中国钢铁行业碳捕集，利用与封存中国钢铁厂碳捕集封存预留研究来源：www.wsj.com中国钢铁行业碳捕集，利用与封存中国钢铁厂碳捕集封存预留研究2018年11月任利华，贾智刚，刘牧心，王莉，陈晓露中英（广东）CCUS中心，中国梁希，MUSLEMANIHasan，ASCUIFrancisco，江梦菲，林千果爱丁堡大学商学院，英国GIBBINSJon英国碳捕集与封存研究中心&谢菲尔德大学，英国I目录免责声明.......................................................................................................................III致谢...............................................................................................................................IV缩略词............................................................................................................................V1.执行摘要................................................................................................................12.绪论........................................................................................................................33.“碳捕集预留”概念的演变....................................................................................54.钢铁厂碳捕集和封存预留（CCS-ready）技术和设计要求...............................74.1.选址考虑.........................................................................................................74.2.不同烟气的碳捕集技术选择.........................................................................84.3.捕集预留装置的基本要求...........................................................................105.50万吨CO2捕集规模的假设碳捕集预留项目案例研究.................................155.1.技术假设和研究方法...................................................................................155.2.捕集预留研究的假设...................................................................................165.3.模拟结果.......................................................................................................205.4.CO2捕集、压缩概念设计............................................................................245.5.钢铁厂设计中的捕集预留要求...................................................................306.结论......................................................................................................................36参考文献......................................................................................................................38II图图1.钢铁行业负减排技术边际减排成本曲线...........................................................3图2.中国大型钢铁厂和潜在封存地位置分布...........................................................8图3.钢铁厂典型CO2排放源.......................................................................................9图4.捕集预留假设案例的研究方法........................................................................16图5.典型胺基吸收法工艺流程图.............................................................................18图6.典型胺基吸收工艺的假设设计条件.................................................................19图7.二氧化碳捕集、压缩装置及公用工程设施初步布置.....................................26图8.余热在CCS中的综合利用.................................................................................28表表1.中国大型钢铁厂附近的潜在EOR封存地..........................................................7表2.不同CO2排放源的捕集技术选项.....................................................................11表3.典型的气体入口条件.........................................................................................17表4.典型热风炉入口烟气条件和CO2捕集能力假设.............................................17表5.主要工艺物流的模拟结果.................................................................................22表6.塔计算准则.........................................................................................................23表7.吸收塔参数..........................................................................................................23表8.解吸塔参数........................................................................................................23表9.换热器的模拟输出参数.....................................................................................24表10.二氧化碳捕获初步设备清单...........................................................................24表11.二氧化碳压缩初步设备清单...........................................................................25表12.