（制冷及低温工程专业论文）燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究 摘要 温室气体的过量排放将会造成全球范围内的气温变化，c 0 2 的排放控制及回 收技术已经是当前的一项重要工作。目前的回收技术对整个系统的能耗情况、节 点的相互影响、能量利用的薄弱环节还缺乏整体把握。本文在现有回收技术的基 础上，改进现有的脱除工艺，分析各影响因素对脱除率的影响，进行综合的能耗 分析及热经济性分析。 本文以燃煤电厂烟气为对象，根据燃煤厂烟气中二氧化碳的特点，选择m e a 化学吸收法进行捕集纯化，对m e a 化学吸收法进行了机理分析，探讨了m e a 化 学吸收法的优缺点。 基于p r o i i 软件的a m s i m 模块，建立了m e a 化学吸收法工艺系统的流程 分析模型，分析了吸收温度、吸收剂流量、吸收剂浓度及解吸温度对脱除率、热 负荷、再生率等的影响。分析表明：吸收温度越高，脱除率越高，但吸收温度不 是越高越好，3 0 - - 4 0 是常规系统适宜的温度；吸收剂流量越大，脱除率越高， 但是吸收剂流量选择要适宜，常规系统适宜的吸收剂流量为8 0 1 2 0m 3 h ；吸收剂 浓度越高，脱除率越高，但是吸收剂浓度选择要适宜，常规系统适宜选用吸收剂 浓度为1 5 。2 0 ；解吸温度升高，富液的解吸率随着升高，解吸温度宜取1 0 0 1 2 0 。 以热力学第一定律和第二定律为理论基础，确定了捕集系统的能分析方法， 建立了捕集系统能分析模型，利用黑箱模型对捕集系统进行了热负荷计算，能量 衡算及可用能分析，分析表明：分离过程可用能效率只有1 2 8 。根据炯分析方 法建立了捕集系统的炯分析模型，利用黑箱模型对捕集系统及子系统进行了炯 分析和炯损耗分析，分析表明：再沸器的炯效率最低，吸收塔的炯损耗很大， 有很大的节能潜力。对系统再生能耗进行了分析，分析表明：提高吸收液浓度可 以降低再生能耗，但吸收液质量浓度必定会存在一个极限值巾m a x ；提高富液的 再生度毛，能降低再生能耗秘，但毛不是越高越好：改善贫富液热交换器的换 热性能可以降低总再生能耗。 以热经济学基本思想为基础，确定了适合于捕集系统的热经济学分析方法， 建立了捕集系统热经济学分析模型和炯成本方程，确定了优化目标函数，并对 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究 捕集系统进行了热经济学分析，分析表明：回收c 0 2 大概需要的成本为5 8 2 元t 。 探讨了捕集系统的节能降耗方案，为化学吸收法二氧化碳捕集系统的节能优 化技术奠定了理论基础和经济基础。 关键词：电厂烟气二氧化碳捕集系统节能优化 青岛科技大学研究生学位论文 s t u d yo ne n e r g y 二s a v i n ga n do p t i m i z a t i o n t e c h n o l o g yo fc a r b o nd i o x i d ec a p t u r e d s y s t e mo f f l u e g a si nc o a l f i r e dp o w e r p l a n t a b s t r a c t t h eh i g h e rt e m p e r a t u r eo ft h ew o r l da p p e a r eb e c a u s eo fo v e r m e a s u r eg r e e n h o u s e g a s t h ec o n t r o la n dr e c y c l eo fc 0 2w a sv e r yi m p o r t a n t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o n 、t h e i n t e r a c t i o no fn o d e sa n dt h ew e a k n e s so ft h ew h o l es y s t e mc o u l d n tb eh o l d e d i nt h i s p a p e r , t h ep r o c e s sw a si m p r o v e d , t h ei n f l u e n c e f a c t o r so fr e m o v a lr a t ew e r ea n a l y z e d ， t h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i sa n dt h e m a le c o n o m i ca n a l y s i sw e r ed o n e t h ef l u eg a si nc o a l - f i r e dp o w e rp l a n ti st h eo b j e c ti nt h ep a p e r , m e ac h e