（环境工程专业论文）火电厂烟气二氧化碳捕获装置的设计与优化.pdf

华北电力：大学硕士学位论文 摘要 温室效应对地球的危害日渐显著，燃煤电厂是c 0 2 的主要排放源，缩减火电厂 c 0 2 的排放量是控制我国c 0 2 排放总量的重点。 本文详细分析了m e a 、m d e a 、热钾碱法和氨法四种化学吸收法脱碳工艺的特 点，运用灰色层次分析理论模型，从环保性能、技术特性、经济性能、社会效益四 个角度，综合评价了这四种脱碳工艺，确定了它们的性能优劣次序；分析研究了影 响脱碳效率的因素；针对某燃煤电厂6 0 0 m w 机组，选择了喷氨法脱除烟气中二氧 化碳的工艺，完成了烟气脱碳系统的总体设计，采用电厂提供的数据，对烟气脱碳 系统进行了物料平衡计算，并且用语言编写了物料平衡计算程序；选择确定了 喷淋塔的结构尺寸以及塔内的部分主要辅助设备；利用n u e n t6 2 数蚴研锋软件， 采用s i m p l e 算法进行计算，模拟并分析了气流分布板、烟气入口角度以及喷氨速度对吸 收塔内流场的影响，确定了较佳的烟气入口角度和合适的喷氨速度，建议设定喷淋塔烟气 入口角度为上倾斜1 6 0 左右，液氨的喷入速度应该尽量选择与塔内烟气流速相近。 本文的研究结果可为喷氨法脱除二氧化碳系统的设计和运行提供一定的参考。 关键词：火电厂；二氧化碳；氨法脱碳；数值模拟：设计优化 华北电力大学硕士学位论文 、 a b s t r a c t f o u rk i n d so f r e p r e s e n t a t i v ef l u eg a sd e c a r b o n i z a t i o nw e r ec o m p a r e da n de v a l u a t e d ，a g r e ys y n t h e t i cd e c i s i o nm a k i n gs y s t e mw i t hu s eo fa na n a l ”i cp r o c e s s ( a h p ) w a s i n t r o d u c e dt 0e v a l u a t e 幽ep e r f 0 册a n c eo ff i u eg a sd e c a r b o n i z a t i o nt e c h n o l o g yf 而mf o u r a s p e c t s ， w h i c hw e r et e c h n o l o g y t e c h n 0 1 0 9 y p e r f b 肿a n c e ， e c o n o m i cp e r f o 珊a n c e ， e n v i r o n m e n t “a n ds o c i a lb e n i 矗t d e c a r b u r a t o nw i t l la m m o n i aa b s o r b i n gp r o c e s sw a s r e g a r d e d a so n eo ft h em o s ti n f l u e n t i a l t e c h n o l o g y i n a d d i t i o n ， a m m o n i am e t h o d d e c a r b u r i z a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e df o r6 0 0 m wu n i t t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h e d e c a r b 戚z a t i o ne 施c i e n c yw e r ee l a b o r a t e d ，t h em a t e a lb a l 蚰c ea p p l i c a t i o nw a sw t i t e d b y l a n g u a g e ，a n d 也ea p p l i c a t i o nw a sh e l p m lf o rd e s i g n e r a tt h es a m et i m e ， a b s o 印t i o nt o w e rs t n j c m r e ( d i a m e t e r h e i 曲t ) w a sd e s i g n e d ，a n dt h e nc a e do nt h e n u m b e rs i m u l a t i o no ft h ea i rd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i cw i t hs o f h v a r eo ff l u e n t6 2 d e t e 册i n e dt h eb o u n d a 叫c o n d i t i o n s ，c a l c u l a t e dw i t hs t a n d a r dk 2 e q u a t i o nm o d e la n d s i m p l ea l g o r i t h m ；a n da n a l y s