公用工程消耗...................................................................................................26表13.钢铁工业副产品气体.......................................................................................27表14.中国钢铁工业不同品质余热回收利用...........................................................28表15.压缩机和汽轮机特性计算...............................................................................29表16.汽轮机规格.......................................................................................................29III免责声明除另有声明外，本刊物版权归爱丁堡大学商学院和中英（广东）CCUS中心所有。除法律允许的任何用途外，本出版物的任何部分未经双方书面许可不得转载。其他事宜可咨询ccus@business-school.ed.ac.uk中英（广东）CCUS中心和爱丁堡大学商学院（UniversityofEdinburghBusinessSchool）参与本报告的研究人员尽量使本报告中出现的的信息精准。但是，他们不能保证本报告中的信息完全可靠、准确或完整。因此，在进行投资或商业决策时，不应完全依赖本出版物中的信息。爱丁堡大学商学院（UniversityofEdinburghBusinessSchool）不对本出版物中提到的任何外部或第三方互联网网站关于本报告链接的持久性或准确性负责，也不保证这些网站上的任何内容是准确或合适的。爱丁堡大学商学院（UniversityofEdinburghBusinessSchool）及其员工和顾问在允许的最大范围内，对于使用或依赖本出版物中的信息，包括根据本出版物提供的信息做出的任何商业或投资决定，不承担任何责任（包括过失）。IV致谢我们感谢必和必拓工业二氧化碳捕集项目的资助，特别感谢GrahamWinkelman先生和欧阳军先生的大力支持。感谢来自世界钢铁协会的AndrewPurvis先生，英国碳捕集与封存研究中心（UKCSCRC）BruceAdderley先生，和来自IEA清洁煤中心的TobyLockwood先生提出的前期建议和提供的宝贵信息和意见。PhilipCurry先生对这份报告进行了校对，在此一并表示感谢。引用格式Ren,L.,Jia,Z.,Liang,X.,Liu,M.,Muslemani,H.,Ascui,F.,Lin,Q.,Jiang,M.,Gibbins,J.,Wang,L.,andChen,X.(2018).ConsiderationsforMakingSteelPlantsCCS-ReadyinChina.WorkingPaper4.9fortheBHPIndustrialCCSProject‘UnlockingthePotentialofCCUSforSteelProductioninChina’.NorthChinaElectricPowerUniversity,UK-China(Guangdong)CCUSCentreandTheUniversityofEdinburgh,Edinburgh.V缩略词ADBAsianDevelopmentBank亚洲开发银行ASPENPlusAdvancedSystemforProcessEngineering过程工程的先进系统BF-BOFBlastFurnace–BasicOxygenFurnace高炉-碱性氧气炉BFGBlastFurnaceGas高炉煤气BoPBalanceofPlant公用辅助设施CAPEXCapitalExpenditure资本支出CAPPCCOChineseAdvancePowerPlantCarbonCaptureOption中国先进电厂碳捕集选项CCRCarbonCaptureReadiness碳捕集预留CCSCarbonCaptureandStorage碳捕集和封存CCSRCarbonCaptureandStorageReadiness碳捕集和封存预留CCUSCarbonCaptureUtilisationandStorage碳捕集、利用和封存COCarbonMonoxide一氧化碳CO2CarbonDioxide二氧化碳CO2eCarbonDioxideEquivalent二氧化碳当量COGCokeOvenGas焦炉煤气DCSDistributedControlSystem分布式控制系统DECCDepartmentofEnergyandClimateChange英国能源与气候变化部;DRIDirectReducedIron直接还原铁EAFElectricArcFurnace电弧炉EOREnhancedOilRecovery提高石油采收率FEEDFront-EndEngineeringDesign前端工程设计FGDFlueGasDesulphurisation烟气脱硫GCCSIGlobalCCSInstitute全球碳捕集与封存研究院GDCCUSCUK-China(Guangdong)CCUSCentre中英（广东）CCUS中心GISGeographicInformationSystem地理信息系统HAZOPHazardandOperabilityStudy危险及可操作性分析HMBHeat&MassBalance热量和物料平衡IDInduced-draft引风机IGCCIntegratedGasificationCombinedCycle整体煤气化联合循环发电系统LPLowPressure低压VILDGLinz-DonawitzGas转炉煤气MACMarginalAbatementCost边际减排成本MCCMotorControlCentre电机控制中心MEAMonoethanolamine单乙醇胺MDEAN-MethyldiethanolamineN-甲基二乙醇胺MVRMechanicalVaporRecompression蒸汽机械再压缩NOxNitrogenOxides氮氧化物NRDCNationalResourcesDefenseCouncil自然资源保护协会OPEXOperationalExpenditure运行成本PSAPressureSwingAdsorption变压吸附R&DResearch&Development研发SOxSulphurOxides硫氧化物UKCCSRCUKCCSResearchCentre英国碳捕集与封存研究中心ULCOSUltra-LowCO2SteelMaking超低二氧化碳炼钢工艺研究项目WHBWasteHeatBoiler余热锅炉WWTWasteWaterTreatment废水处理中国钢铁厂碳捕集封存预留研究11.执行摘要•钢铁行业是二氧化碳排放的最大工业来源之一，占全球工业温室气体直接排放总量的约28%。自2012年以来，中国钢铁产量已占全球钢铁总产量的大约一半，因此探索中国钢铁行业碳减排的未来之路至关重要。其中一个重要的减排技术选项即为碳捕集和封存（CCS）。•“CCS预留（CCSR）”或“CO2捕集预留（CCR）”是一个设计概念，需要预先进行少量前期投入，使其具备能在未来进行CCS改造的潜力。如此，捕集预留能够规避钢铁行业的“碳锁定效应”（注：指钢铁厂无法为后期的碳捕集技术改造提供足够的支持条件，从而陷入被动困境）。本报告概述了相关的关键技术和设计要求，确保钢铁厂做到捕集准备就绪。•本报告通过研究一个假设的案例，为一个年捕集50万吨CO2规模的项目开发CCR概念设计。研究假定使用通用的非专利胺吸收剂（30wt％MEA），以90％的捕集效率从钢铁厂热风炉尾气中捕集二氧化碳，并以此作为基准案例进行碳捕集预留的研究。•CCR总体要求包括但不限于：1）钢铁厂地理位置选择：在捕集装置建成后，捕集的CO2需要被输送出去用于地质封存和/或提高石油采收率，因此，要确保其位置靠近封存地，并消除健康和安全方面的隐患；2）捕集技术选择：钢铁厂CCR不应局限于单一的技术路线，而应考虑到其在未来采用不同的碳捕集技术方案的需求；3）确保有足够的场地来容纳新增的CO2捕集设备及相应接口，以及扩建配套设施（BoP）以满足捕集装置新增公用工程设施（如冷却水、辅助配电等）的需求。•本研究表明，中国的142个年产量超过一百万吨的钢铁厂中有51个位于潜在CO2-EOR封存地的200公里半径范围内。•对于本假设案例项目的CCR设计，需要在建厂时预留4000平方米（100米×40米）的矩形面积，以便将来容纳预处理单元、胺法捕集单元、CO2压缩单元（便于CO2运输和储存）的设备，以及包括控制中心、分析化验室和配电室等的综合楼。