m i c a l a b s o r p t i o n m e t h o dw a ss e l e c t e dt o c a p t u r e ，t h em e c h a n i s mo fm e ac h e m i c a l a b s o r p t i o nm e t h o dw a sa n a l y z e d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fm e a c h e m i c a l a b s o r p t i o nm e t h o dw e r ea n a l y z e d t h ep r o c e s sa n a l y z e dm o d e lo fm e ac h e m i c a la b s o r p t i o nm e t h o dw a sb u i l tb a s e d o na m s i mm o d u l eo fp r o i is o l e w a r e ，t h ee f f e c to fc a r b o nd i o x i d er e m o v a lr a t e ， t h e m a ll o a da n dr e g e n e r a t i o nr a t ew i t ha b s o r p t i o nt e m p e r a t u r e ，a b s o r b e n tf l o w ， a b s o r b e n tc o n c e n t r a t i o na n dr e g e n e r a t i o nt e m p e r a t u r ew e r ea n a l y z e d t h ea n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h eh i g h e ra b s o r p t i o nt e m p e r a t u r ew a s ，t h eh i g h e rr e m o v a lr a t ew a s ，t h e b e t t e ra b s o r p t i o nt e m p e r a t u r ew a s3 0 - - - ，4 0 。c ；t h eh i g h e ra b s o r b e n tf l o ww a s ，t h eh i g h e r r e m o v a lr a t ew a s ，t h eb e t t e ra b s o r b e n tf l o ww a sr o u n d8 0 1 2 0 m 3 h ；t h eh i g h e r a b s o r b e n tc o n c e n t r a t i o nw a s ，t h eh i g h e rr e m o v a lr a t ew a s ，t h eb e t t e ra b s o r b e n t c o n c e n t r a t i o nw a sr o u n d1 5 2 0 ；t h eh i g h e rr e g e n e r a t i o nt e m p e r a t u r ew a s ，t h e h i g h e rr e g e n e r a t i o nr a t ew a s ，t h eb e t t e rr e g e n e r a t i o nt e m p e r a t u r ew a s1 0 0 c - 1 2 0 c t h et h e m a la n a l y z e dm e t h o dw a sa n a l y z e db a s e do nt h e m a lf i r s tl a wa n ds e c o n d l a w , t h ee n e r g ya n a l y z e dm e t h o df o rc a r b o nd i o x i d ec a p t u r e ds y s t e mw a sd e c i d e d ，t h e e n e r g ya n a l y z e dm o d e lf o rc a r b o nd i o x i d ec a p t u r e ds y s t e mw a sb u i l t ，t h eh e a tl o a d c a l c u l a t i o n ，e n e r g yb a l a n c ec a l c u l a t i o n ，t h e o r yp o w e rc o n s u m p t i o na n de n e r g ya n a l y s i s 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究 