催化燃燒法在冶金行業廢氣治理中的應用
2025-07-10
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發布時間：2024-06-06 閱讀次數：2232
項目背景
氣候變化是當今世界面臨的嚴峻挑戰，全球平均氣溫上升帶來的冰川融化、海平面上升等變化，極大威脅著許多生物的生存環境，甚至導致物種滅絕的危機。目前國內外眾多研究學者認為以二氧化碳（CO?）為主的人為溫室氣體排放是全球變暖的主要原因，自工業革命（1850年）以來，世界能源消耗逐年增加，隨著人為CO?排放的增加，全球氣溫逐漸上升，2017年全球表面平均氣溫比前工業革命前水平上升1.0℃。政府間氣候變化（IPCC）報告指出，為維持自然系統的生態平衡，保證人類生存安全，到2030至2050年，全球氣溫上升應控制在1.5℃。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）2020年發表報告稱2011-2020是全球有記錄以來最熱的十年，地球表面溫度相比20世紀增加了0.82?C。因此如何高效控制CO?排放變得至關重要。
全球氣溫上升與累積人為CO?排放的變化關系（來源：IPCC）
全球溫度變化表（數據來源：NOAA）
化石燃料發電廠尤其是燃煤電廠是CO?最大的固定集中排放源，且這一趨勢在可預見的未來不會改變。在全球范圍節能減排的背景下，碳捕集、利用與封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，即CCUS）技術仍然是快速有效減少CO?排放的關鍵解決方案，可將捕集的CO?運輸利用或以超臨界狀態儲存在深海地質井中。
根據全球CCUS研究院2018年的預測，要想在2060年達到巴黎目標，必須通過CCUS實現14%的累計CO?減排。
聯合國政府間氣候變化專門委員會在《IPCC全球升溫1.5℃特別報告》中指出， 2030年不同路徑CCUS的減排量為1~4億噸/年，2050年減排量為30~68億噸/年。
世界主要國家及地區CCUS地質封存潛力及CO?累計排放量（來源：IPCC）
如上圖所示，我國是世界上CO?排放最多也是應對氣候變化最脆弱的國家之一，因此，2020年9月22日，中國政府在第75屆聯合國大會上鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施， CO?排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”
這是中國對全球氣候治理和落實《巴黎協定》的積極舉措，也為我國應對氣候變化和綠色低碳發展明確了目標與方向，為強化全球氣候行動注入了強大的政治推動力。
產業政策
氣候變化是人類面臨的最嚴峻挑戰，共同應對氣候變化是全人類共同的責任。為積極應對氣候變化，世界主要國家紛紛結合自身發展現狀，提出碳達峰和碳中和（簡稱“雙碳”）戰略目標并制定路線圖?！半p碳”行動有助于推動形成節約資源和保護環境的產業結構、生產方式、生活方式、空間格局，是助推經濟社會綠色轉型和系統性深刻變革的重要途徑。初步統計，截至2020年底，全球已有120多個國家提出了“雙碳”目標。蘇里南和不丹已經實現碳中和，率先進入負排放時代。
發達國家碳中和主要行動對我國有3點啟示：一是積極構建適應我國碳中和目標的政策管理手段和發展方式，包括制定和完善我國碳中和的目標、時間表和路線圖，加快發展循環經濟，健全和完善碳交易市場等；二是分類施策，制定重點領域碳中和行動方案，制定符合國情的能源發展路徑，推進交通領域結構性減排，推動建筑領域電氣化，推進工業領域節能降耗等；三是積極發展氫能、CCUS、生物質等新興技術和產業，助力碳中和目標實現。
應用前景
碳捕集、利用與封存（CCUS）是目前實現化石能源低碳化利用的唯一技術選擇，CCUS是碳中和目標下保持電力系統靈活性的主要技術手段。
