碳捕集、利用与封存技术课件.pptx
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《碳捕集、利用与封存技术课件.pptx》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 碳捕集 利用 封存 技术 课件
- 资源描述:
-
1、13.1 概述概述13.2碳捕集、利用与封存技术的基本碳捕集、利用与封存技术的基本原理与开发应用原理与开发应用13.3 碳捕集、利用与封存技术的发展碳捕集、利用与封存技术的发展现状与前景现状与前景复习思考题复习思考题碳捕集、利用与封存碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization andstorage,CCUS)技术:技术:将将 CO2 从电厂等工业或其他排放源分离从电厂等工业或其他排放源分离,经捕集、压缩并运输到特定地经捕集、压缩并运输到特定地点加以利用或注入储点加以利用或注入储 层封存以实现被捕集的层封存以实现被捕集的CO2与与大气长期分离的技大气长期分离的技术
2、。术。CCUS技术一般包括技术一般包括CO2 捕集捕集、运运 输输、利用利用和和封存封存,其中其中CO2的的利用主利用主要是在封存的同时实现利用要是在封存的同时实现利用 (如用于驱油、驱煤层气如用于驱油、驱煤层气 等等)。CO2的的资源资源化利用化利用,可以创造一定的经济效益可以创造一定的经济效益,减少减少CCUS技术的综合成本。技术的综合成本。 13.1 概述概述13.1.1碳捕集、利用与封存技术的概念与意义 一、碳捕集、利用与封存技术的概念 13.1 概述概述13.1.1碳捕集、利用与封存技术的概念与意义 一、碳捕集、利用与封存技术的概念 从电力生产、工业生产和燃料处理过程中分离、收集CO
3、2,并净化和压缩。目前,常 用的CO2 捕集方式主要有燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集,其中以燃烧后捕集方 式应用最广、技术上最为成熟。 将收集到的CO2 通过罐车、管道或船舶等方式运输到封存地。通过管道运输压缩CO2 是当前采用的主要方法,在海运便利的地方,液态CO2 也可以通过船舶输送,而且是一种 更经济的输送方案。 碳封存是指将CO2 长期封存于生物圈、地下构造或海洋中,以减少CO2 在空气中的含 量。地质封存是应用最广泛的碳封存技术,适于CO2 地质封存的结构一般包括海底盐沼池、 衰竭油气藏、煤层和咸水层等地质体。此外,还可以通过化学反应将CO2 转化成无机矿物 性碳酸盐从而达到几
4、乎永久性的储存,这方面的技术仍处于研究阶段,其经济可行性和减排 效率存在很大的不确定性在封存的同时实现CO2 的利用,可以创造一定的经济利益,降低CCUS技术的总体成 本。这方面应用比较多的是将CO2 注入衰竭的油藏,提高原油采收率 ( enhanced oil recovery,EOR),或者将CO2 注入渗透率较低的煤层,达到增采煤层气 ( enhanced coal bed methane,ECBM)的目的。另外,CO2 在食品、化工、生物和建材等领域也得到了较为广 泛的应用捕集阶段运输阶段封存阶段 CO2 的利用 13.1 概述概述13.1.1碳捕集、利用与封存技术的概念与意义 二、发