f o rc a r b o nd i o x i d ec a p t u r e ds y s t e mw a sd o n ew i t hb l a c k - b o xm o d e l ，t h ea n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e p a r a t i o nr a t ew a s1 2 8 t h ee x e r g ya n a l y z e dm o d e lf o r c a r b o nd i o x i d ec a p t u r e ds y s t e mw a sb u i l ta c c o r d i n gt oe x e r g ya n a l y z e dm e t h o d ，t h e e x e r g ya n a l y s i sa n de x e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i sw e r ed o n et os y s t e ma n ds u b s y s t e m s w i t hb l a c k - b o xm o d e l ，t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee x e r g ye f f i c i e n c yo f r e b o i l e rw a sl o w e s t ，t h ee x e r g yc o n s u m p t i o no fa b s o r p t i o nw a sv e r yh i g h t h e r e g e n e r a t i o ne x e r g yc o n s u m p t i o nw a sa n a l y z e d ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h eh i g h e r a b s o r b e n tc o n c e n t r a t i o nc o u l dd e c r e a s e r e g e n e r a t i o ne x e r g yc o n s u m p t i o n ，b u t a b s o r b e n tc o n c e n t r a t i o nh a dah i g h e s tv a l u e 巾m a x ；t h eh i g h e rt h er e g e n e r a t i o nd e g r e e 毛w a s ，t h el o w e rt h er e g e n e r a t i o ne x e r g yc o n s u m p t i o nq s , , ，b u t 毛h a dal i m i tv a l u e ； t h eh i 曲p r o p e r t yp o o ra n dr i c h e x c h a n g e rc o u l dd e c r e a s er e g e n e r a t i o ne x e r g y c o n s u m p t i o n t h et h e m a le c o n o m i ca n a l y s i sm e t h o df o rc a p t u r e ds y s t e mw a sb u i l tb a s e do n t h e m a le c o n o m y , t h et h e m a le c o n o m i ca n a l y s i sm o d e la n de n e r g yc o s te q u a t i o nw e r e b u i l t ，t h eo p t i m 娩i n go b j e c t i v ef u n c t i o nw a sd e t e r m i n e d ，a n dt h et h e m a le c o n o m i c a n a l y s i sw a sd o n e ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec o s to fr e c y c l ec 0 2w a s 5 8 2p e rt u n t h es o l u t i o no fe n e r g y - s a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c i n gw a sd i s c u s s e d t h e t h e o r yb a s i sa n de c o n o m i cb a s i sw e r ee s t