公用工程供应设施可能需要额外约1200平方米（30米×40米）的场地。•工艺冷却设备总共需要大约12500t/h的冷却水（假设供水温度和回水温度分别中国钢铁厂碳捕集封存预留研究2为32℃/40℃）。实际所需的冷却水量可能会因当地气象条件以及循环水冷却系统类型而变化。•预计在未来进行捕集改造时，需要对废水处理厂进行改造和补充，使工厂能够处理并安全处置来自捕集设备的废水。关键词:钢铁，CCS，捕集预留，捕集封存预留，中国中国钢铁厂碳捕集封存预留研究32.绪论钢铁行业温室气体排放占全球工业温室气体排放的28%（IEAGHG,2018）。自2012年起，中国钢铁产量约为全球钢铁产量的二分之一（WorldSteelAssociation,2018）。这使得探索如何在钢铁行业（特别是在中国钢铁行业）实行碳减排变得至关重要。高炉路线炼钢在中国钢铁行业占主导地位，其平均二氧化碳（CO2）排放量约为2-3吨CO2/吨钢（ULCOS,2013）1。图1.钢铁行业负减排技术边际减排成本曲线注：y轴单位：元/kgCO2；x轴单位：kgCO2/吨钢来源：Luetal.,20181根据采用的生产技术和路线，该数值波动区间为0.4~2.5吨CO2/吨钢。根据IPCC（2017）报告，不同国家间该行业的排放波动较大，巴西的平均碳排放约为1.255吨CO2/吨钢，韩国和墨西哥的平均碳排放约为1.65吨CO2/吨钢，美国平均碳排放约为2.95吨CO2/吨钢，中国和印度的平均碳排放约为3.1~3.85吨CO2/吨钢。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究4目前已有许多适用于钢铁厂的低碳技术和工厂升级方案。图1表明，应用所有潜在负（即降低成本或“无成本”）边际减排成本（MAC）技术，每生产1吨粗钢能够减排0.45吨CO2。换言之，应用所有这些技术仅能减排低于20-25%的炼钢过程中产生的CO2。碳捕集和封存（CCS）是能够减少其余75-80%碳排放的少数方案之一。但由于该技术的昂贵正减排成本，很难即时开展大规模CCS部署。但是随着时间推移，运用较低MAC技术减排的机会将趋于减少，在更严格的排放绩效标准或者更高碳价的情景下，将激励需要减排的企业使用较高减排成本的技术。由于目前建成的钢铁厂可运行25到40年，因此，在钢铁厂进行碳捕集和封存预留（CCSR）2能够以较低的成本确保钢铁厂可以在未来进行CCS改造，以实现温室气体的深度减排。本报告在下一章探讨了捕集预留概念的演变历程，包括该概念在中国电力行业的应用。第四章概述了CCSR的设计考虑，包括中国钢铁厂的封存方案或“封存准备”。第五章对一个年捕集50万吨CO2规模的假设CCSR项目案例进行了研究分析，并在第六章中进行讨论并总结。2术语CCSR，在本文有时被称为CCR（碳捕集预留），是在电力或工业装置的背景下使用的，并且指的是，经管理部门同意，在授予时认可那些发电站/工业装置在未来进行CCS改造时技术上是可行的。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究53.“碳捕集预留”概念的演变吉宾斯（Gibbins,2004）将捕集预留定义为“对一个工厂的设计使得其可以在未来某个时间增加二氧化碳捕集设备且对使用年限经济性能的影响最小”。除了技术设计之外，需要实际空间来容纳所需的额外设备是任何捕集预留方案中的关键因素。这一概念在随后的几年中得到了进一步发展（IEAGHG,2007;Gibbinsetal.,2006）。这个想法逐渐受到了一些环保组织的推崇。2004年12月，美国的环境组织自然资源保护协会（NRDC）在中国清洁能源项目列出了“中国以煤气化为基础的多联产项目开展碳捕集预留”（电力与化工品联产）作为其国家积极行动之一（NRDC,2004）。威尔逊和吉宾斯（2005）在2005年初提出了一个更广泛的“捕集预留”概念。他们的意见包括：a）确保所有类型的新建化石燃料工厂，在目前最佳理解的范围内，可以在未来在最小的额外成本和最小的性能损失的情况下进行捕集装置改造；b）对将在捕集预留工厂（和其他现有工厂）转换为捕集工厂时所需的技术进行改进，并将改造经验回馈到捕集预留工厂的设计中；c）确保那些当二氧化碳捕集被广泛普及之时将变得具有竞争力的其他技术，在未来需要时也能立即应用；和d）发展成熟可靠的和社会能接受的二氧化碳封存方案。捕集预留不应仅限于捕集，因为CCS项目是综合捕集、运输和封存的整体。捕集预留的概念应包括场址选择，以确保尽可能多的捕集的二氧化碳被运输到封存地点，以降低CCS过程的总成本。而且，“捕集预留”并不局限于某种特定的工厂设计，而是工厂所有者在工厂设计和建设过程中需要进行的一系列投资和设计决策（Bohmetal.,2007）。全球碳捕集与封存研究院（2010）在国际气候基金（ICF）的支持下，进一步发展了碳捕集预留的概念，并同时更多地考虑了封存和运输的预留。英国政府在修订1989年“电力法案”时采用了捕集预留这一概念。该概念于2006年通过中国先进电厂碳捕集方案（CAPPCCO）项目被带入中国（Lietal.，2012），同时梁希等人（2009）通过一个中国电厂碳捕集预留的假设案例研究中引入了实物期权的概念，使利益相关者了解中国钢铁厂碳捕集封存预留研究6对新工厂进行捕集预留改造的内在价值3。捕集预留的概念在中国也被多边银行加以推动，亚洲开发银行（ADB,2014）在2014年推荐了一项捕集预留工厂设计。同年，中国业界将捕集预留的概念纳入了华润电力（海丰）3号和4号机燃煤电厂碳捕集与封存（CCS）预留可行性研究中（GDCCUSC,2014）。总之，碳捕集预留的概念随着时间的推移而发展，从狭义上对捕集技术未来改造的基本要求，到对预测和支持未来CCS相关需求的广泛理解。该概念不应仅限于“捕集”，因为CCS项目是整合捕集，运输和封存一体的全链条项目。因此，碳捕集预留的概念应该合理结合场地选址，以尽可能确保捕集的CO2都被输送到封存地点，以降低整个CCS过程的总成本。3为了了解在中国建设一个新CCR电厂的经济评估和投资特点，梁和他的团队调研了位于广东省的一个典型的600MW煤粉超超超临界电厂。。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究74.钢铁厂碳捕集和封存预留（CCS-ready）技术和设计要求4.1.选址考虑工厂的地理位置在决定其是否适合进行CO2捕集预留方面起着重要作用，因为在碳捕集装置建成后，捕集的CO2将被输送用于封存和/或用于提高石油采收率。工厂的选址需要考虑的相关因素包括：•应靠近CO2封存和/或利用的地点：这将使运输变得容易，并降低运输成本。•靠近其他现有或计划中的碳捕集设施：这样可以实现CO2基础设施的共用（包括共用CO2输送管线、道路运输设施，或沿岸地区的水路船舶运输等），从而降低CO2运输成本。此外，在已建立工业设施的地区，通常公众反对兴建新工厂的风险也较低。本项目研究人员对地理信息系统（GIS）的初步分析表明，在中国的142家年产量超过100万吨的钢铁厂中，有51家位于距离潜在CO2-EOR封存地的200公里半径之内，详见表1和图2。首先，本项目根据《中国钢铁年鉴（2017）》的数据调查了现有年钢产量高于100万吨的钢铁厂分布，并在图2中标明。然后，对中国主要的潜在CO2-EOR封存地（Dahowskietal.,2009）逐一标记，并且只关注其半径500公里以内的所有钢铁厂。由本项目研究组完成的另一个独立报告侧重研究钢铁厂非用于驱油的CO2封存机会。表1.中国大型钢铁厂附近的潜在EOR封存地潜在EOR封存地200公里半径以内的钢铁厂数量500公里半径以内的钢铁厂数量胜利油田430冀东油田1617江汉油田114江苏油田811靖安油田710长庆油田08中原油田57四川盆地27辽河油田36珠江口盆地24北部湾盆地13大庆油田03延长油田11准格尔盆地11塔达木盆地01总量51123中国钢铁厂碳捕集封存预留研究8图2.中国大型钢铁厂和潜在封存地位置分布注：图中红色标记为中国大型钢铁厂，蓝色标记为潜在封存地4.2.不同烟气的碳捕集技术选择钢铁厂的烟气排放系统相对比较复杂——不像燃煤电厂那样，仅从一根烟囱统一集中排放。钢铁厂排放源位置相对分散，不同烟气的含量和组分也不相同。因此，对于钢铁厂的不同生产工序，必须考虑各自单独的碳捕集装置。4.2.1.钢铁生产工艺和CO2排放源一般来说，钢铁生产包括两个阶段：1）炼铁过程，从铁矿石中提取生铁；2）炼钢过程，生铁被提纯为粗钢。这两个生产过程可进一步分为四个部分：•原料制备，包括铁矿石烧结/球团、石灰和焦煤制备；•炼铁过程（利用焦炭的作用将金属铁从铁矿石中熔炼出来，或采用直接还原成铁（DRI）法通过固态还原把铁矿石炼制成铁），主要包括两条路线：1）高炉-碱性氧气炉（BF-BOF）路线和2）电弧炉（EAF）路线。BF-BOF路线原料采用铁矿石和废钢，通常使用70%~100%的铁矿石，废钢作为补充。