CCUS是鋼鐵、水泥等難以減排的行業低碳轉型的可行技術選擇，它與新能源耦合的負排放技術是實現碳中和目標的托底技術保障。
CO2捕集、利用與封存（CCUS）技術
全球碳捕集與封存研究院發布的《全球碳捕集與封存現狀2021》中提到，全球CCUS項目連續四年呈向上趨勢，總捕集能力增長了32%。2021年新增了71個CCUS商業項目，使全球CCUS商業項目增加到了135個，其中27個項目已進入運行，每年捕集能力達4000萬噸。
全球碳捕集封存研究院首席執行官杰拉德·丹尼爾斯（Jarad Daniels）曾預測，到本世紀中葉，CCUS年產能將從4000萬噸增長至數十億噸。預計未來30年，該產業需要6550億美元至1.28萬億美元的投資。
CCUS市場潛力巨大：根據國內外研究結果，碳中和目標下中國CCUS減排需求為2030年0.2~4.08億噸；2050年6~14.5億噸，2060年將達到10~18.2億噸。
2025-2050中國CCUS產值規模預測
CCUS對于我國碳中和使不可或缺的技術，在國家層面或將制定CCUS總體發展規劃，并將CCUS技術作為國家重大科技專項予以支持，搭建系統的政策框架體系，有序推動CCUS在石化、化工、電力、鋼鐵、水泥等行業的應用。
CCUS技術的中國產值規模按保守情形估計2025~2050年平均年增長率為11.87%。
中國CCUS項目分布圖（來源：2021中國CCUS 年度報告）
截止2021年中國約有40個CCUS示范項目處于運行或建設中，捕集能力達到300萬噸/年，以石油、煤化工、電力等行業小規模的捕集驅油示范為主。目前中國已具備大規模實現CO?的捕集、利用及封存的工程能力和經驗。國家能源集團鄂爾多斯項目已開展10萬噸/年規模的碳捕集全流程示范。中石油吉林油田CO?強化石油開采（CO?-EOR）項目是全球在運行21個大型CCUS項目中唯一中國項目，也是亞洲最大的EOR項目，累計已注入CO?超過200萬噸。中石化于2021年啟動建設齊魯石化——勝利油田CCUS項目（國內首個百萬噸級）。
技術介紹
二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）技術是指將CO?從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現CO?永久減排的過程。它不僅實現了化石能源低碳利用，促進鋼鐵、水泥等難減排行業的污染物深度減排，還可在滿足碳約束條件下保持燃煤發電系統的靈活性，保障電力安全穩定供應，是中國實現碳達峰、碳中和目標不可或缺的重要技術，按流程可分為CO?捕集、輸送、利用和封存四大環節。
技術路線
二氧化碳捕集利用及封存技術路線可分為三大過程。首先是從不同的二氧化碳排放源如電廠、水泥廠、鋼鐵生產行業等捕集二氧化碳的過程，隨后氣體經過壓縮后通過管道或交通工具運輸方式對捕集后的二氧化碳進行運輸，最后可將二氧化碳注入到地下如鹽水層、枯竭的油氣田和不可開采的煤層等，以地質封存方式達到減排目的。另一種則是將捕集后的二氧化碳進行工業再利用，如制造建材、生成甲醇、乙醇等產物。
二氧化碳CCUS技術路線示意圖
二氧化碳捕集是指將二氧化碳從工業過程、能源利用或大氣中分離處理的過程，二氧化碳捕集被認為是CCUS技術中的核心部分，也是阻礙CCUS技術可持續發展的重要難點。目前二氧化碳捕集的三大技術路線位燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒技術。
二氧化碳捕集的三大技術路線
燃燒前捕集：在碳基燃料燃燒前，首先將其化學能從碳中轉移出來，然后再和攜帶能量得其他物質進行分離，從而實現碳在燃燒前進行捕集。主要應用于整體煤氣化聯合循環發電系統（IGCC），技術發展比較成熟。整體處于工業示范階段，與國際先進水平同步。
燃燒后捕集：從燃燒設備后的煙氣中捕集或分離二氧化碳，對原有系統繼承程度高，適用于各類改造和新建電廠的二氧化碳減排，技術相對成熟。目前應用潛力最大的是燃燒后化學吸收法，國際上已處于商業化應用階段。