a b l i s h e df o re n e r g y - s a v i n ga n do p t i m i z a t i o n t h e n o l o g yo fc a r b o nd i o x i d ec a p t u r e ds y s t e mw i mc h e m i c a la b s o r p t i o n m e t h o d a c c o r d i n gt ot h es t u d yi nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c o a l - f i r e d p o w e rp l a n t c a r b o nd i o x i d e c a p t u r e ds y s t e m e n e r g y s a v i n ga n do p t i m i z a t i o n i v 青岛科技大学研究生学位论文 目录 1 绪论1 1 1 课题目的及意义1 1 2c o 。捕集技术2 1 3 研究综述4 1 3 1c o ：捕集方法比较4 1 3 2c o 。捕集技术的研究现状5 1 3 3c o ：捕集技术能耗研究的现状7 1 3 4 炯分析法的研究现状8 1 3 5 热经济学分析的研究现状9 1 4 本文主要研究内容及方案1 0 2 化学法捕集烟气c 0 。机理分析1 2 2 1 电厂烟气的特点1 2 2 2 化学吸收法机理分析1 3 2 2 1m e a 化学吸收法吸收剂性质1 3 2 2 2 化学吸收法捕集c 0 ：的机理1 4 2 2 3m e a 化学吸收法介绍及特点1 5 2 3 化学吸收法捕集c 0 2 系统流程1 5 2 3 1m e a 化学吸收法捕集c o 。工艺流程1 5 2 3 2 化学法捕集c o 。系统主要设备1 7 2 4 本章小结1 9 3c o 。捕集系统工艺流程模拟2 0 3 1 工艺流程模拟软件2 0 3 2c o 。捕集系统流程模拟模型2 2 3 3 化学吸收法吸收剂的选择研究2 3 3 4 捕集系统运行参数的模拟分析2 3 3 4 1 吸收温度的变化模拟2 4 3 4 2 吸收剂流量的变化模拟3 0 3 4 3 吸收剂浓度的变化模拟3 3 3 4 4 解吸温度对解吸率的影响3 7 3 5 本章小结3 8 4 二氧化碳捕集系统热力学分析4 0 v 0 o o 1 4 4 4 4 山山 石 一基一一一论一一 一理 一 一一的一一一析一一一分础一一学基一一力的一 一热析法析统分方分系学析学工力分力化热热 勘m l 2 3，1工1工 4 4 4 4 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究 4 2 热力学分析方法研究4 2 4 2 1 常用分析模型4 2 4 2 2 热力学分析平衡模型4 2 4 3 二氧化碳捕集系统能量分析4 3 4 3 1 二氧化碳捕集系统能量分析模型4 3 4 3 2 二氧化碳捕集系统能量分析4 3 4 4 二氧化碳捕集系统炯分析5 3 4 4 1 系统炯计算基础5 3 4 4 2 二氧化碳捕集系统炯分析模型5 5 4 4 3 二氧化碳捕集系统炯分析5 6 4 5 捕集系统再生能耗分析6 5 4 5 1 系统再生能耗分析6 6 4 5 2 再生能耗影响因素的分析6 8 4 6 本章小结7 3 5 二氧化碳捕集系统热经济学分析7 5 5 1 热经济学的基本内容7 5 5 1 1 热经济学的基本思想7 5 5 1 2 热经济学分析方法7 5 5 1 3 热经济学的特点7 6 5 1 4 热经济学的几个概念7 6 5 2 捕集系统的热经济学分析基础7 7 5 2 1 热经济学分析基础7 7 5 2 2 热经济学分析法的模式及特点7 8 5 2 3 热经济学矩阵方程介绍7 8 5 2 4 热经济学的孤立优化模式7 9 5 2 5 工程经济学的主要概念8 0 5 3 捕集系统热经济学分析模型8 4 5 3 1 捕集系统热经济学模型8 4 5 3 2 捕集系统炯成本方程8 5 5 3 3 捕集系统的优化目标函数8 7 5 4 二氧化碳捕集系统热经济学分析8 8 5 5 本章小结9 7 6 捕集系统节能降耗方案研究9 8 6 1c o 。捕集系统节能优化措施9 8 6 2 本章小结1 0 2 总结与展望1 0 3 总结1 0 3 展望】0 3 青岛科技大学研究生学位论文 参考文献1 0 5 致谢1 1 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文1 1 1 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究 符号说明 系统进口能量k j 系统出口能量k j 系统进出口能量差k j 能量效率 系统进口炯k j 系统出口炯k j 系统有效炯k j 系统炯损耗k j 玩 鲍 可 峨 青岛科技大学研究生学位论文 g a t r , 耽 x c 0 2 刁 g l c 0 2 r ，g , c 0 2 l k m 妇 g c 0 2 a q c o , 缸昭，j 西2 0 胞2 0 g 日2 0 r p 2 d ，p c m 热源温度k 节点温度k 高温流体热力学平均温度 低温流体热力学平均温度 节点熵值k j 炯损耗k j 吸收剂富液再生总能耗k j h 富液升温所需显热k j h 解吸c 0 2 所需的反应热k j h 从再生塔排出的再生气( h 。