e di n f l u e n c eo fa i rd i s t b u t i o nb o a r d ，e n t 叮a n 9 1 eo ff l u e g a sa n ds p r a ya m m o n i as p e e do nf l o wf i e l d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea i r f l o wd i s t r i b u t i o n c 锄b eu n i f 0 册e db ys e n i n gu pa i rd i s t r i b u t i o nb o a r d a n dt h er 0 1 eo fa i rd i s 研b u t i o n p l a t e 、v a sa f ， i 】阿n e da n dd e t e n n i n e dar e a s o n 乏i b l ea n 9 1 eo fe n t 啪c ef l u ea n dao p t i m a l s p e e do fs p r a y i n go fa m m o n i a t h en u m 丽c a ls i m u l a t i o nr e s u l ti sm o r er e a s o n a b l ea n d c a nb e u s e da sm er e f e r e n c eo fo p t i m i z i n gt h es 仇】c t u r a ld e s i g n0 f s p r a yt o w e r s t r u c t l l r e k e y w o r d s ：p o w e rp l a n t ；c a 小o nd i o x i d e ；a m m o n i am e t h o dd e c a r b u l i z a t i o n ；n u m e r i c a l o p t i m i z a t i o n ；d e s i g no p t i m i z a t i o n i i 华北电力：大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及其意义 温室效应对地球的危害日渐显著，连续几年的持续高温以及2 0 0 8 年初南方的 雪灾就是最好的例子。气候变化已成为影响人类可持续发展，社会可持续发展的问 题之一。近几年，随着国际政治形势、经济形势的重大变化，更是成为全世界各个 领域最为关注的问题【1 4 】。c 0 2 约占温室气体的6 0 。燃煤电厂是c 0 2 的主要排放 源【5 。6 】。燃煤每发l 度电要排放出1 k 二氧化碳和7 9 硫，二氧化碳的排放量正随着 人类利用能源速度的增长而迅速的增长，人类活动产生的二氧化碳从1 9 9 7 年的2 7 l 亿t a 增长到2 0 l o 年的9 5 0 “a 【7 j 8 ，9 】，随着经济的持续发展，这一比例仍将扩大。联 合国气候变化委员会( i n t e m a t i o n a lp a n e lo nc l i m a t ec h a n g e ，i p c c ) 已将燃煤电厂 c 0 2 捕集和封存作为2 0 5 0 年温室气体减排目标最重要的技术方向【1 训。因此，缩减 火电厂c 0 2 的排放量是控制我国c 0 2 排放总量的重点。 目前，燃煤电厂c 0 2 捕集主要包括：燃烧后捕集，燃烧前捕集和富氧燃烧捕 集。这三种技术有着各自的适应性和优缺点。其中，燃烧后捕碳技术适应于现有几 乎所有燃煤电厂。燃烧后捕集技术主要基于化学吸收法，捕集二氧化碳最常用的吸 收剂是m e a 和氨溶液。近几年，许多研究机构、高校学者对氨水脱除烟气中c 0 2 的技术可行性、经济可行性进行了探索研究，指出利用喷氨法对电厂烟气中污染物 联合脱除，有望实现较低程度降低电厂效率，并将电价上涨控制在2 0 以内1 2 1 。 氨水与c 0 2 的反应过程中，吸收剂的吸收容量相对较高，与m e a 比较，氨的吸收 效率可达9 9 以上，吸收能力可以高达1 2 k g c 0 2 l ( g n h 3 。氨的再生比较容易，回 收可得到高纯度的c 0 2 。所得副产品n h 4 h c 0 3 可以用作农业上的氮肥，具有一定 的经济效益；而且氨可以同时捕获多种酸性气体而且不用担心被氧化降低活性。在 查阅分析相关文献的基础上，得出氨是一种非常有前景的吸收基，所以本文选用氨 水作为捕获二氧化碳的吸收剂。 电厂的烟气流量相对较大，而且对吸收剂的需求也大。如果不能再生，不仅浪 费吸收剂，而且会造成严重的二次污染，因此燃烧后烟气中c 0 2 的捕获法一般都 采用吸收一再生系统，氨法吸收烟气中的c 0 2 也是采用吸收一再生系统。学者们 最氨吸收的研究一般都是基于吸收过程，对再生过程的研究相对较少，这是因为再 生系统的模拟是一个难点。对于经典的c 0 2 捕获系统中，由两个塔吸收塔和再 生塔组成。在模拟过程中，我们一般遵照强适应性的原则。