EAF路线原料采用直接还原铁、废钢和铸铁料，废钢使用率在70%到100%，其余为铁矿石类原中国钢铁厂碳捕集封存预留研究9料；•炼钢过程（铁水或DRI转化为液态金属）；和•钢铁浇铸、加热、轧制和成形。其他辅助设施（包括发电厂）使用来自各种炼铁和炼钢过程的气体燃料，大多数为副产品气，如焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气。图3显示了钢铁厂的典型CO2排放源，并标示有每吨卷轧钢生产过程排放的CO2浓度范围和CO2排放指数。图3.钢铁厂典型CO2排放源来源：UNIDO,2010中国钢铁企业的CO2排放源可依据国家发改委发布的《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》（2013）进行认定评估。与传统高炉-碱性氧气炉工艺相比，基于降低制造过程的能耗和碳排放强度目的的新炼钢工艺设计已经出现。IEAGHG（2018）列出了大量新兴的制造技术，包括电解法炼钢、先进的DRI-EAF、TGRBF（顶气再循环高炉）、先进的熔炼还原（HIsarna,HIsmelt）和固态还原（Corex）。这些新工艺应该在未来CCS预留研究中被进一步研究。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究104.2.2.碳捕集技术选项相关燃烧后CO2捕集技术的研究明显多于其他方法，其中以胺基吸收剂为主的胺法技术已处于商业化运行的成熟发展阶段（用于燃烧前捕集也能找到商业化的技术)。然而，大规模实施燃烧后碳捕集项目仍然面临各种挑战，例如高能耗、胺降解、胺损失和其他环境问题，以及所带来的捕集成本的上升。然而，一个有利之处在于燃烧后技术是从终端烟道气中进行碳捕集（这能够最小化因置入生产工艺中而带来的上下游影响），因此能够降低装置间交接界面的复杂性（ProgressiveEnergyLimited,2015:33）。发展中的新兴技术着重于解决上述的问题，包括开发新溶剂、物理和化学固体吸附、膜法和低温工艺等。由于存在新技术将来商业上变为可行的可能性，碳捕集预留还涉及到确保任何此类技术在成熟到能够运用并具备竞争性时也可以被随即应用于碳捕集。因此，CO2捕集技术根据其现有的捕集能力从各种气体分离技术中筛选，但是其他潜在技术也应包括在捕集预留的概念设计的考虑范围内。表2列出了主要CO2排放源的特性和潜在的捕集技术，包括实施捕集预留钢铁厂的基本要求。该表提供了一系列的技术选项供以后排选，待选技术名单并且将会不断地被回顾和更新，以便能追踪新兴捕集技术的进展。4.3.捕集预留装置的基本要求根据IEAGHG（2007）关于捕集预留的定义，开展捕集预留的工厂的决策者有责任确保在其控制范围内识别并消除所有已知的可能影响未来CO2捕集装置的安装和运行的因素。这些工作包括：•对CO2捕集改造和潜在的预投资选项进行研究；•提供足够的场地并为未来可能需要的额外设施预留使用通道；•确定CO2封存的合理途径。在针对这些基本的捕集预留设施上的预投资预计投入较低。进一步的预投资选项，则能够降低CO2捕集改造的成本和停工周期。4.3.1.钢铁厂用于CCS的额外场地利用胺捕集技术建设碳捕集预留钢铁厂的首要要求是在现场的适当位置指定足够的预留场地，以容纳新增的CO2捕集设备，与现有工厂设备连接的烟道和管线，以及各种必要的接口。另一个要求是允许配套设施进行扩建以满足捕集设备的额外要求（循环冷却水、辅助配电等）。根据每个系统和设备对场地的需求，本文对空间安排展开了讨论，认为应该考虑并包括的设施有：表2.不同CO2排放源的捕集技术选项排放源烟气特征（CO2浓度为体积%）潜在二氧化碳捕集技术选项钢铁厂CO2捕集预留要求1脱硫脱硝预处理预留场地公用工程化学品储存废水处理电蒸汽冷却水其他烧结球团CO25-10%120-150℃CO2浓度低，CO浓度高，成分复杂，含二噁英、氟化物、SOx、NOx和粉尘燃烧后化学吸收是是工艺水脱盐水仪表风是是物理吸附是仪表风焦化烟气CO225%130℃CO2浓度高成分复杂SOx、NOx和粉尘含量高燃烧后化学吸收是是工艺水脱盐水仪表风是是物理吸附是仪表风焦炉气(COG)2H245-64%CH420-30%CO5-10%CO22-5%高热值，高附加值原料（H2和CH4浓度高）化学吸收是工艺水脱盐水仪表风是是物理吸附是仪表风石灰窑CO215-30%110℃CO2浓度高粉尘浓度高燃烧后化学吸收是工艺水脱盐水仪表风是是物理吸附是仪表风钙回路CO捕集3高炉气4(BFG)CO220-25%CO20-25%H23%80-150℃CO2浓度高低热值燃料气燃烧前化学吸收是工艺水脱盐水仪表风5是是物理吸收是工艺水脱盐水仪表风是是物理吸附是仪表风膜分离是工艺水仪表风膜分离+物理吸附是工艺水仪表风排放源烟气特征（CO2浓度为体积%）潜在二氧化碳捕集技术选项钢铁厂CO2捕集预留要求1脱硫脱硝预处理预留场地公用工程化学品储存废水处理电蒸汽冷却水其他热风炉烟气CO225-28%155℃CO2浓度高燃烧后化学吸收是是工艺水脱盐水仪表风是是膜分离+物理吸附是仪表风膜分离是工艺水仪表风膜分离+物理吸附是工艺水仪表风Converter6转炉气6CO215-20%CO60-70%100℃CO2浓度低CO浓度高燃烧前化学吸收是工艺水脱盐水仪表风是是膜分离+物理吸附是工艺水仪表风电厂烟气CO220%120℃CO2浓度高粉尘浓度低燃烧后化学吸收是是工艺水脱盐水仪表风是是膜分离是工艺水仪表风物理吸附是工艺水仪表风带钢热轧机CO210%CO2浓度低含氧化铁粉尘水分含量高燃烧后化学吸收是工艺水脱盐水仪表风是是Notes:1.“”的数量表示需求的相对大小。2.焦炉煤气作为气体燃料送往烧结厂和发电厂，或者采用PSA工艺制取H2，和化学吸收、低温法生产甲醇。3.由台湾水泥股份有限公司及台湾工业技术研究所联合开发的“钙回路CO2捕集技术”。4.低热值高炉煤气将被送往热风炉、焦炉或电厂锅炉，用作气态燃料。脱碳的应用有助于提高煤气的热值。5.Deminwater指的是脱盐水；Instru.air指仪表用空气。6.转炉煤气（Linz-Donawitzgas-LDG）具有较高的热值，作为气态燃料送到发电厂或其他设备。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究13•碳捕集:o烟气预处理装置；oCO2捕集单元；oCO2压缩液化装置；o原材料储存设施，和o综合楼，包括集散控制系统（DCS）控制室、电气开关柜室、研究实验室和办公室。•水、电配套及辅助设施（存在与钢铁厂共用的可能性）：o配电系统（辅助变压器、电缆、开关柜等）；o循环冷却水系统；o水和脱盐水处理；和o废水处理和废物处置系统。•其他设施（位于钢铁厂的主生产区域）:o烟道;o公用工程分配系统的管架或埋地管道；和o其他辅助系统，如压缩空气系统、维修和消防站。4.3.2.潜在碳捕集预留预投资选项除了满足场地、道路与封存路径的基本要求外，如果进行进一步的预投资，还能够减少二氧化碳捕集改造的成本和停工周期。一些潜在的捕集预留前期投资可以适用于所有技术，包括加大管架设计以及为工厂控制系统和现场配电扩建预先作出安排。这些前期投资通常成本较低，却能显著减少CCS改造的成本和停工时间。潜在的预投资可应用于：•烟气脱硫设备（FGD）；•脱硝设备（DeNOX）；•颗粒物去除单元（袋式过滤器由于能改进气溶胶去除效果，可能比静电除尘器更适合于燃烧后捕集）；•蒸汽源和余热回收方案；•水-蒸汽冷凝水回路；•压缩空气系统；•冷却水系统；中国钢铁厂碳捕集封存预留研究14•给水预处理厂；•脱盐水处理系统;•污水处理厂；•电气设备;•化学加药和冷凝水分析系统;•工厂管架;•控制和仪表;•安全设备;•消防和防火系统；•工厂基础设施；和•用于CO2压缩机驱动的汽轮机方案。虽然一些用于捕集预留的前期投资预计具有低成本和潜在的高收益，但是仍有两个主要原因影响进行重大的捕集预留预投资的决策：经济贴现和不确定性。贴现是一个已经确立的经济原则，它意味着未来的经济资源价值低于现在。此外，由于未来法规和碳信用额度的价值不确定性，是否（或何时）需要捕集也不确定。捕集技术在未来的发展方向也是不确定的。由于不断“从实践中学习”以及渐进的技术进步，捕集技术的成本预计将来会逐步下降。如果一个工厂已经为现有的单一技术做好了捕集准备，那么它就有被将来可能过时的技术锁定的风险，从而使得前期投资毫无价值。因此，捕集预留的工厂应尽可能合理地设计以适应预期的未来技术改进。然而，目前很难预测未来技术发展，而且可能被废弃的风险仍然是未进行大量特定技术前期投资的主要原因。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究155.50万吨CO2捕集规模的假设碳捕集预留项目案例研究本案例研究的目的是对一个假设的50万吨级钢铁行业捕集预留项目进行概念设计。因为现行的钢铁厂缺少捕集预留规范，本研究使用英国发布的电厂碳捕集准备指南作为参考。