0 ，c o ：) 所带走的热量k j h 吸收剂溶液的比热k j ( k g k ) 贫富液热交换器的性能因子k 吸收剂溶液的循环量m o l h 烟气中c o ：的摩尔流量m o l h 二氧化碳的脱除率 吸收剂富液和贫液的c o 。负荷能力m o l m o l 吸收液循环倍率 吸收液中活性成分的摩尔质量k g m o l c 0 。产量m o l h 单位c 0 2 再生所需的平均反应热k j m o l 离开再生塔的气体和冷凝回流水的焓值k j m o l 某一温度下水的蒸发热k j m o l 离开再生塔的水蒸汽量m o l h 再生塔上部的回流比 再生气中水蒸汽和c 0 2 的分压m p a z 霉 s k 如 9 9 如 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究 炯成本单价元k j 产品的单位炯成本元k j 收益炯成本元 消耗炯成本元 收益炯单价元 消耗炯单价元 外部输入子系统的能量流的炯值k j 炯流向量 产品炯的单位成本元 系统的年总成本元 年输出产品炯流k j 由外部输入的原料炯流的单位成本元 由外部输入原料炯流k j 子系统的年度化成本元 决策变量集合 现金系数或整付折现系数 本金元 年利率 年末本金加利息元 梯度现金系数 均匀梯度级数系数 残值元 清理费元 电单价元 x +、 h v 肠 唧 硼 掰 ， 矿 g k 置 e g q e c q融k q w、锄 m a ，f 一 一册c 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题目的及意义 1 绪论 温室气体的过量排放将会造成全球范围内的气温变化。据气候模型预测，到 2 1 0 0 年，全球平均温度将因温室气体的排放上升1 4 - 5 8 。c ，在所有温室气体中， c 0 2 气体的排放量最大，且对温室效应的贡献超过6 0 t 1 1 。以化石燃料为主要能 源的电厂生产中排放出的c 0 2 量占c 0 2 排放总量的3 0 左右1 2 1 。在未来的几十年 里，化石燃料利用量的持续上升将导致c 0 2 排放量的不断增加，如不加以控制， c 0 2 的过量排放将会造成环境的继续恶化。基于此，1 9 9 7 年，1 2 4 个国家签署了 京都议定书，规定了2 0 0 8 2 0 1 2 年全球c 0 2 的排放量要比1 9 9 0 年的c 0 2 排 放量平均降低5 2 3 1 。火电厂是c 0 2 的集中排放源，因而研究火电厂c 0 2 的排 放控制及回收技术已经是当前的一项重要工作，对应对全球变暖、温室效应问题 具有重要的意义。 在降低c 0 2 排放所带来的影响的措施上，不外乎控制c 0 2 的产生和回收处理 c 0 2 两种策略。提高电厂发电效率，降低电厂的煤耗指标，减少发电用煤炭的实 际消耗量，是我国发电厂减少c 0 2 排放的一个主要途径。现有的回收处理技术治 理烟气中的c 0 2 费用昂贵，不仅消耗巨大电能，影响发电效率，还使电厂投资上 涨。由于二氧化碳储量有限，而且缺乏大规模捕集纯化工业废气和烟道气中二氧 化碳的技术，使二氧化碳的供应总量有限而且价格昂贵。据美国b c c 研究公司 于2 0 0 8 年7 月发布的报告，2 0 0 7 年全球碳捕集技术市场价值8 8 7 亿美元，预计 2 0 1 2 年将超过2 3 6 3 亿美元。利用溶剂吸收烟气中c 0 2 的捕集技术具有最大的市 场份额，预计到2 0 1 2 年将增加到1 0 7 0 亿美元。而燃烧前捕集技术估算2 0 0 7 年 为3 4 6 亿美元，并将达到2 0 1 2 年1 2 4 9 亿美元。燃烧捕集技术现为5 亿美元，并 将达到2 0 1 2 年2 0 亿美元。因此，研究回收c 0 2 技术及降低耗能势在必行。 目前国内在二氧化碳捕集纯化系统节能降耗方面取得了巨大的进步，在单项 技术节能、工艺调整合等方面取得了重大进展，先后建立了一批示范工程，取得 了较好的经济效益和社会效益，但由于二氧化碳捕集系统点多面广线长，混和气 吸收，分离解析，换热器换热等过程中用热点多，工艺复杂，对整个系统的能耗 情况、节点的相互影响，能量利用的薄弱环节还缺乏整体把握，在二氧化碳捕集 纯化系统用能的分析评价方面尚未形成一套有效适用的评价方法，目前的二氧化 碳捕集纯化系统节能工作还缺乏整体规划，节能工作还存在一定的盲区。