富氧燃燒：利用空分系統制取富氧或純氧氣體，然后將燃料與氧氣一同輸送到專門的純氧燃燒爐進行燃燒，生產煙氣的主要成分是二氧化碳和水蒸氣，煙氣中的二氧化碳質量濃度可達95%以上，目前仍處于研究階段。
富氧燃燒技術排煙損失少，鍋爐效率高，然而制氧設備成本及能耗高是阻礙其工業化應用的關鍵難點。而燃燒前捕集技術理論上成本相比燃燒后捕集技術及富氧燃燒技術分別可降低38%~45%和21%~24%，但由于其對現有電廠改造較大且涉及設備較為復雜，因此改造成本高限制了其商業化道路。而燃燒后捕集技術由于其電廠適配性高，僅需在后端增加CO?捕集裝置，是三種CO?捕集技術中最具有工業化應用前景的技術。
燃燒后捕集技術其原理為經過冷卻處理后的煙氣送入至吸收塔中，通過不同方法如化學吸收法、固體吸附法以及膜吸收法等吸收煙氣中CO?組分。隨后富集CO?的吸收劑富液被送入至高溫解吸塔中解吸CO?，得到高純度CO?再生氣。而解吸后的吸收劑貧液則直接送回吸收塔中繼續吸收CO?，實現CO?吸收——解吸持續循環。
三種CO?捕集技術優缺點對比
CO?分離技術對比
二氧化碳捕集中關鍵技術為CO?分離技術， 根據過程機理，CO?分離技術可分為吸收、吸附、膜分離、低溫分餾等?；瘜W吸收法技術相對成熟、捕集效率高，且不需要對電廠進行大規模的改造，具有較強的適應性和工業應用基礎，因此在諸多技術路線中最具有大規模捕集潛力。當前，化學溶劑吸收法尤其是胺吸收法是最成熟的燃燒后捕集技術。
CO?分離技術對比
CO?吸收劑對比
各種醇胺吸收劑的比較分析表
不同醇胺溶液常壓下對煙氣中二氧化碳的脫除率
CO?吸收與再生工藝
CO?化學吸收與再生工藝流程圖
經過脫硫、脫硝及除塵后的燃煤煙氣經過初步冷卻（40 ?C）和增壓后，從吸收塔底部進入，在塔內與從塔頂噴射的吸收劑逆向接觸，從而使得吸收劑與煙氣中的CO?組分發生反應生成吸收產物（氨基甲酸鹽、碳酸/碳酸氫鹽）。脫除CO?后的煙氣從吸收塔塔頂排出，吸收CO?后的吸收劑富液經由富液泵抽離吸收塔，在貧富液換熱器中與吸收劑貧液進行熱交換后，送入高溫解吸塔進行再生。吸收劑富液中CO?在熱與蒸汽的作用下被釋放，從解吸塔塔頂排出經過冷凝和干燥后進行壓縮，以便后續運輸及封存。解吸CO?后的吸收劑貧液通過貧液泵進入貧富液換熱器換熱，隨后通過貧液冷卻器冷卻后再次送回吸收塔頂部進行吸收，以達到循環脫除CO?目的。
CO?化學吸收塔示意圖
進入吸收裝置的煙氣指標
溫度不宜高于45℃
粉塵含量不宜大于5mg/Nm3
SO?含量不宜大于10mg/Nm3
NOx含量不宜大于50mg/Nm3
二氧化碳吸收與解吸設計要點
吸收劑應選用吸收二氧化碳的能力強、再生性能好、腐蝕性小、不易降解的溶劑。
二氧化碳吸收與解吸系統應保持水平衡
二氧化碳吸收與解吸系統的能量應回收利用
吸收劑應定期再生回用
吸收塔、解吸塔宜采用填料塔，吸收塔的填料高度不易高于20m，解吸塔的填料高度不易高于15m。
吸收塔、解吸塔的設計空塔氣速宜取泛點氣速的50%~70%。
進入吸收塔的貧液溫度宜為40℃~50℃，解吸塔底的溫度宜為100℃~125℃。
吸收塔洗滌系統補充用水應采用脫鹽水。
燃煤電站CO?捕集系統流程圖
爐膛尾部煙氣平均分成3份并送至吸收塔底部。為提高吸收塔捕集CO?效率， 吸收塔入口煙氣溫度要維持在313K-323K之間。同時爐膛尾部煙氣需經過 脫硫、脫硝、除塵等處理，以防止污染 吸收溶劑。
汽輪機中低壓缸抽汽至再沸器。從汽輪 機中低壓缸連接處抽汽是能兼顧發電量和CO?捕集效率的最優選擇，此時汽輪機抽汽為過熱蒸汽狀態，壓力約為4-6bar。同時為防止再沸器工作溫度過高，需要對汽輪機抽汽進行噴水降溫，一般降低至略高于抽汽壓力下的飽和溫度。
針對燃燒后捕集工藝，不同排放源的CO?吸收法捕集技術對比
CO?吸收與再生成本分析
