碳捕集与封存技术_CCS_成本及政策分析_张建府

作 者 简 介 ： 张 建 府 ， 工 程 师 ，2009 年 获 得 清 华 大 学 热 能 工 程 系 工 学 硕 士 学 位 ， 曾 参 与 国 内 第 一 台 IGCC 电 站 的 技 术 研 发 工 作 。 E-mail ：jf.zhang@
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中外能源 SINO-GLOBAL ENERGY
表 2 CO2 管 道 运 输 计 算 结 果
项目
数值
管 道 长 度/km
35
管 道 进 口 CO2 压 力 /MPa
14.0
管 道 出 口 CO2 压 力 /MPa 管 道 压 降 /(Pa·m-1)
10.7 94.3
管 径/cm
25.4
管道投资成本/美元 运 行 维 护 成 本 /( 美 元·a-1)
IGCC 发 电 技 术 被 认 为 是 目 前 世 界 上 最 清 洁 的 燃 煤 发 电 技 术 ， 其 粉 尘 、SO2、NOx 等 污 染 物 接 近 零 排 放 。 目 前 ，美 、欧 、日 均 已 建 成 IGCC 示 范 电 站 ，并
拟 在 示 范 成 功 之 后 逐 步 推 广 。 IGCC 发 电 技 术 不 仅 具有燃料来源广、 发电效率提升空间大等优点，而 且 可 以 实 现 燃 烧 前 脱 除 CO2， 以 较 低 的 成 本 实 现 CO2 减 排 。 在 未 来 减 排 温 室 气 体 ， 应 对 全 球 气 候 变 化 的 过 程 中 ，IGCC 具 有 广 泛 的 应 用 前 景 。
CO2，aroid=
COEcap-COEref CO2，ref-CO2，cap
(1)
式 中 ：CO2，aroid 为 CO2 减 排 成 本 ， 美 元/tCO2；COEcap、
COEref 分 别 为 捕 集 CO2 的 电 站 和 不 捕 集 CO2 的 参 考
电 站 的 发 电 成 本 ， 美 元/(kW·h)；CO2，ref、CO2，cap 分 别
整 个 碳 捕 集 与 封 存 全 过 程 包 含 IGCC 电 站 碳 捕 集 、CO2 管 道 运 输 及 CO2 强 化 采 油 三 个 部 分 。 根 据 前 文 计 算 结 果 ，CCS 全 过 程 减 排 成 本 见 表 5。 从 计 算 结 果 可 知 ，CCS 全 过 程 碳 减 排 成 本 为 负 值 ， 说 明 在 IGCC 电 站 进 行 碳 捕 集 结 合 强 化 采 油 的 情 景 下 ，
为 不 捕 集 CO2 的 参 考 电 站 和 捕 集 CO2 的 电 站 每 发
1kW·h 电 所 排 放 的 CO2 量 ，tCO2/(kW·h)。
2.2 管道运输成本
在 考 虑 CO2 运 输 与 埋 存 时 ， 假 设 CO2 来 源 于 天 津 滨 海 的 IGCC 电 站 ，通 过 管 道 运 输 至 距 离 约 35km
炭 消 费 总 量 的 一 半 以 上 ， 已 成 为 国 内 CO2 排 放 的 重 要 来 源 。 整 体 煤 气 化 联 合 循 环 (IGCC) 发 电 技 术 不 仅 具 有 燃 料 来 源 广 、 发 电 效 率 提 升 空 间 大 等 优 点 ， 而 且 能 以 较 低 的 成 本 实 现 CO2 减 排 。 以 IGCC 碳 捕 集 结 合 强 化 采 油 为 例 ， 分 析 碳 捕 集 与 封 存 (CCS) 全 过 程 CO2 减 排 成 本 。 结 果 表 明 ， 在 IGCC 电 站 进 行 碳 捕 集 结 合 强 化 采 油 的 情 景 下 ， 捕 集 CO2 的 IGCC 系 统 的 发 电 成 本 低 于 不 捕 集 CO2 的 IGCC 电 站 的 发 电 成 本 。 CO2 减 排 成 本 主 要 受 井 口 油 价 及 CO2 利 用 率 影 响 ， 当 井 口 油 价 超 过 14.642 美 元 /bbl 时 ，CO2 减 排 成 本 为 负 值 。 CCS 的 发 展 将 经 历 示 范 、 扩 大 规 模 和 商 业 化 三 个 阶 段 ， 针 对 不 同的发展阶段，政府应分别采取相应的政策措施。 在示范阶段，应加强对相关技术研究的支持，提供财政补贴；在扩 大 规 模 阶 段 ， 应 重 点 采 取 财 政 补 贴 措 施 ， 并 配 以 CCS 发 电 配 额 标 准 和 CCS 电 力 贸 易 体 系 ； 在 商 业 化 阶 段 ， 政 府 已 无 需 继 续 提 供 财 政 补 贴 ， 而 CCS 发 电 配 额 标 准 和 认 证 贸 易 体 系 仍 将 是 一 个 有 效 的 方 法 。
在 本 文 的 案 例 分 析 中 ，IGCC 电 站 设 计 输 出 功 率 为 400MW 级 ，整 个 系 统 主 要 包 括 空 分 单 元 、气 化 单元、净化单元及动力单元，所选用设备均基于现 有技术，气化炉选用水煤浆气化技术，燃气轮机选 用 F 级燃机，粗煤气净化采用湿法净化工艺，空分 系统选用独立的低压空分系统。 在进行经济性估算 时 ，假 设 电 厂 建 设 周 期 为 3 年 ， 从 2007 年 1 月 开 始