目前， 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究 二氧化碳捕集纯化系统的运行主要采用分块管理的模式运行，缺乏整体协调优 化，系统能量的利益仍然存在不合理的地方。 总之，在现有回收技术的基础上，改进现有的脱除工艺，分析各影响因素对 吸收效率的影响，进行综合的能耗分析及热经济性分析，对实现二氧化碳的低成 本捕集纯化和高品质资源化利用，具有重大的经济效益和社会效益。 1 2c 0 。捕集技术 从燃烧排气中分离回收c 0 2 的技术目前主要有吸收分离法、膜分离法、吸附 分离法、富氧燃烧技术、低温分离法、复合分离法和化学链燃烧技术等。 ( 1 ) 吸收分离法 吸收法按照吸收分离原理的不同，又可分为化学吸收法和物理吸收法。 化学吸收法是通过c 0 2 与溶剂发生化学反应来实现c 0 2 的分离并借助其逆反 应进行溶剂再生，通常采用热碳酸钾或者醇胺类水溶液作为吸收剂，具有较高的 c 0 2 吸收率，分离出的c 0 2 纯度可达9 9 9 9 ，适合c 0 2 浓度较低的混合气体的 处理。物理吸收法中，溶剂对c 0 2 的吸收是按照物理溶解的机理进行的，c 0 2 在 溶剂中的溶解遵循亨利定律，适用于较高c 0 2 分压的烟气。通常燃煤电厂烟道气 中的c 0 2 浓度较低( 3 1 5 ) ，因此通常采用化学吸收法。电厂烟道气脱除c 0 2 的流程包括：待处理的烟气经冷却、除水后进入胺吸收塔，塔内装有填料m e a 溶液和烟气逆流通过吸收塔，在此过程中m e a 溶液吸收烟气中的c 0 2 ，分离出 c 0 2 后的烟气经水洗后排入大气，吸收了c 0 2 的富液进入热交换器预热后进入再 生塔，再生塔操作温度为1 0 0 , - - - 1 2 0 。c ，在再生塔中解吸出c 0 2 的贫液经过过滤、 冷却后再回到吸收塔循环利用，塔顶出口c 0 2 经压缩、脱水后通过管道输送处理。 ( 2 ) 吸附分离法 吸附法可分为变压吸附法( p s a ) 法和变温吸附法( t s 舢法及变温变压吸附法 ( r r s a ) 。p s a 法是基于固态吸附剂对原料气中c 0 2 有选择性吸附作用，在高压时 吸附，低压时解吸的方法，该技术于1 9 6 2 年实现工业规模的制氢。t s a 法是通 过改变吸附剂的温度来进行吸附和解吸的。吸附法常用吸附剂有沸石、活性炭、 分子筛、氧化铝凝胶等。 吸附法原料适应性广，无设备腐蚀和环境污染，工艺过程简单，能耗低，压 力适应范围广，但吸附解吸频繁，自动化程度要求高，需要大量的吸附剂，更适 合于c 0 2 浓度为2 0 - 8 0 的工业气。烟道气含c 0 2 量较低，需要大量的能量去 压缩8 0 无用组分来满足吸附压力，而且需要预处理烟气中的h 2 0 和颗粒物，以 2 青岛科技大学研究生学位论文 免吸附剂表面力减弱。 ( 3 ) 膜分离法 膜分离法分为气体分离膜法和气体吸收膜法两类。 气体分离膜技术依靠待分离混合气体与薄膜材料之间的化学或物理反应，使 得一种组分快速溶解并穿过该薄膜，从而将混合气体分成穿透气流和剩余气流两 部分。气体分离薄膜的分离能力取决于薄膜材料的选择性和两个过程参数，即穿 透气流对总气流的流量比和压力比。目前常见的气体膜分离机理有两种：第一种 是气体通过多孔膜的微孔扩散机理；第二种是气体通过非多孔膜的溶解扩散机 理。研究发现，大多数聚合物均存在渗透性和选择性相反的关系，即渗透性高的， 选择性则低，反之，选择性高的，渗透性则不能令人满意。此外，也不耐高温和 化学腐蚀，易被污染，不容易清洗等。 气体吸收膜技术与气体膜分离技术相比，在薄膜的另一侧有化学吸收液存 在，气体和吸收液不直接接触，分别在膜两侧流动，膜本身对气体没有选择性， 只起隔离气体和吸收液的作用，通过吸收液的选择性吸收达到气体分离的目的。 ( 4 ) 低温蒸馏法 低温蒸馏法是通过低温冷凝分离c 0 2 的物理过程，一般是将烟气经过多次压 缩和冷却后，引起相变从而分离烟气中的c 0 2 。主要用于从油田伴生气中分离提 纯c 0 2 ，然后将其重新注入油井循环使用。目前，对于烟道气低温蒸馏法脱除c 0 2 还处于理论研究阶段。据荷兰研究机构计算，常规燃煤电厂未采用脱c 0 2 的燃煤 电厂发电效率是3 8 ，采用低温蒸馏脱除8 5 的c 0 2 后，效率是2 6 。美国d a v y m k c e e 公司设计了mc 0 2 低温蒸馏分离法，除尘后的烟气脱水并压缩到3 0 a t m ， 压缩烟气在热交换器中和出口气与蒸发的c 0 2 进行热交换后被冷却，约有一半 c 0 2 的被液化后分离，气体被送到下一个吸收塔中被溶液吸收，吸收塔低部的溶 剂送到再生塔再生，并循环利用，9 0 以上的被回收，纯度达9 7 ，该法的能量 消耗为燃煤能量的5 5 - - 9 5 。 蒸馏法对于高浓度( 含量为6 0 ) 的c 0 2 的回收较为经济，适用于油田现场。 从c 0 2 回收塔塔底得到的液体c 0 2 便于运输储存，经泵加压后，再注入油井， 提高原油产量，可节省大量能耗，而且可以副产燃料气，供油田需要，但该法设 备庞大、能耗较高、分离效果较差，一般很少使用。 