5、展碳捕集、利用与封存技术的意义 2016年,国际能源署提出解决全球气候变化的主要手段是发展清洁能源 (包括可再生 能源和核能)、提高能效 (包括最终使用燃料和电力效率以及最终使用燃料转换)和CCUS 技术。政府间气候变化专门委员会也指出,如果没有CCUS,绝大多数气候模式都不能实现 缓解气候变化的目标;重要的是,如果不采用CCUS技术,在2050年前实现大气中温室气 体浓度控制在0 .045% CO2 当量的成本会增加138%。据全球碳捕集与封存研究院的统计, 2018年年底,全球共有37个大型CCUS项目,其中有22个项目处于运行或建设阶段,综 合捕集CO2 的能力约为3700万t /a。因
6、此,CCUS技术是一种减少温室气体排放和利用温 室气体的技术,是解决全球气候变化的重要手段之一,其发展及广泛应用对建立清洁低碳的 能源体系,倡导绿色低碳的生活方式以及推动国家可持续发展,实现绿色发展进程都有积极 的意义。我国在提高能效和发展清洁能源方面已经位居世界前列,政府在调整产业结构、优化能 源供给、提高节能效率、控制非能源活动温室气体排放、增加碳汇等方面采取了一系列行 动,取得了一定的积极成效,如2017年碳强度比2005年下降约46%,已经提前完成了到 2020年碳强度下降40%45%的目标。CCUS技术作为重要的减排技术,是我国践行低碳 发展战略的重要技术选择,对实现绿色发展至关重要
7、。截至2017年年底,全国已建成或运 营的万吨级以上CCUS示范项目13个,大规模全流程的集成项目有14个正在部署中。 1.1 随机现象与随机试验随机现象与随机试验1.2 随机事件随机事件1.3 概率及其性质概率及其性质1.4 条件概率条件概率1.5 事件的独立性事件的独立性1.6 应用实例应用实例l随机现象随机现象l确定性现象l非确定性现象随机现象l统计规律性统计规律性l随机试验随机试验 E1:投掷一枚均匀骰子,观测出现的点数:投掷一枚均匀骰子,观测出现的点数(即朝上那一面的点即朝上那一面的点数数). E2:在一批产品中,任取一件,检测它是正品,还是次品:在一批产品中,任取一件,检测它是正品
8、,还是次品. E3:投掷两枚质地均匀的硬币,观测正面和反面出现的次数:投掷两枚质地均匀的硬币,观测正面和反面出现的次数. E4:记录某网站一天的点击量:记录某网站一天的点击量. E5:从一批灯泡中,任取一只,测试其寿命:从一批灯泡中,任取一只,测试其寿命. l可重复性可重复性l明确性明确性l随机性随机性l样本空间样本空间: 样本点:样本点:l必然事件必然事件:l不可能事件不可能事件:事件的关系事件的关系l子事件子事件:事件:事件A发生必然导致事件发生必然导致事件B发生,称事件发生,称事件A是事是事件件B的子事件的子事件l和和事件事件:事件:事件A与与事件事件B中至少有中至少有一个发生一个发生,
9、称为事件,称为事件A与事件与事件B的和事件的和事件l积积事件事件:事件:事件A与与事件事件B同时发生同时发生,称为事件,称为事件A与事件与事件B的积事件的积事件 或或ABABABAB事件的关系及运算事件的关系及运算l差差事件事件:事件:事件A发生发生而而事件事件B不发生,称为事件不发生,称为事件A关于事件关于事件B的差事件的差事件l互不相容互不相容事件事件:事件:事件A与与事件事件B不能同时不能同时发生发生,称事件称事件A与事件与事件B互不相容互不相容l对立对立事件事件:事件:事件A不发生不发生,称为,称为A的对立事件的对立事件ABABAB A事件的运算事件的运算l交换律交换律l结合律结合律l
10、分配律分配律l对偶律对偶律l吸收律吸收律ABBAABBA()()ABCABC()()ABCABC()()()ABCACBC()()()ABCACBCABABABAB,ABABB ABA古典概型古典概型定义:设E 是一个随机试验,若它满足以下两个条件:(1)仅有有限多个基本事件;(2)每个基本事件发生的可能性相等。这类随机试验的数学模型称为古典概型古典概型。定义:设试验定义:设试验E为古典概型试验,为古典概型试验,Ai,i=1,2,n是基本事件是基本事件,则由则由样本空间的样本点总数样本空间的样本点总数所含样本点的数目所含样本点的数目基本事件总数基本事件总数所含的基本事件个数所含的基本事件个数A