2009年，英国能源和气候变化部（DECC,2009）发表了《碳捕集预留指南》，其中CCR要求概述如下：“作为第36款申请的一部分，申请者将被要求证明：•厂内或附近有足够的场地以容纳未来的碳捕集设备；•应用所选择的碳捕集技术进行改造的技术可行性；•存在一个合适的离岸深层地质封存区域，用于储存电站计划捕集的二氧化碳；•将捕集的CO2输送到计划的封存区域的技术可行性；以及•在电站的使用年限内存在构建一个完整的CCS链的可能性，包括捕集设备、运输和封存在内的改造在经济上是可行的。申请者必须在其CCR评估中明确哪些CCS改造、运输和封存技术方案被认为最适合于他们的发展计划。”然而，请注意上述提及的离岸封存反映了英国的特殊情况，并不是与中国的钢铁厂CCS相关的通用要求。5.1.技术假设和研究方法最广泛考虑的燃烧后捕集技术涉及使用化学溶剂，通常是有机胺的形式。胺法技术已经应用于燃煤电厂、天然气厂、煤化工厂等许多工业的CO2分离。新型胺液还在不断地研发之中，市场上销售的有机胺包括由各技术供应商研发的专利有机胺，以及非专利的普通有机胺，如MEA和MDEA，它们是最早和最常用于CO2分离工艺的有机胺家族的成员。与MEA相比，专利溶剂通常具有较低的再生热负荷和较高的CO2吸收能力。一般来说，未来新型有机胺对捕集预留（CCR）的要求不应大于现有普通有机胺的CCR要求。因此，本研究将重点评估使用普通胺溶剂（30wt%MEA）作为基准工况的相关碳捕集预留要求（Arasto等,2013）。本研究使用ASPENPlus（过程工程的先进系统）软件进行流程模拟，然后利用模拟结果发展一个针对碳捕集预留要求（CCR）的概念设计。ASPENPlus是一个经过验证的化学过程模拟软件，广泛应用于研发、大型化工系统设计和化工厂全过程的生产操作中国钢铁厂碳捕集封存预留研究16优化。ASPENPlus作为一种强大的工程设计工具，可以提供工程设计参数、化学品消耗以及公用工程系统要求等各种信息。运行成本的估算可以基于ASPENPlus模拟的结果来进行，以此作为起点作进一步的技术和经济分析。研究方法如图4所示。图4.捕集预留假设案例的研究方法5.2.捕集预留研究的假设5.2.1.CO2排放源通常，钢铁厂内CO2排放浓度将在10-35%范围内变化，实际浓度取决于不同的排放源、生产原材料和钢铁生产工艺。表3则以常规轧制卷钢装置为例，给出了其主要的CO2排放源。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究17表3.典型的气体入口条件No.排放源吨钢CO2排放量CO2浓度1烧结球团厂288kg/t~5-10%2焦化厂285kg/t~25%3石灰窑57kg/t~30%4电厂709kg/t~20%5高炉~20%6热风炉329kg/t25-28%;7带钢热轧机84kg/t~10%8火炬63kg/t总计1815kg/t非直接排放到大气中，通常作为低热值燃料送到热风炉燃烧。1吨卷轧钢生产过程中将向周围环境排放总量为1815公斤的CO2。来源：IEAGHG,2007本研究选取了一个具代表性的烟气浓度——25%CO2进行研究。其他CO2浓度可能需要考虑选择其他技术。5.2.2.入口烟气条件和CO2捕集能力本案例研究假设每年从热风炉烟气中捕集50万吨CO2，捕集效率为90％。典型入口气体条件见表4。表4.典型热风炉入口烟气条件和CO2捕集能力假设项目单位数值组成H2OVol%3.83CO2Vol%25.00N2Vol%68.66O2Vol%2.51总流量Nm3/h158,700年操作小时Hours7,200进入捕集装置的CO2总量kg/h77,903预期CO2捕集效率%90总捕集目标kg/h70,127t/year504,914中国钢铁厂碳捕集封存预留研究185.2.3.CO2捕集工艺描述图5给出了胺法碳捕集技术的典型CO2捕集工艺流程图。图5.典型胺基吸收法工艺流程图1-吸收塔，2-解吸塔，3-贫胺罐，4-回流罐，5-水洗冷却器，6-富胺泵，7-贫胺泵，8-吸收塔给料泵，9-回流泵，10-中间冷却泵，11-水洗泵，12-贫/富胺热交换器，13-贫胺冷却器，14-冷凝器，15-再沸器，16-中间冷却器该工艺过程描述如下：预处理单元在预处理单元中，烟气温度将降低到40oC，同时将污染物（SOx、NOx、酸雾、灰尘等）浓度降低到较低的水平，从而防止其与溶剂发生不可逆的反应，避免对CO2吸收过程造成其他负面影响。烟气被输送到增压风机（图中未列出）以获得足够的压力克服下游设备的压降，然后流至洗涤塔对烟气进行急冷和过冷。洗涤水被送入预洗涤塔内与烟道气直接接触，降低烟气的温度并降低污染物和SOx的含量水平。从预洗涤塔底部流出的热水被送至洗涤水冷却器冷却，然后送回预洗涤塔再利用。可能需要一个液碱供应系统为预洗涤塔补充碱溶液，以减少二氧化硫在烟气中的残留量。CO2胺基吸收法单元中国钢铁厂碳捕集封存预留研究19冷却后的气体随后被输送到CO2吸收塔。吸收塔内装有多级填料床，胺液从塔顶下淋，通过与自塔底进入的烟气逆流接触从中吸收CO2，富含CO2的富胺液从吸收塔的底部排出，而含低浓度CO2的烟气从吸收塔的顶部排出。吸收CO2是一个放热反应，因此为了防止塔内热量积聚，并提高胺的吸收能力，热胺液在底部填料段上方的集液盘被收集并泵入中间冷却器，经冷却水冷却后再循环回吸收塔底部的填料床重新进行CO2的吸收。处理过的烟气从CO2吸收段顶部排出通过水洗段。这部分包括在CO2吸收塔的顶部，用于捕集来自烟气的任何挥发性和夹带的胺雾滴。向上流动的处理后气体离开水洗涤段后被释放入烟囱。来自吸收塔底部的富含CO2的富胺在贫富胺热交换器中被加热，并被送到CO2解吸塔，在塔内胺液通过再沸器提供的热量得以再生。来自再沸器的低压（LP）蒸汽凝液被送到工厂冷凝液收集系统。解吸塔的塔顶汽被冷凝器冷却后，两相混合物在回流罐中分离，回流液被返回到解吸塔，而产生的CO2气体被送到CO2压缩系统。图6显示了作为界区条件输入的设计基础假设，包括预处理单元入口和胺法CO2吸收单元入口处的烟气组成、流量和压力及温度条件。图6.典型胺基吸收工艺的假设设计条件根据IEA（2011）数据进行修改。备注：1.典型的烟气条件，也同时列于表4中。本案例研究采用25%CO2的代表性浓度。来源：Iwasaetal.,2015。2.高温的烟气被急冷和过冷，然后在水饱和条件下供入吸收塔。5.2.4.AspenPlus模拟模型说明AspenPlus包括广泛的单元工艺模块，可模拟包括混合和分离、闪蒸、加热/冷却和蒸馏的过程，以及诸如反应器、压力改变设备包括泵、压缩机、管道压降等组件。模型选取基于平衡-传质的模拟方法（Equilibrium-basedMassTransferApproach）。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究20模拟计算中，主要反应发生在MEA和CO2之间：2𝐻2𝑂↔𝐻3𝑂++𝑂𝐻−[1]𝐶𝑂2+2𝐻2𝑂↔𝐻𝐶𝑂3−+𝐻3𝑂+[2]𝐻𝐶𝑂3−+𝐻2𝑂↔𝐶𝑂32−+𝐻3𝑂+[3]𝑀𝐸𝐴𝐻++𝐻2𝑂↔𝑀𝐸𝐴+𝐻3𝑂+[4]𝑀𝐸𝐴𝐶𝑂𝑂−+𝐻2𝑂↔𝑀𝐸𝐴+𝐻𝐶𝑂3−[5]吸收模拟的主要目的是确保吸收塔顶部排出的净化后气体中仅含0.024摩尔分数的CO2。通过调整吸收溶液的参数，包括溶液的组成、吸收温度和循环量，以实现预期的碳捕集性能指标。再生模拟的目的是通过调整再生压力、温度和再沸器的热负荷，使富胺液达到所期望的再生程度。通过调整塔顶冷凝器的温度，使从塔顶排放的再生气中CO2摩尔分数大于0.9，满足进一步压缩的要求。5.3.模拟结果5.3.1.流程图工艺流程图给出了整个系统的工艺路线配置，如图5所示。该图描绘了一个或多个物流从进入系统开始的整个工艺过程，包括所有中间操作单元和之间的连接物流连接管线。5.3.2.热量物料平衡（HMB）工艺模型明确了系统的所有化学成分，从必要的反应物和产品，到蒸汽和冷却水。流程图中的所有产品物流都以热量和物料平衡（HMB）进行汇总；每个工艺物流和单元操作条件都被标记和标识。工艺模型中的所有单元操作都保持在特定的操作条件下（例如温度、压力和流程）完成。下文的表5提供了主要工艺物流的组成、流量、温度、压力和物理性质。模拟结果表明：•CO2产品气总量（烟气入口物流S1为77902.6kg/h，处理气体物流S2为7776.1kg/h）显示CO2捕集量S7为70126.5kg/h（每天约1700吨），从而实现90%碳捕集效率和年捕集50万吨的预期目标；•由吸收塔中的胺溶剂捕集的CO2以70126.5kg/h的速率从解吸塔中的CO2富胺液中国钢铁厂碳捕集封存预留研究21中解析出来，如物流S7所示；•在解吸段（解吸塔）物流S7中回收的CO2产品气体，被冷却到适合于下游CO2压缩的较低温度，其纯度为97％（重量，湿基）。•在物流S3、S4、S5和S6中给出了胺液循环量，包括贫胺和富胺的流量。表5.