3 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究 1 3 研究综述 1 3 1c 0 ：捕集方法比较 油田自备电厂烟气具有气体流量大、c 0 2 的分压较低、出口温度较高、含有 大量惰性气体等特点，从上节的分析中可以看出，目前烟道气中c 0 2 的各种回收 技术都存在一些缺点：精馏法需要低温操作，能耗较高、分离效果较差、且成本 较高，不适应中小规模的生产；吸附法回收率低、吸附剂容量有限、需要频繁进 行吸附和解吸、要求自动化程度较高；物理吸收法选择性差、回收率低、经济性 不佳、运行成本和能耗都比较高；膜分离法需要i j 级处理、脱水和过滤，且很难 得到高纯度的c 0 2 ；化学吸收法吸收剂在循环过程中吸收剂损失太大、再生能耗 比较高等缺点。考虑到燃煤电厂烟气中c 0 2 的特点，化学吸收法对燃煤电厂烟气 中c 0 2 的脱除是一种较好的选择。 在国际能源署温室气体研究和开发计划组织( g h g r & d ) 的协调下，世界上 一些机构共同对4 种典型电力生产系统采用各种烟气分离c 0 2 的方法进行了分 析。4 种电力生产系统分别是：( 1 ) 亚临界煤粉锅炉电站p ，代表了目前最为 普遍和成熟的发电技术；( 2 ) 燃气联合循环电站( n g c c ) ，当今广泛应用的发电 技术；( 3 ) 整体煤气化联合循环电站( i g c c ) ，代表着今后一二十年内将快速发 展的发电技术；( 4 ) 采用0 2 c 0 2 技术的煤粉燃烧电站，是一种更为长远的控制 电站c 0 2 排放的发电技术。几种分离法的经济性比较如表1 1 【4 l 。 表1 - 1 各种分离法经济挂比较 t a b 1 - 1e c o n o m i cc o m p a r i s o no fs e p a r a t i o nm e t h o d s 表1 - 1 给出了亚临界煤分电站锅炉采用化学吸收法、膜吸收法，膜分离法， 变压吸附法及变温吸附法经济性比较的数据，对于变温、变压吸附法，由于过高 的烟气压缩和脱水脱硫费用，而没有考虑价值。膜分离法对电厂效率的影响最小， 4 青岛科技人学研究生学位论文 但是脱除c 0 2 成本最高，发电成本也最高，使电力生产成本增长了5 9 。膜吸收 法和化学吸收法对电厂发电效率影响比膜分离法稍大，但是两法使电力生产成本 增长5 3 左右。化学吸收法脱除的成本最低，膜吸收法脱碳成本为4 5 $ tc 0 2 ，两 者均低于膜分离法，从长远来看化学吸收法更有潜力。 1 3 20 0 ：捕集技术的研究现状 化学吸收法脱除c 0 2 因其效率高而且处理量大而得到了广泛深入的研究和应 用【5 】，所用化学溶剂一般是k 2 c 0 3 水溶液或醇胺类水溶液，醇胺类吸收剂主要有 m d e a 、m e a 、d e a 和a m p 等【6 】。最初，一些学者在用热钾碱溶液、氨水吸收 c 0 2 方面做了很多工作，近年来，以醇胺类溶液为吸收剂，又发展了一批脱碳工 艺。传统的热钾( 钠) 碱法不断发展，涌现了很多改良工艺，这些工艺在热碳酸 钾溶液中添加不同的活化剂，以加快c 0 2 的吸收和再生速度，降低能耗。例如 g v 法，原来使用舡2 0 3 活化，现采用无毒的氨基乙酸活化；c a r s o l 工艺、c a t a c a r b 工艺、b e n f i e l d 即苯菲尔法，均采用烷基醇胺类活化剂；f l e x s o t h 工艺采用空间位 阻胺作为活化剂，s c c - a 法是采用二乙烯三胺e 咒a ) 活化【1 7 1 。醇胺法脱碳工艺从 上世纪3 0 年代问世以来，已有7 0 余年的发展历史。早期主要以一乙醇胺( m e a ) 为溶剂。1 9 5 0 年后，针对法国、加拿大净化大量含高h 2 s 与c 0 2 天然气的要求， 成功开发了以二乙醇胺( d e a ) 为溶剂的新工艺【8 l 。2 0 世纪5 0 年代后期，二异丙醇 胺( d 口舢开始应用于天然气和炼油厂气体净化，国外称此工艺为a d i p 法【叭。1 9 6 4 年，壳牌公司开发成功的s u l f i n o l 溶剂是醇胺法工艺的一项重大进展，国内通常 称之为醇胺法工斟9 j 。美国从1 9 7 8 年起先后投运了四个m e a c 0 2 回收装置【5 1 ，用 填料塔分离c 0 2 用于驱油。日本关西电力会同三菱重工在大阪界港火电厂建立了 以胺络合物为吸收液的化学吸收法的试验装置，可回收烟气中9 0 的c 0 2 ，纯度 高达9 9 9 ，后又扩大到6 0 0 n m 3 h 处理量的试验装置，胺络合液解吸出c 0 2 后 可循环使用【1 0 l 。1 9 8 0 年后，甲基二乙醇胺( m d e a ) 回收二氧化碳得到了广泛应 用【1 1 】。2 0 世纪9 0 年代以来，胺法工艺最重要的进展是根据各自不同的特性，结 合它们的优点，从而改善c 0 2 处理过程，普遍采用配方型溶剂。m e a 法在工业 上的应用最为广泛。