對于二氧化碳捕集環節，在整個CCUS過程中占有較大的能耗比重，其中最主要的能耗來自吸收劑再生塔所需的低壓蒸汽，因此再生能耗的降低才能實現捕集環節成本的下降。
目前，國內已進行的CO?吸收法捕集裝置再生能耗在2.4~3.2GJ/t CO?，國內碳捕集成本在300～500元/t CO?之間。據預測，到2025年捕集成本將至250元/t CO?，再生能耗將至2.0~2.2GJ/t CO?，到2030年捕集成本將至150元/t CO?，再生能耗將至1.8GJ/t CO?。
基于MEA工藝系統的(a)主要設備投資與(b)運行成本占比
我國碳捕集利用與封存技術發展研究
CO?壓縮精制工藝流程
二氧化碳的壓縮液化精制是將吸收再生裝置捕集的二氧化碳氣體轉化成工業液體二氧化碳或食品級液體二氧化碳，并將其存儲的過程。其基本的技術路線示意圖如圖所示，包括二氧化碳的壓縮、吸附、干燥、液化與精餾提純。具有工藝技術與設備成熟可靠、技術安全性高、產品純度高等技術特點。
二氧化碳壓縮精制工藝流程圖
二氧化碳壓縮精制工藝流程如圖所示，來自回流罐的粗二氧化碳氣體經緩沖罐進入二氧化碳壓縮機，壓縮到約2.5MPa并經換熱器冷卻脫除大部分游離水后進入吸附塔，脫除含硫組分和其它雜質，然后進入干燥塔進行深度脫水。脫水后的二氧化碳氣體進入液化器，與在-14℃條件下與制冷劑換熱被液化，之后進入提純塔精餾提純，塔頂排出不凝氣，塔底產出合格的液體二氧化碳產品，液體二氧化碳經產品泵與過冷器后進入儲罐儲存。
CO?壓縮
二氧化碳氣體臨界溫度為31.2℃，臨界壓力為7.38MPa。工業生產中，二氧化碳的壓縮液化有高壓液化法和低溫液化法。
高壓液化法，一般將二氧化碳氣體經壓縮機壓縮到8MPa的較高壓力，然后冷卻到常溫30℃進行液化。 低溫液化法，一般將二氧化碳壓縮工段壓縮機出口壓力控制在2.5MPa，然后將其冷卻到低于-20℃進行液化。
煙氣碳捕集裝置一般采用低溫液化法，壓縮機進入壓力一般在常壓至110kPa，壓縮機出口壓力在2.0MPa至2.5MPa范圍內。
二氧化碳壓縮機的選型，可參照以下原則：
氣量較大時，宜選用離心式壓縮機；
壓比較大、氣量較小時，宜選用往復式壓縮機；
壓比較小、氣量較小時，宜選用螺桿式壓縮機。
二氧化碳壓縮機
CO?吸附精制、干燥脫水
二氧化碳吸附精制主要是脫除含硫組分和其他雜質。二氧化碳吸附精制工藝一般采用雙塔固定床吸附，操作運行時，一臺吸附塔處于運行狀態，另一臺吸附塔處于備用狀態。常用的吸附脫硫劑為活性炭，具有轉化、吸收有機硫和無機硫的雙重作用，特別適用于原料氣中硫含量不高，且要求高精度脫除有機硫和無機硫的生產工藝。
二氧化碳氣體中的少量的游離水和飽和水通常采用物理吸附法去除?！豆I液體二氧化碳》GB/T 6052-2011對液體二氧化碳水分露點要求為-65℃。二氧化碳干燥脫水常用的脫水吸附劑有活性氧化鋁、分子篩、硅膠等吸附劑。分子篩脫水一般用于水露點要求控制較低的場合，其露點深度可達到-90℃。
二氧化碳吸附精制及干燥脫水設備
CO?液化提純
煙氣碳捕集裝置一般采用低溫液化法，液化溫度在-14℃左右，制冷劑介質可以采用氟利昂或液氨，在節能及投資成本方面綜合考慮，優選液氨制冷劑。
液氨制冷機組是為二氧化碳液化提供冷量的關鍵設備，工藝流程圖如圖所示，包括氨制冷壓縮機、氨氣冷凝器、液氨儲罐、液氨蒸發器以及壓縮機潤滑油路所需的部件。氨制冷壓縮機可采用雙級往復式壓縮機或雙級螺桿式壓縮機。
CO?儲運
液體二氧化碳的儲存可以采用立式、臥式或球形儲罐，對于單罐容積小于或等于200m3的小型儲罐采用真空粉末絕熱罐。
液體二氧化碳儲運工藝流程圖如下圖所示，來自產品泵的液體二氧化碳經管道輸送至球罐A或B，球罐A或B內的液體二氧化碳經裝車泵通過裝車鶴管進入運輸罐車，完成二氧化碳的儲存運輸。
液體二氧化碳儲運工藝流程圖
液體二氧化碳生產儲運裝置圖
CO?壓縮精制成本分析
1萬Nm3/h煙氣CO?捕集裝置的壓縮液化精制工段的運行成本分析如下表所示
CO?利用