主要工艺物流的模拟结果主要工艺物流组成S1进口烟气S2处理后烟气S3进吸收塔贫胺S4出解吸塔贫胺S5进解吸塔富胺S6出吸收塔富胺S7CO2产品气S8进解吸塔回流液Massflowkg/hMEA0.076.3213,613.5215,433.627,243.127,243.10.00.00H2O8,996.239,365.9790,735.0758,223.7757,489.7757,489.72,164.839,934.04CO277,902.67776.10.018.413.413.470,126.549.69H3O+0.00.00.00.00.00.00.00.09OH-0.00.010.34.31.21.20.00.00HCO3-0.00.0472.92,294.98,765.38,765.30.00.28CO32-0.00.01,973.4124.23,427.83,427.80.00.00MEAH+0.00.083,177.781,216.6183,568.3183,568.30.00.00MEACOO-0.00.0131,719.1131,774.9280,873.3280,873.30.00.00N2136,187.4136,182.60.00.04.84.84.80.00O25,686.95,686.50.00.00.40.40.40.00CO0.00.00.00.00.00.00.00.00H20.00.00.00.00.00.00.00.00H2S0.00.00.00.00.00.00.00.00S2-0.00.00.00.00.00.00.00.00总流量kg/h228,773.0189,087.41,221,701.81,189,090.81,261,387.11,261,387.472,296.539,984.1总液相流量m3/h1,158.21,193.21,189.31,138.040.5总气相流量Nm3/h163,814.0165,908.038411.9总气相实际流量m3/h173,780.2205,906.130353.1压力kPag8230076205248200温度℃407340119112564646摩尔气相分率1.001.000.000.000.000.001.000.00密度kg/m31.3160.9181,054.9996.61,046.31,108.42.382988.4中国钢铁厂碳捕集封存预留研究235.3.3.设计参数1)吸收塔、解吸塔设备计算AspenPlus使用填料计算法（塔尺寸基于化工填料高度和直径）进行塔尺寸估算。塔设备采用压降通用关联式进行计算（见表6）。吸收塔和解吸塔的填料参数请见表7和表8。吸收器和解吸塔直径分别估计为7.3m和5.8m。表6.塔计算准则准则说明用分数表示最大能力接近程度在交互计算模式下，塔径计算是使得最接近该段中任何点的最大能力等于该值。设计能力因子在交互计算模式下，塔径计算是使得最大能力因子等于该值。应采用最高流量的设计条件下，应用该因子进行尺寸（直径）计算。表7.吸收塔参数设计参数ValuesUnit塔径7.3m最大负荷分率0.58最大负荷因子0.06m/s塔段压降2318N/m2平均高度压降77.25N/m3最大持液量9.23m3最大液相空塔速度0.01m/s比表面积249m2/m3表8.解吸塔参数2)换热器设备计算根据指定的操作条件，ASPENPlus输出加热或冷却设备的热负荷，并且也给出在指定压力和温度下，所需蒸汽和冷却水的消耗量（见表9）。设计参数ValuesUnit塔径5.8m最大负荷分率0.59最大负荷因子0.04m/s塔段压降852N/m2平均高度压降42.58N/m3最大持液量1.90m3最大液相空塔速度0.01m/s比表面积249m2/m3中国钢铁厂碳捕集封存预留研究24表9.换热器的模拟输出参数热负荷(GJ/h)所需加热和冷却介质贫胺冷却器1013026m3/hCoolingwater贫/富热交换器223N/A冷凝器1033100m3/h冷却水再沸器290137T/h低压蒸汽3)泵、增压风机和压缩机设备计算泵、增压风机，压缩机的输送能力和压力变化将由工艺路线配置决定。基于输入信息，ASPENPlus提供了驱动转动设备所需的电机功率，如表10到表12所示。5.4.CO2捕集、压缩概念设计本节内容概述了基于AspenPlus的模拟结果而进行的二氧化碳捕集和压缩装置概念性设计。5.4.1.设备规格所需设备可分为四类：•塔、容器、罐；•热交换器；•转动设备；和•其他特殊设备（包括过滤器等）。依据从ASPENPlus模型中提取的工程设计参数，关键的规格信息总结在表10和11的初步设备清单中。表10.二氧化碳捕获初步设备清单塔、容器和罐No.设备名称外形尺寸(mm)数量备注1预洗涤塔D7,30012吸收塔D7,30013解吸塔D5,80014贫胺罐D7,00015新胺液罐D7,00016回流罐D2,000xH5,0001水平式7冷凝液罐D250018胺液收集罐D2,500xH4,0001水平式中国钢铁厂碳捕集封存预留研究25换热器No.设备名称热负荷(GJ/h)数量备注1洗涤水冷却器1612贫胺冷却器5123贫/富胺热交换泵11224冷凝器5225再沸器15026其他冷却器1002转动设备No.设备名称流量&DP电机kW数量备注m3/hkPa引风机1增压风机83,50073003一备泵1洗涤水泵800200752一备2新胺液泵122001.513吸收塔给料泵5804001103一备4富胺泵5704701323一备5中间冷却泵570180553一备6水洗泵700200452一备7回流泵413507.52一备8贫胺泵600170553一备9蒸汽凝液泵14020018.52一备10胺液热回收泵57500152一备11胺液收集泵122001.51DP:泵、增压风机/压缩机出口压差表11.二氧化碳压缩初步设备清单塔、容器和罐No.设备名称外形尺寸(mm)数量备注1罐D7,3001换热器No.设备名称热负荷(GJ/h)No.备注1气体冷却器174转动设备No.设备名称流量&DP电机kW数量备注m3/hMPa压缩机1CO2压缩机15,0007.83,8002泵中国钢铁厂碳捕集封存预留研究265.4.2.公用工程消耗本节提供了CO2捕集和压缩的概念性设计的公用工程消耗的详细信息（见表12），其数据基本上基于ASPENPlus模拟。表12.公用工程消耗项目用户数量备注蒸汽(350kPag，饱和)胺法捕集137t/h其他用户10t/h循环冷却水(假设供水和回水温度分别为32℃和40℃)预处理500t/h胺法捕集10,000t/hCO2压缩2,000t/h总计12,500t/h工艺水预处理4t/h脱盐水胺法捕集4t/h电运行安装预处理700kW1,050kW胺法捕集800kW1,250kWCO2压缩7,700kW7,700kW总计9,200kW12,030kW仪表风40Nm3/h~600kPag5.4.3.设备布置依据表10和表11列出的主要设备，进行的初步设备布置如图7所示。图7.二氧化碳捕集、压缩装置及公用工程设施初步布置中国钢铁厂碳捕集封存预留研究27根据初步的布置图可知，需要预留一个大约4000平方米（100m×40m）的矩形区域，以容纳预处理单元、胺捕集单元和用于CO2运输和储存的CO2压缩单元的设备，以及包括控制中心、实验室和电气开关柜室等的综合建筑。公用工程供应设施或许需要预计约为1200平方米（30m×40m）的额外场地。5.4.4.能源回收方案的综合评价5.4.4.1.钢铁厂余热回收潜力分析副产品气体是钢铁工业的重要二次能源（见表13），可占该行业总能耗的30-40%（He和Wang,2017）。副产品气体主要包括高炉气BFG、转炉气LDG和焦化煤气COG，这些气体在日本和德国基本都进行了回收和使用。然而，在中国副产气还未得到100%的回收利用，仍有部分被排往火炬。余热是钢铁工业的另一个重要的二次能源。余热回收可以通过各种技术来实现，以提供有价值的能源，降低总能耗。在中国，生产每吨钢产生8.44GJ余热，其中仅回收28%。因此，余热回收和利用在钢铁工业具有很大的潜力。表13.钢铁工业副产品气体化学成分热值吨产品产出量BFGH24%CO25%CO220%RemainderisN23,000-3,800kJ/m31,400-1,800m3/吨铁LDGCO215-20%O2≦2%CO60-70%N210-20%H2≦1.5%7,500-8,000kJ/m380-100m3/吨铁COGH245-64%CH420-30%CO5-10%CO22-5%O20.1-4%CnHm0.1-3%16,000-19,300kJ/m3400-450m3/吨铁来源：IEA,2007中国钢铁厂碳捕集封存预留研究28表14.中国钢铁工业不同品质余热回收利用余热的品质数量和回收率说明150℃以下低品级总量(GJ/t-s)2.89废蒸汽、热水、各种低温烟气和低温物料等回收量(GJ/t-s)0.22回收率(%)7.61150-500℃中品级总量(GJ/t-s)2.19高炉煤气和烧结烟气、烟气一次余热回收后的热烟气等。回收量(GJ/t-s)0.66回收率(%)30.2500℃以上高品级总量(GJ/t-s)3.36高温烟气：焦炉煤气、转炉煤气、电炉气和加热炉烟气等；高温液体：铁渣、钢渣、高温水等；高温固体：烧结物料、高温焦炭、高温钢等。