表 3 CO2 混 相 驱 油 主 要 参 数
项目 CO2 净 注 入 量 /(t·d-1) CO2 利 用 效 率 /(tCO2·bbl-1) 增 产 原 油 总 量 /(bbl·d-1) 采 油 井 增 产 原 油 量 /(bbl·d-1)
采油井数 注入井数 油藏深度/m
数值 7766.28
0.45 17258
本 文 以 从 IGCC 电 站 捕 集 CO2， 并 通 过 管 道 运 输 至 油 田 用 于 强 化 采 油 为 例 ， 分 析 得 出 IGCC 电 站 进 行 碳 捕 集 与 封 存(CCS)的 CO2 减 排 成 本 ，提 出 CCS 在中国推广应用的相关政策建议。 2 案例分析 2.1 IGCC 电 站 CO2 减 排 成 本
表 1 捕 集 CO2 前 后 IGCC 电 站 经 济 性 比 较
项目
IGCC电 站 IGCC碳 捕 集 电 站
系 统 总 功 率/MW
452.570
457.296
系 统 净 功 率/MW
396.091
348.009
系 统 净 效 率 ，%
40.639
33.357
年 均 利 用 率 ，%
80
80
CO2 捕 集 量 /(t·d-1) 碳 捕 集 率 ，%
的大港油田用于强化采油，在增产原油的同时实现
CO2 的 部 分 埋 存 。 CO2 管 道 运 输 费 用 主 要 包 括 管 道 工 程 投 资 及 运
行维护费用，由于运输距离较短，无需设置中间增
压 站 。 当 IGCC 电 站 碳 捕 集 率 为 90%时 ，CO2 捕 集 量 为 7766.28t/d，管 道 年 均 利 用 率 取 80%，则 CO2 年 运 输 量 为 2.27Mt。 管 道 运 输 成 本 计 算 结 果 见 表 2[3~5]。
第3期
中外能源 SINO-GLOBAL ENERGY
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碳捕集与封存技术(CCS)成本及政策分析
张建府
( 中 国 华 能 集 团 绿 色 煤 电 有 限 公 司 ， 北 京 100098)
摘 要 当 前 ， 减 排 CO2 的 呼 声 日 益 高 涨 。 在 未 来 相 当 长 的 时 间 内 ， 我 国 一 次 能 源 仍 将 以 煤 为 主 ， 而 用 于 发 电 的 煤 炭 量 占 到 煤
关 键 词 CO2 减 排 碳 捕 集 与 封 存 强 化 采 油 发 电 成 本 政 策 措 施
1 前言 当 前 ， 减 排 CO2 的 呼 声 日 益 高 涨 ， 其 主 要 排 放
源 是 化 石 燃 料 的 使 用 。 根 据 国 际 能 源 署 (IEA) 的 统 计 ，2008 年 世 界 能 源 需 求 中 ， 化 石 能 源 占 到 约 80% 的 比 例[1]。 由 于 煤 炭 利 用 的 成 本 比 石 油 、 天 然 气 低 很多，且从全球能源储量分布情况来看煤炭资源较 为丰富，因此，可以肯定未来一段时期内煤炭利用 总量仍将持续增长。 特别是像中国、印度等国家煤 炭比例占绝对优势，经济的快速增长及对能源安全 的考虑都将促进对煤炭的利用。 在未来相当长的时 间内，我国的一次能源仍将以煤为主。
近年来，国内用于发电的煤炭量占到煤炭消耗 总 量 的 一 半 以 上 。 燃 煤 发 电 企 业 作 为 CO2 排 放 的 重 要来源之一，面临的环保压力逐年增大。 在这种形 势下，国内相关企业、研究机构积极致力于燃煤发 电 领 域 各 种 CO2 减 排 技 术 的 研 究 ，包 括 燃 烧 前 碳 捕 集、燃烧后碳捕集及纯氧燃烧等。其中，燃烧前碳捕 集技术在电力行业中主要应用于整体煤气化联合 循 环(IGCC)发 电 厂 。
70.814
CO2 减 排 成 本 ①/( 美 元·t-1)
20.733
注 ：①CO2 减 排 成 本 仅 为 电 站 捕 集 部 分 ， 未 考 虑 埋 存 部 分 。
表 1 中 ，CO2 减 排 成 本 是 体 现 减 排 CO2 经 济 性 的 重 要 指 标 。 其 意 义 为 ，捕 集 CO2 的 电 站 相 对 于 参 考 电 站 使 排 放 到 大 气 中 的 CO2 减 少 1t 所 增 加 的 成 本，计算式如下：
2011年 第 16 卷
建 设 ，2010 年 1 月 投 产 ， 电 厂 寿 命 及 折 旧 年 限 均 假 设 为 25 年 ，电 厂 年 均 利 用 率 取 80%，资 金 投 资 年 回 报 率 取 12%。 在 此 基 础 上 ，选 用 化 工 过 程 通 用 建 模 软 件 Aspen Plus 对 IGCC 电 站 系 统 进 行 流 程 模 拟 计算，然后根据计算所得的物质及能量数据，对减 排 CO2 的 IGCC 系 统 经 济 性 能 进 行 估 算 ， 结 果 见 表 1(详细模拟计算过程参见文献[2])。