降低CCUS技術實施成本的關鍵在于找到合適的利用技術。包括提高石油采收率技術（Enhanced oil recovery，EOR，當前主要應用在陸上）、化學利用技術和生物利用技術。目前行業正在衍生新的技術發展趨勢，包括諸如在離岸海上油田中開發EOR項目和利用二氧化碳直接合成淀粉等。在各類利用技術的應用上，EOR具有經濟價值，因而被認為是短期內更可行的方案。然而油價下行壓力可能影響相關需求，預計EOR需求會在2035~2040年達到頂峰，隨后下降?；瘜W利用技術包括在化工生產過程中使用二氧化碳，如有機碳酸鹽、煤化工等，生物利用技術將二氧化碳用于食品和飲料生產。
CO?加氫制甲醇
中國中化5000噸二氧化碳加氫制甲醇中試裝置開車。魯西集團5000噸/年二氧化碳加氫制甲醇中試裝置一次開車成功標志著中國中化戰略性產業化項目（GREAT10）“二氧化碳高效加氫制甲醇”初步達成目標。
二氧化碳加氫制甲醇具有顯著減碳效應，有助于緩解魯西集團發展中面臨的碳減排壓力，鞏固煤化工副產二氧化碳——甲醇——烯烴——新材料/精細化學品低碳產業鏈，提高魯西產業鏈一體化水平，助力中國中化達成“雙碳”減排目標。
甲烷二氧化碳重整制合成氣后制備高附加值化工產品
合成氣（H2/CO）是重要的化工原料，被化學工業譽為“合成工業的基石”。合成氣主要是通過CH4水蒸氣重整的方法制備：CH4+H2O→CO+3H2，而甲烷二氧化碳重整技術則同時消耗兩種溫室氣體（甲烷、二氧化碳），獲得合成工業 前驅物——合成氣，兼具環保性和經濟效益：CH4+CO2→2CO+2H2。而轉化成合成氣后將會有無限可能，如合成甲醇、丁醇、丁醛、甲酸、草酸、二甲醚、乙二醇等各類烴醇醚類高附加值化工產品，可以通過費托合成制得發動機燃料。
二氧化碳捕集——礦化混凝土建材技術
CCUS（碳捕集、利用與封存）技術是實現碳中和的關鍵減排路徑之一，其中二氧化碳礦化混凝土技術被廣泛認為是在發展中國家最有潛力的利用技術路線。其技術原理則是通過將工業排放的二氧化碳與早期水化成型后的混凝土中膠凝成分和其他堿性鈣、鎂組分之間形成礦化反應，在混凝土內部孔隙和界面結構處形成碳酸鹽產物，并通過填充效應、界面過渡區消除效應和產物層效應等實現混凝土的強度和耐久性改善，同時達到碳固定的效果。利用CCUS技術生產的固碳混凝土建材近期在國內香港地區進行使用，這也是首個在中國應用二氧化碳礦化混凝土建材的建筑項目。該款擁有固碳屬性的混凝土將幫助香港有機資源回收中心二期工程（O·PARK2）項目在施工階段大幅降低碳足跡，助力其成為全國首個在施工期內實現碳中和的綠色工程。
再生骨料礦化原理示意圖
國內CCUS項目工程
國內CCUS項目
國內某電廠煙氣二氧化碳捕集示范裝置
國內某知名水泥廠二氧化碳捕集示范裝置
國內某知名水泥廠二氧化碳捕集示范裝置
國內CCUS項目
國內CCUS項目
我國首個百萬噸級CCUS（碳捕集、利用與封存）項目：齊魯石化——勝利油田CCUS項目全面建成
國家能源集團年產15萬噸CCUS示范工程
年產30萬噸煤化工CO?捕集項目在國家重要能源基地——陜西榆林建成投產，此次投產的項目依托煤制甲醇裝置及設施生產的高純度CO?氣體為原料進行捕集，全部用于陜北地區油田驅油和地質封存，將二氧化碳打入地下，將油驅出來。據了解，項目捕集能耗1.36吉焦/噸，成本105元/噸，是國內CO?捕集項目中能耗和成本較低的裝置之一，項目投產后，每年可減排二氧化碳30萬噸，相當于植樹1668萬棵。
國內某CCUS示范工程投運后可實現CO?捕集率大于90%、CO?濃度大于99%、吸收劑再生熱耗低于2.4GJ/tCO2，整體性能指標達到國際領先水平，為我國燃煤電廠大規模碳捕集和巴黎協定框架下國家自主貢獻碳減排目標提供技術支撐。
該工程應用于大規模工業化生產，具有顯著的環境效益和社會效益，可為我國“碳達峰”“碳中和”事業做出重要貢獻。
以上就是我們根據國家實現“雙碳”目標現狀和政策，和大家探討的二氧化碳捕集、利用及封存這項技術的項目背景、技術要點和應用前景。