11、AAP )(所确定的概率称为事件所确定的概率称为事件A的的古典概率古典概率。注:在古典概率的计算中常用到排列组合的知识,如乘法注:在古典概率的计算中常用到排列组合的知识,如乘法原理、加法原理等等。原理、加法原理等等。几何概型几何概型定义:设E是一个随机试验,若它满足以下两个条件:(1)如果一个随机现象的样本空间充满某个几何区域,其度量(长度、面积、体积等)大小可以用S表示;(2)任意样本点落在度量相同的子区域内是等可能的。这类随机试验的数学模型称为几何概型几何概型。13.1 概述概述13.1.2碳捕集、利用与封存技术的特点和应用 一、CCUS技术的特点 在技术成熟的前提下,CCUS技术有可能实
12、现近零排放,这是全球气候解决方案的重要 组成部分。CCUS技术在促进煤清洁利用方面具有重要作用,有可能对油气、燃煤发电、煤 化工等行业的优化发展起明显的推进作用,对世界能源供给也具有战略意义。13.1 概述概述13.1.2碳捕集、利用与封存技术的特点和应用 二、CCUS技术的应用表13-2总结了CCUS技术的应用领域,主要包括物理应用、化工应用和生物应用等。其中,物理应用主要包括:在啤酒、碳酸饮料中的应用;石油三采的驱油剂;焊接工艺中的惰性气体保护焊;将液体、固体CO2的冷量用于食品蔬菜的冷藏、储运;在果蔬的自然降氧、气调保鲜剂,以及用于超临界CO2萃取等行业中。化工应用主要包括:无机和有机精
13、细化学品、高分子材料等的研究应用上。如以CO2为原料合成尿素、生产轻质纳米级超细活性碳酸盐;CO2催化加氢制取甲醇;以CO2为原料生产系列有机原料;CO2与环氧化物共聚生产的高聚物;通过CO2转化为CO,从而合成一系列羟基化碳等化学品。生物应用主要以微藻固定CO2转化为生物燃料和化学品,生物肥料、食品和饲料添加剂等。目前,我国在CCUS全流程的各种技术路线上都开展了示范工程,新建规模也在不断扩大。根据麦肯锡的估算,在经过初期的示范阶段之后,CCUS产能规模每翻一番,成本将有望下降1020%。13.2碳捕集、利用与封存技术的基本原理与开发应用碳捕集、利用与封存技术的基本原理与开发应用13.2.1
14、碳捕集技术目前,碳捕集技术主要有3种类型:燃烧前捕集(pre-combustion capture)、富氧燃烧捕集(oxy-fuel combustion capture)和燃烧后捕集(post-combustion capture),其技术路线的典型工艺如图13-1所示。此外,一些新型的捕集技术,如化学链燃烧捕集技术、电化学泵、CO2水合工艺和光催化工艺分离烟气CO2技术等也逐渐受到研究者们的关注和重视。碳捕集技术的选择主要取决于燃料的类型、燃烧方式、燃烧的温度、气体中CO2浓度和分压以及现有技术和成本等。13.2.1碳捕集技术一、燃烧前捕集技术在燃烧前去除燃料中的碳元素,那么就需要将燃料中
15、的碳转化为易分离的物质。以燃煤火电厂为例,如图13-2所示,煤与水蒸汽或者O2在高温高压下发生部分氧化反应,产生一定量的CO和H2,即得到所谓的“合成气”。合成气经过颗粒去除纯化以后,合成气中的CO与水蒸汽发生反应生成CO2,然后经过吸收法、吸附法等技术去除CO2,例如已得到广泛工业应用的Seloxol法,然后得到几乎纯净的H2燃料气。尽管燃料气化相对于传统的直接燃烧的步骤较为复杂且成本较高,但是在CO2的分离过程中,在高压、且CO2浓度较高的分离条件下,分离更为简单且成本较低。与燃烧后捕集CO2是通过CO2与吸收剂发生化学反应不同的是,燃烧前捕集CO2更适合的方法是CO2在高压、高浓度条件下