用于吸收c 0 2 的主要化学溶剂是胺类化合物【1 2 1 ，如一乙醇胺 ( m e a ) 、二乙醇胺( d e a ) 、四基二乙醇胺( m d e a ) 、二乙二醇胺( d g a ) 等。 1 9 9 1 年4 月日本在南港发电厂( 排烟量1 7 0 1 8 0 万s m ) 内设置的一排烟气脱 除c 0 2 化学吸收法中试装置开始运转。该装置采用美国e c o n a m i n ef g 流程， 处理量6 0 0 n m 3 h 回收率9 0 ，回收量2 t d ，回收的c 0 2 纯度9 9 9 ，结果得出 了能量消耗数据：蒸汽消耗0 9 0 1 0 6 k c a l t c 0 2 ，电能消耗1 2 0 舢c 0 2 和溶剂 5 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究 损失2 k g tc 0 2 【1 0 l 。意大利学者1 9 9 9 年做了3 2 0 m w 电厂脱c 0 2 的模型，发现用 3 0 m e a 脱碳并液化，在当时的化工技术水平上不可行，由于巨大的投资，发电 成本增加了1 倍多【1 0 l 。a r o o n w i l a s 掣1 3 , 1 4 】研究了填料塔内m e a 溶液吸收c 0 2 的 传质特性，得出以下结论：气量变化对总体积传质系数的影响不大；吸收液流量、 吸收液浓度增加，总体积传质系数都会增大；温度从两个方面影响传质系数，一 方面温度升高会加快气液反应传质，另一方面，由于h e n r y 常数的影响，温度升 高有可能使传质系数变小。j a m e s l l 5 1 的研究结果认为，c 0 2 去除效率和填料层高度 是指数关系，在3 8 4 5 温度范围内，温度对脱除率的影响可以忽略不计。在传统 的化学脱除过程中，用一乙醇胺( m e a ) 法脱除c 0 2 已进行了广泛的研究，并成功 地用于化工厂的c 0 2 回收，其成本为每脱除一吨c 0 2 约3 4 51 4 1 。 工业上化学吸收法工艺中存在的问题有【1 6 】： ( 1 ) 捕集工艺能耗大。吸收塔操作温度为4 0 。6 5 ，这意味着烟气进入吸收 塔前必须降温；再生塔操作温度为1 0 0 。1 2 0 ；出口烟气在进入大气前需要重新 加温。 ( 2 ) 吸收剂效率低 吸收剂在循环过程中对c 0 2 吸收效率不高，运行过程中损失大，吸收剂溶液 氧化损耗，并对系统产生腐蚀以及发泡现象。 ( 3 ) c 0 2 回收成本高 利用现有的工艺回收c 0 2 费用每吨在5 0 0 - 6 0 0 元左右，回收成本偏高，可 能使得电厂的费用增加1 3 t 1 6 1 。c 0 2 捕集分离的目标是使c 0 2 回收过程经济可行， 这对分离工艺的模拟优化改进提出了严峻要求。 ( 4 ) 国内缺乏中、大型c 0 2 捕集纯化系统设计和建设的工程实践经验。 ( 5 ) 以塔式设备为核心吸收系统反应效率低、设备庞大、操作弹性小、开 停车比较困难。 c h u e 等【r 7 】人1 9 9 6 年用p s a 技术从烟道气中分离回收c 0 2 ，采用三塔装置， 对于c 0 2 体积分数分别为1 5 和2 5 的烟道气，回收率分别为2 0 和5 3 ，c 0 2 纯度均达到9 9 。2 0 0 0 年以色列s o l m e e s 公司【1 8 】成功研究了利用己获专利的多孔 性固体吸附剂从化石燃料发电厂烟道气中吸附c 0 2 的化学温度吸附法( c r s a ) 。英 国伯明翰大学和皇家科学大学【1 9 l 正在研究一种以水滑石为吸附介质的c 0 2 回收 法，此吸附剂能从2 0 8 3 0 2 的烟道气中回收c 0 2 ，脱除率可达9 7 。我国在 1 9 9 1 年开始研究应用吸附法，南化院已推出1 0 0 多套装置。 1 9 7 9 年，美国m o n s n a o t 公司【驯首次推出膜分离器，用于从合成氨厂弛放气 中回收氢气，并一举获得成功。美国e n v i r o g e r i e s s y s t e m 公司【2 1 1 1 9 5 3 年开发出一 种名为“o a s e p 的膜分离装置，是采用醋酸纤维素不对称膜的螺旋卷式膜组件， 6 青岛科技人学研究生学位论文 从天然气中分离回收c 0 2 。到1 9 9 0 年，全世界有1 0 0 0 多套的氢气膜分离装置投 入运行【2 2 1 。目前膜分离法已经成功应用于炼油尾气、合成氨驰放气氢回收等领域。 荷兰psk u m a r 博士【2 3 1 以牛黄酸钾和氨基乙酸钾为主进行了一系列基础研 究，如吸收液粘度、气体溶解度和扩散系数等。加拿大学者【1 2 l 以n a o h 和d e a 为吸收液，对气液有效接触面积、气液相传质系数和体积传质系数进行了分析。 新加坡学者【1 2 】以a m p 、d e a 、m d e a 为吸收液，研究了膜内径、膜长度、吸收 液等对传质的影响，并建立数值模型描述了吸收剂和c 0 2 在吸收边界层的浓度分 布情况。近几年国际上对膜吸收法脱除电厂烟气