程。
2009年，国务院强调要培育以低碳排放为特征的新经济增长点，建设以低碳排放为特征的工业、建筑、交通体系，以期在2010年单位国内生产总值能耗降低20%。
2009年12月7日~18日，第15次《联合国气候变化框架公约》缔约方会议暨《京都议定书》第5次缔约方会议在丹麦首都哥本哈根召开，此次会议上中国承诺于2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%。
这无疑为脱碳技术的研发和应用提供了广阔的市场前景。
三、承担单位研发基础与竞争态势分析
（一）研发基础
1．承担单位概况航天环境工程有限公司是十一院于2008年联合航天投资控股有限公司和天津海泰控股集团有限公司共同投资设立的，是十一院航天技术应用产业环保产业化项目的经营主体。
公司注册在天津滨海新区，注册资本金1亿元。
公司成立以来，在集中十一院环保产业1993
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年以来的全部科技创新成果和工程应用业绩的基础上，以做大做强航天环保产业为目标，不断优化经营管理体制，做好脱硫主业，逐步向火电行业烟气脱硝及催化剂、化工装置烟气脱硫、冶金行业烧结机烟气脱硫、水处理工程、烟气脱碳等领域实施资源聚焦；
积极开展脱硫脱硝成套设备工程和水处理工程总承包，形成包括烟气治理、污水处理、等离子技术应用的主营业务发展格局；
市场竞争力和品牌影响力显著增强，进一步开拓了主流市场，取得了较好成绩。
航天环境工程有限公司2008年实现收入12000万元，利润1800万元，中标合同额16000万元；
2009年实现收入19000万元，利润2600万元，中标合同额33000万元。
2．技术成果
（1）气动脱硫技术成果环境公司利用空气动力学中的漩涡运动理论、传热传质计算方法、风洞设计与实验技术提出了脱硫除尘新概念，发明了具有风洞结构特点的气动脱硫除尘装置，节能效果好，脱硫率和除尘率高。
1996年12月，气动脱硫技术列入国家计委“重点军转民项目”，1997年气动脱硫除尘技术被列入国家环保总局“环保科技成果转化项目”，1999年列入国家计委“环保装备国产化项目”，2002年列入国家经贸委“重点创新项目计划”，2005年获得了国家四部委（国家科学技术部、国家商务部、国家质量检验检疫总局、国家环境保护总局）共同颁发的“国家重点新产品”证书。
气动脱硫技术具有自主知识产权。
“气动脱硫除尘装置”已获实用
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新型专利，专利号ZL99244023.8。
在此基础上，2007年又申请“气动脱硫单元”和“气动脱硫单元并联组合结构”发明专利2项（均进入实审阶段），获得了“气动脱硫塔”（专利号ZL200720173601.8）实用新型专利1项。
2009年申请了烟气脱硫方面的“一种气动烧结脱硫除尘装置”、“催化裂化再生烟气脱硫除尘工艺”发明专利2项和“一种氨法脱硫氧化悬浮装置”实用新型专利1项，均已收到受理通知书。
环境公司还拥有环境工程（大气污染防治工程）专业乙级工程设计资质（正在申请甲级资质），证书编号A212000537。
（2）烟气脱硝技术成果近几年，环境公司瞄准SCR脱硝技术前沿，开展了SCR脱硝工艺流程开发（见图4）、SCR反应器流场模拟（见图5）、SCR脱硝旋涡增混技术及装置等多项关键技术开发。
2008年开发完成《SCR烟气脱硝技术物
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