16、发生物理吸收吸附,然后降压进行解吸。但是燃烧前捕集的能耗较大,特别是燃料气气化重组转换和CO2与H2混合气变压分离CO2的过程,最初的燃料转化步骤较为复杂,与燃烧后系统相比成本较高。但由变换反应器产生的高浓度CO2(在烘干条件下一般占体积的1560%),以及在这些应用中的高压条件,则更有利于CO2的分离。13.2.1碳捕集技术一、燃烧前捕集技术燃烧前系统可以在采用整体煤气化联合循环(Integrated gasification combined cycle, IGCC)技术的电厂中使用。IGCC技术是20世纪70年代西方国家在石油危机时期开始研究和发展的一种技术,是把煤气化和燃气蒸汽联合循环
17、发电系统有机集成的一种洁净煤发电技术。系统主要由两大部分组成,即煤的气化与净化部分和燃气蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备。第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。IGCC系统流程示意如图13-3所示。IGCC的工艺过程如下:煤制备后经气化成为中低热值煤气,经过净化,除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物,变为清洁的气体燃料;然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧,加热气体工质以驱动燃气轮机做功;燃气轮机排气进入余热锅炉,加热给水,产生过热蒸汽,驱动蒸汽轮机做功。13.2.1碳捕集技术二、富氧燃烧捕集技术如图13-4所示,富氧燃烧技术是指
18、在燃烧过程中通入不含N2的纯氧,燃烧后的烟气CO2体积浓度可达85%以上,便于后续的封存。富氧燃烧捕集具有非常大的发展前景,由于燃烧过程中没有N2的参加,其燃烧温度更高,且只产生微量的NOx,因而整个碳捕集过程其能耗较低。但是富氧燃烧捕集整个核心是制氧过程,常采用低温分离和膜分离技术,制氧过程费用很高。由于富氧燃烧过程温度较高,因而涉及燃烧器的材料耐受力和燃烧器的结构设计和改造。综合考虑制氧成本和燃烧器结构这两方面问题,该过程目前主要限制于实验室和中试研究。美国阿贡国家实验室正在研究改造富氧燃烧器,使得燃烧器能够同时将CO2的传输利用以及保存集于一体。13.2.1碳捕集技术三、燃烧后捕集技术火
19、电厂的CO2燃烧后捕集在特定的经济条件下是可行的,且已有工业化应用。如图13-5所示,传统的火力发电厂通过煤与空气混合燃烧产生热和电,在燃烧过程中会产生SO2、NOx和颗粒物等污染物,由于CO2的捕集过程需要保持混合气体的相对洁净度,因而一般捕集的过程是在除尘、脱硫、脱硝以后。燃烧后捕集技术的分支较多,主要分为吸收法、吸附法、膜分离法、低温蒸馏法等,目前应用得最广泛且高效的CO2捕集方法是醇胺吸收法。醇胺法能够捕集8595%的CO2,吸收了CO2的溶剂再进行升温解吸,可得到高浓度的CO2气体进行运输封存。13.2.1碳捕集技术四、化学链燃烧技术近年来,化学链燃烧技术(chemical loop
20、ing combustion, CLC)逐渐发展起来。CLC技术改变了传统的燃烧方式,可通过煤的间接燃烧,得到高浓度的CO2尾气,这将便于CO2的回收利用。CLC的基本原理是将传统的燃料与空气直接接触反应的燃烧借助于载氧剂的作用分解为两个气固反应,燃料与空气无需接触,由载氧剂将空气中的氧传递到燃料中。反应方程式如下:燃料侧反应为:燃料+MO(金属氧化物)CO2+H2O+M(金属)空气侧反应为:M(金属)+O2(空气)MO(金属氧化物)13.2.1碳捕集技术四、化学链燃烧技术CLC系统由氧化炉、还原炉和载氧剂组成。其中,载氧剂由金属氧化物与载体组成,金属氧化物是真正参与反应传递氧的物质,而载体是