回收量(GJ/t-s)1.49回收率(%)44.4来源：He和Wang,20175.4.4.2.CCS中的余热综合利用根据研究结果，在CCS中，能量主要消耗在两个阶段：送入再沸器用于胺再生的137t/h、0.35MPa低压蒸汽，用于假设的CO2压缩机的7100kW电耗。汽轮机非常适合作为驱动锅炉给水泵、强制引风机（ID）、鼓风机、压缩机和其他转动设备的驱动机。此类应用一般在采用背压式非凝气汽轮机时，汽轮机的低压排放汽通常可用于加热给水、预热除氧器补充水和/或其他工艺要求。本研究假设使用汽轮机驱动多级CO2压缩机。如图8所示，高压蒸汽（HP）被送入汽轮机去驱动CO2压缩机，低压蒸汽（LP）从背压汽轮机排出，然后作为热源返回碳捕集单元的再沸器。图8.余热在CCS中的综合利用中国钢铁厂碳捕集封存预留研究29基于一般工程设计原则，汽轮机是大型压缩机和水泵（通常驱动功率为1000kW或以上）的节能首选。与电机相比，汽轮机的使用消除了巨大的起动电流对电网的影响。表15给出了压缩机特性的估算；CO2液化过程采用四级压缩。相应地，估算表明，汽轮机使用中等级2.35MPa蒸汽的消耗总量为102t/h，能够产生多级CO2压缩机所需的7.1MW的总轴功率。表15.压缩机和汽轮机特性计算项目单位1级2级3级4级多级压缩机CO2气体进/出气体流量kmol/h1,7141,6161,6061,600压力MPa0.149/0.4010.401/1.0791.079/2.9012.901/7.800温度oC40/14040/13240/13440/136用电量MW2.01.81.71.6冷却负荷GJ/h127.57.412汽轮机蒸汽消耗发电能力MW7.1蒸汽进汽/蒸汽排汽蒸汽t/h102压力MPa2.35/0.49过热温度oC390/252熵值kJ/kg3219.4/2965.8焓值kJ/kg.K7.013/7.29蒸汽消耗kg/kWh14.2市场上销售的某些汽轮机的规格在表16中给出，以供参照。表16.汽轮机规格项目规格1规格2单位汽轮机型号B1.6~B3B3~B8发电能力1.6~33~8MW入口蒸汽2.3~4.92.3~4.9MPa300~470300~470°C排出蒸汽0.2~2.50.2~2.5MPa蒸汽消耗8~14kg/kWh从汽轮机排出的102t/h、0.49MPa的低压蒸汽可供胺法捕集装置的再沸器使用。该蒸汽量小于再沸器总蒸汽需求，不足部分可以由其他低品级蒸汽源提供。如表13所示，中国大多数钢铁厂70%的中级（150～500℃）余热未被回收，因此，回收余热用于CO2捕集和压缩的潜力巨大。这将有利于CCS在中国钢铁生产中的应用。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究30燃烧后捕集技术被认为在不久的将来技术上可行。作为技术选项之一，通过利用钢铁生产过程本身的余热，可能使大多数钢铁厂能够负担得起胺法捕集技术。还可以避免在钢铁行业开展CCS时，因额外的蒸汽和电力生产而产生的CO2。5.5.钢铁厂设计中的捕集预留要求本节中讨论的捕集预留要求是能够便于钢铁厂未来采用胺法CO2捕集改造的“基本”要求。所讨论的捕集预留特点是仅需要较小的额外投资，且在没有碳捕集运行的工况下操作时对工厂的性能有较低的影响。5.5.1场地需求在现场适当位置留有足够的额外场地以容纳新增的二氧化碳捕集设备和其所需的相应接口是建设采用胺法碳捕集技术的捕集预留钢铁厂的首要要求。另一个要求是允许扩建配套设施（BoP）以满足捕集装置带来的新增公用设施需求（如冷却水、辅助配电等）。场地要求需要针对每个系统和设备的需求逐一进行讨论。对本案例研究，场地需求如下：•CO2捕集设备：根据第5.4.3节的描述，为捕集单元需预留的场地估计约为4000平方米（100m×40m），包括预处理单元、胺单元、操作控制楼以及用于CO2封存输送的CO2压缩单元；•公用工程设施预留需求估计约1200平方米（30m×40m）；•热风炉新建和改造：预留空间给在引风机（ID）和胺洗涤吸收塔之间的烟道，直径约1.5米；•预留风机的空间，用于抵消燃烧后捕获吸收单元中产生的压降；•余热锅炉（WHB）的新建和改造：需要考虑余热锅炉WHB留有相应空间，用于将大型低压蒸汽管道（大约1m×1m空间）输送到胺洗涤吸收单元；•配套设施（BoP）的扩建和新建空间预留，以满足捕集装置带来的新增公用设施需求；•额外的车辆运输（胺液运输等）；和•基于危险和可操作性分析研究（HAZOP）给出的场地布置导则，考虑储存和处置胺液、处置CO2所需的空间。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究31除了捕集装置所需的安装场地外，工程建设的施工活动也需要相应空间。当场地允许时，在现场储存材料、工具和安装部件的施工成本通常比场外施工更低。5.5.2脱硫装置（FGD）近年来，在中国钢铁行业的排放标准愈加严格，颗粒物、二氧化硫和氮氧化物允许排放标准值分别从40、180和300mg/m3缩减到20、50和100mg/m3。但为了减少由于吸收剂与二氧化硫反应造成的吸收剂降解，烟气脱硫（FGD）装置必须设计做到能将烟气中的SOx降到很低的水平，例如10~30毫克/立方米——甚至低于当前的环境法规的限制。对于设计了能够满足未来烟气要求的脱硫装置（FGD）的钢铁厂，预计没有额外的场地要求。对于烟气脱硫装置设计仅符合当前SOx排放限制的钢铁厂，可能会出现额外的捕集预留要求。这取决于烟气脱硫装置的设计，这些需求讨论如下：a)如果原FGD的设计和建造允许在未来进行机械设备的改造或化学反应的强化以达到胺洗涤吸收单元的SOx水平，则预计在烟气系统中没有额外的捕集预留要求。b)如果最初的FGD设计和建造不允许进行机械设备的改造或化学反应的强化，要满足胺洗涤吸收单元的SOx水平限制，则烟气脱硫需要新建一个碱洗段。ID风机可能无法适应由FGD碱洗段引入的附加压降，并且还可能再需要一个增压风机。因此，必须考虑安装增压风机的空间以及相关的烟道系统和预先的进出接口。对于没有任何脱硫设施的钢铁厂，将需要在合适的位置安装脱硫装置，风机排放管道和之间的烟道连接系统，并酌情考虑新的引风机/增压风机。所需的空间取决于不同的烟气源和SOx浓度。5.5.3蒸汽-冷凝水回路本节讨论蒸汽-冷凝水系统的捕获预留要求。在工厂CO2捕集运行期间，胺洗涤吸收装置再沸器需要来自余热锅炉（WHB）的蒸汽（基于当前的胺基吸收剂）。钢铁厂凝结水系统通常由2×100%的凝结水泵或3×50%的凝结水泵组成。在捕集改造后，这种布置将导致泵在非最佳条件下运行。为了使凝结水泵在捕集改造前后在最佳条件下运行，可以考虑采用3×60％的凝结水泵选型对应的预投资。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究325.5.4冷却水系统如前所述，冷却设备预计需要12500t/h的冷却水（假定供水温度和回水温度分别为32℃/40℃）。冷却水的需求量会随当地天气条件以及水冷却系统类型而变化。新增冷却塔和冷却水管道要求取决于所设定的冷却水系统的类型（闭式冷却或海水/淡水直接冷却）。可以进行以下预投资以减少CO2捕集改造工程量：•对于具有直流式淡水和海水冷却系统的钢铁厂：如果当地法规或已经获得的许可不允许排放水温上升到捕集改造之前确定的限度之外，预投资则被需要用来提高冷却水供水和排水能力，以容纳额外估算的消耗量（例如，更大的冷却水泵和更大的冷却水管）。•对于具有闭式冷却系统的钢铁厂：由于在捕集改造期间增加单独的辅助冷却水网以满足捕集设备辅助冷却水的需求是一种更可行的方法，因此预计不需要进行捕集预留的预投资。5.5.5压缩空气系统由于增加捕集设备需要额外的压缩空气，配备捕集预留的钢铁厂可以考虑对压缩空气系统的规模和选型进行预投资，算入未来的压缩空气需求。这可能要求对单个压缩机以及相应的干燥器和接收器在设计能力上增加裕量。5.5.6给水处理厂为了满足捕集设备未来额外的冷却水要求，可通过以下方式在捕集预留的原水预处理厂区进行预投资：•在给水预处理厂的处理规模和选型时，要将估计的未来增加的原水能力需求包括进去；•增加给水箱的储存容量，以适应未来储存需求的增加；•冷却水系统的补充水需要被计入未来增加的需求量。据估算，4m3/h的给水量可以满足烟气预处理系统中补水的需要，但是它不包括冷却水系统的补给水，因开放式循环水冷却系统中的水分蒸发而需要补充大量的补给水-补水量取决于当地气象条件，很难在此预测。如果采用闭式冷却水系统，则不需要任何补给水。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究335.5.7离子水/脱盐水车间由于去离子水的需求量在CO2捕集改造后预计将增加4m3/h，因此预计该系统需要进行捕集预留设计，增加水处理能力。5.5.8废水处理厂预计需要对废水处理厂进行新建和改造，使其能够处理并安全处置来自捕集设备的新增废水。由于可能需要不同的废水处理方案，有可能必须安装单独的废水处理系统，并接入工厂废水排放管网。