21、用来承载金属氧化物并提高化学反应特性的物质。燃料从固体金属氧化物MO获取氧,无需与空气直接接触,燃料侧的生成物为高浓度的CO2、水蒸气和固体金属M;空气侧是前一个反应中生成的固体金属M与空气中的氧反应,重新生成固体金属氧化物MO。金属氧化物MO与金属M在两个反应之间循环使用,起到传递氧的作用。整个过程中不会产生NOx,采用物理冷凝法即可分离回收CO2,可以节省大量能耗。这种新的能量释放方法是解决CO2、NOx环境污染的一个重大突破,其动力系统如图13-6所示。热力学计算和分析表明,还原反应和氧化反应的反应热总和等于总反应放出的燃烧热,也即传统燃烧中放出的热量,但由于CLC系统降低了传统燃烧的损
22、失,提供了提高能源利用率的可能性;同时,由于燃料与空气不直接接触,整个过程中不会产生NOx,在还原反应器内生成的CO2和水不会被过量的空气和N2稀释,分离回收CO2只需将水蒸气冷凝、去除,无需消耗能量和CO2分离装置。尽管CLC的优点已引起了许多国内外学者的兴趣,但该技术目前仍处于研究发展阶段,其有效利用还有待于进一步开发。13.2.2碳运输技术CO2可以以气体的形式在管道中运输,也可以以液体的形式在管道、船舶和罐车(包括公路罐车和铁路罐车)中运输。表13-3简要列出了各种运输方式的优缺点及其适用场合。13.2.2碳运输技术采用罐车对CO2进行运输的技术已经成熟,罐车运输主要有卡车运输(公路罐
23、车运输)和火车运输(铁路罐车运输)两种方式。公路罐车运输规模有250 t不等,运输方式较为灵活,适应性强,但运输过程中存在CO2的蒸发问题,依据车内储藏时间的不同,该蒸发量可以高达10%。铁路罐车适用于较大容量、长距离的CO2输送。但是铁路输送除了需要考虑现有的铁路条件外,还需要考虑CO2的罐装、卸除和临时储存等基础设施的条件,如果这些条件不具备,其运输成本同样会很高。罐车运输目前已经广泛应用在食品级CO2的运输方面,由于食品级CO2的运输量很小,采用其他的运输方式容易“大材小用”。目前已有小型的CO2运输船舶,但还没有大型的适合CO2运输的船舶。不过在石油工业中,液化石油气(liquid p
24、etroleum gas, LPG)和液化天然气(liquid natural gas, LNG)的船舶运输已经商业化,未来可以考虑利用已有的LPG油轮来进行CO2的运输。和罐车运输一样,采用船舶运输的时候也必须考虑CO2的蒸发与泄漏;在长距离运输时,这种蒸发和泄漏可能很严重,因而需要对泄露的CO2进行回收。相对于管道运输而言,轮船具有运输方向灵活和运输距离远等优点。因此,未来海上油田EOR或者在海底地质层封存CO2时,船舶运输将是一种较有竞争力的选择。一、罐车和船舶运输13.2.2碳运输技术(1)管道运输的原理CO2具有其独特的物理性质,这也决定了CO2的管道运输方式与其他气体不同。图13-
25、7为CO2的三相图。在常温常压下,CO2呈气态,密度小,黏度大,不利于管道运输。和其他气体的管道运输一样,CO2需以压缩态来运输。从图13-7可以看出CO2的临界温度和压强分别为31.1C和7.38 MPa,运输过程中只要温度和压强同时保持在临界点以上,CO2就会处于超临界状态,避免运输过程中气液两相流的产生。超临界状态的CO2基本上仍是一种气态,但又不同于气态,其密度比一般气态CO2要大两个数量级,与液体相似(如当压力高于临界压力、温度低于20C时,CO2的密度范围为8001200 kg/m3,相当于密度为1000 kg/m3的水的密度)。在扩散力和黏度上,它却更接近于气态CO2。由于超临界
展开阅读全文