因此，预投资将只考虑增加共用排放管网的管径，以确保其能够容纳足够的废水，而单独的处理系统可以随着捕集改造工程在未来安装。5.5.9供电胺捕集单元以及同时建设的烟气冷却、烟气碱洗（如果需要的话）和CO2压缩装置将带来很大的电力负荷（泵、风机、压缩机），并且工厂辅助配电系统也需要增加很多设施。预计在以下区域进行预投资将减轻未来的CO2捕集改造强度：•设计和建造电缆地下通道和电缆沟，包括电缆井和架空的电缆支架，以应对未来的电缆铺设工作；•开关柜和电机控制中心电缆的选择，需考虑捕集改造后的新增辅助设施的估算电耗(不包括胺洗涤吸收单元和CO2压缩装置的功率消耗，因为要设一个专用独立的电源系统向这些用电设备供电）。如第5.4.2节所讨论的，运行碳捕集和压缩装置预计共需要9200kW的额外电负载。如果泵电机功率超过250kW，将选择配备高压电机。配电系统应考虑两种：低压电动机和高压电动机。如第5.4.4节所讨论的，余热回收的应用可以通过采用由背压汽轮机驱动的CO2压缩机来降低约7100kW的电力负荷。如考虑这个选项，预投资可以用于预留连接余热锅炉的接口，以便于未来的CO2捕集改造。5.5.10化学加药系统和蒸汽、水分析系统由于CO2捕集改造对蒸汽冷凝水和给水化学处理方面没有新的要求，因此预计无需在化学加药系统上增加捕集预留的预投资。在主生产工艺集成新建捕集设备之后，预期会在热交换器出口监测冷凝水的质量，作为冷凝水加热的一部分还可在胺洗涤吸收装置中进行。可以考虑在取样管网和操作面板的蒸汽和水分析系统中预先投资，以便于未来添加这些取样点。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究345.5.11工厂管架在下列区域预投资考虑将利于减少新增管道工程所需的改造工程量（参见图7所示的捕集改造所需的管道工程）：•管架结构设计（靠近各自的系统）能允许增加额外的管道荷载；•在各自系统附近的管架上的预留，以容纳新增的管道；•汽轮机厂房中的预先布置大口径的低压蒸汽管道走向。5.5.12控制与仪表胺洗涤吸收单元、CO2压缩单元，以及主装置与捕集设备之间水-蒸汽-冷凝液循环的一体化系统，需要引入额外的控制仪表和控制回路，以确保钢铁厂的可靠和安全运行。由此产生的附加I/OS（输入/输出）需要由工厂控制系统兼容。这将要求额外的控制模块和控制板，监控系统和额外的线缆。基于估算的额外I/O点，预投资需求如下：•工厂控制系统设计包括未来需要的额外的I/O点；以及•工厂控制网络（数据总线）设计时能包容（估计的）未来新增的信号。应当注意，DCS和历史数据系统通常被授权用于指定数量的I/O通道，并且可能不容易被扩展。上述预投资可以消除这种风险，并简化捕集设备控制系统与主装置控制系统的集成。5.5.13安全安全方面预计不需要增加捕集预留上的预投资。5.5.14消防和防火系统工厂消防方面预计不需要增加捕集预留上的预投资。5.5.15工厂基础设施工厂基础设施方面预计不需要增加捕集预留上的预投资。5.5.16蒸汽来源选项所需的蒸汽可以通过两个选项提供，余热回收锅炉或驱动多级CO2压缩机的背压汽轮机。余热回收是供应给胺再生系统的低压蒸汽源的很好的选择。因此，应预留余热锅炉的安装空间，预投资时建议预留用于未来改造时连接现有设施的接口。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究355.5.17实验室分析为了支持CCS工厂的操作，实时实验室吸收剂分析是必不可少的。胺法工艺的分析仪器可能与炼钢所需的分析仪器有很大的不同。然而，仍有可能与钢铁厂共用实验室设备和实验室。因此，预投资只涉及到在建筑设计中预留额外的实验室房间即可。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究366.结论本报告回顾了“碳捕集预留”概念的发展历程，指出随着时间的推移，该概念从狭义的对未来进行捕集技术改造的基本要求，发展到广义的预测并支持未来捕集、运输和封存全流程中的CCS相关需求的理解。本报告重点研究了在中国钢铁厂开展碳捕集与封存预留（CCS-ready）需要考虑的关键因素，包括：•钢铁厂的地理位置决定了其是否适合进行碳捕集。在建设碳捕集装置之后，捕集的CO2能够被输送出去用于地质封存和/或提高石油采收率；•利用选取的碳捕集技术进行钢铁厂改造的技术可行性；•未来在厂区或附近能够提供足够的场地空间容纳碳捕集设备；以及•进行预投资能够在未来改造中减少捕集改造工程量、缩短工厂停工时间。根据本项目对GIS系统的初步分析，中国142个年产量超过一百万吨的钢铁厂中有51个位于潜在CO2-EOR封存地的200公里半径范围内。这为进一步研究钢铁厂CO2封存机会提供可能。本报告回顾了适用于钢铁厂九种烟道气流的多种碳捕集技术的基本要求，为进一步的选择提供依据。对这些捕集技术方案保持持续的回顾和更新，将有助于跟进新兴捕集技术的进展。同样重要的是，要能够确保钢铁厂可以接纳目前可能没有竞争力的新技术，以便当这些新技术变得可行时能够被及时采用。为发展一个满足钢铁厂碳捕集预留要求的概念性设计，本报告对一个年捕集50万吨的假设CCSR项目案例进行了研究。研究假定使用目前最成熟的碳捕集技术：吸收剂选择通用非专利性胺溶液（30wt%MEA溶液），烟气中CO2含量25%，捕集速率70tCO2/h，预期捕集效率90%，使用ASPENPlus过程仿真软件来开发CCSR概念设计。研究结果总结如下：•在本案例研究中，提出了一个概念性的碳捕集系统设计，包括一个含主要工艺物流和设备的胺法吸收过程流程图，物料与热平衡、初步的设备尺寸规格、公用工程消耗以及其他关键工程性能参数；•50万吨规模碳捕集单元需要预留场地约为4000平方米，容纳预处理单元、胺法捕集单元、控制楼以及用于CO2运输和储存的CO2压缩单元等。公用工程供应设施估计需要额外1200平方米的空间。•余热综合利用将有利于在中国钢铁生产中应用CCS。建议采用背压式汽轮机代中国钢铁厂碳捕集封存预留研究37替7100kW大功率电机驱动压缩机进行CO2多级压缩。汽轮机利用余热锅炉回收的蒸汽作功，排出的低压蒸汽然后被送到碳捕集单元的再沸器中，为胺再生提供大约75%的热量（在没有应用MVR工艺热回收方案的工况下）；和•提出了潜在的预投资方案，为未来的碳捕集改造增加便利条件。总而言之，本研究提供了支持工厂捕集预留设计的分析途径和工程设计原则。由于具体的设计和实施取决于钢铁厂所采用的碳捕集工艺类型，因此应用到一个具体的钢铁厂碳捕集预留项目时，将会在前端工程设计（FEED）阶段发展一个更详细的钢铁厂CCS预留概念设计。中国钢铁厂碳捕集封存预留研究38参考文献Arasto,A.,Tsupari,E.,Kärki,J.,Pisilä,E.,&Sorsamäki,L.(2013).Post-combustioncaptureofCO2atanintegratedsteelmill–PartI:Technicalconceptanalysis.InternationalJournalofGreenhouseGasControl,16,pp.271-277.AsianDevelopmentBank(ADB)(2014).CarbonCaptureandStorage(CCS)–ReadyPolicytoFacilitateFutureCCSDeploymentinthePeople’sRepublicofChina.Availableat:https://www.adb.org/sites/default/files/publication/180082/ccs-ready-policy-prc.pdf[AccessedMarch20,2018]Bohm,M.C.,Herzog,H.J.,Parsons,J.E.,Sekar,R.C.,(2007).Capture-readycoalplants–Options,technologiesandeconomics,InternationalJournalofGreenhouseGasTechnologies,1,pp.113-120.ChinaSteelYearbook(2017).TheEditorialBoardofChinaSteelYearbook.ChineseNationalDevelopmentandReformCommission(2013).TheGuidelinestoIronmakingandSteelmakingEnterprisesforAccountingMethodsandReportingofGreenhouseGasEmissionsinChina(trial)’Dahowski,RT.,Li,X.,CL,Davision.,Wei,N.,Dooley,JJ.(2009)RegionalOpportunitiesforCarbonDioxideCaptureandStorageinChina.U.S.Departmen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