目前氨法的研究比较少， 而且对传统的模拟也不详细具体，因此，鉴于各种存在的问题，本研究将以最典型 华北电力大学硕士学位论文 的吸收一再生系统作为研究对象，用系统模拟的方法，来探索液氨高效吸收剂 在脱除电厂烟气中c 0 2 时的效果，为实际电厂的运用和推广提供理论技术支持， 因此具有一定的理论指导价值和现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 9 9 7 年，b a i 等【i4 j 提出利用氨水从电厂烟气中捕获c 0 2 ，并在半连续鼓泡吸收 装置中对影响氨水溶液c 0 2 脱除效率和吸收能力的因素展开研究【1 5 】，此后，各研究 机构相继利用鼓泡吸收反应器、搅拌釜、填料塔、筛板塔、超重床等对氨溶液脱除 模拟电厂烟气中c 0 2 开展试验研究，考察氨水浓度、烟气中c 0 2 浓度、气液接触程 度( 通过气体流率、吸收塔结构等反映) 、吸收反应温度、烟气中其他气体及重金 属、再生方式等因素对氨水脱除c 0 2 效率、吸收能力、吸收速率、主要产物、吸收 剂循环利用等各方面的影响；使用a s p e np l u st m 等商用软件对电厂烟气氨水脱碳 系统进行模拟，探讨其技术、经济可行性【1 6 1 7 ，18 1 。k pr e s n i k f l 9 】等人建立了系统， 该系统的目的是从含有s 0 2 、h c l 、n 0 x 等杂质的烟气中分离c 0 2 。相对于m e a 法，这个系统的吸收剂再生的耗能相当低，据估计可以降低7 5 。同时，m e a 得 的活性会被酸性气体污染，但是n h 3 的活性却不会受到任何影响。h - b a i 和a c y e h 【2 0 捌l 开发了半开式系统。试验结果表明，氨吸收剂去除c 0 2 的效率可以达到9 9 ， 甚至达到1 0 0 ，吸收容量达到1 2 0 蝇c 0 2 l 喝n h 3 ，而m e a 的吸收能力才为0 4 0 埏 c 0 2 起m e a 。 n p c c 申请了氨水吸收锅炉烟气中c 0 2 的专利，对烟气中的c 0 2 的捕集和螯合 进行初步的试验研究工作：建成了连续流程的单塔试验台，并进行了煤粉燃烧产生 的实际烟气喷淋氨水脱除c 0 2 的脱除率和产物分析的试验研究【2 2 1 。获得了初步试验 结果：在实际烟气c 0 2 浓度为1 0 9 ，等数据的阶段成果。张君等【2 3 】采用碟片式旋 转超重力场强化氨水常压吸收烟气中低浓度c 0 2 的方法。实验研究了氨水浓度，c 0 2 初始浓度与c 0 2 脱除效率和氨的逃逸量的关系，并分析了产物样品的热物理性质， 证实产物主要成份是n h 4 h c 0 3 。c 0 2 初始浓度越低，达到相同的c 0 2 脱除效率需 要时间越长，并且c 0 2 的吸收率随时间延续而降低；氨水浓度越高，c 0 2 的脱除效 率就越高，同时随着氨水的质量分数增加，氨的逃逸量也会增加，因此氨水质量分 数在l o 左右为宜。 刁永发等【2 4 】采用筛板吸收塔，在常压的条件下，模拟烟气中c 0 2 的吸收。实验 结果表明：当氨水吸收c 0 2 的脱除效率超过9 0 时，进口c 0 2 浓度对氨水吸收c 0 2 脱除效率影响不大：一旦氨水浓度增加，氨水吸收c 0 2 的速率和达到平衡状态时的 脱除效率也会增大。刁永发等【2 5 】还对利用氨气加水蒸汽喷射法同时脱除烟气中c 0 2 和s 0 2 作了进步研究。试验表明在低含湿量条件下，c 0 2 气体还被吸附在( n h 4 ) 2 华北电力大学硕士学位论文 s 0 4 和n h 4 h c 0 3 晶体的空隙里。张谋等【2 6 】同样采用半连续湿式反应器，设定试验 条件为：氨水浓度2 0 3 0 ，氨水流率0 5 4 l m i n 。结果证明氨水作为吸收剂要比 m e a 效果好。利用液n h 3 作为吸收剂，吸收烟气中的c 0 2 生产化肥碳酸氢铵的方 法，目前还存在一些不确定的因素【2 。 实验研究是系统模拟的基础，一般情况下我们仅研究液氨的吸收过程，对再生 过程缺乏一定的了解。所以对于捕获系统的发展，我们亚全面综合掌握它的信息， 以达到节能的目的。在经典的捕获系统中，最核心的设备就是吸收塔和再生塔，所 以，几乎所有的改进都是以为了提高吸收塔或者再生塔的效率和降低能耗为目的 的。目前，大量研究都是针对选择怎么的吸收剂来达到技术上可行，经济上节约的 目的。液氨与m e a 相比，具有自己的显著优点：吸收能力强；活性不会受到其他 酸性气体的污染；对设备的腐蚀性小；需要的再生能耗低；物美价廉；同时可脱除 多种酸性气体；尤为重要的是技术成熟。基于上述这些优点，本研究选用液氨作为 吸收剂，以最典型的吸收一再生系统作为研究对象。氨水是非常有发展前景的吸收 剂，我们有理由相信氨法脱除燃煤烟气中的c 0 2 会成为一种全新的、广泛应用的、 最有前景的c 0 2 捕集技术。 1 3 课题研究的主要内容 本文在在查阅文献的基础上，了解国内外二氧化碳捕获系统的研究进展，最终 选择用系统模拟的方法研究二氧化碳氨捕获系统，以达到优化捕获系统的目的；本 文选用氨作为吸收剂。主要研究以下几方面的内容： ( 1 ) 调研综合分析国内外的氨法脱碳工艺系统，选择适合喷氨法的吸收塔型， 并对脱碳系统及其各种辅助设备进行筛选，针对某企业两台6 0 0 m w 机组，设计了 一套氨法脱碳系统。 ( 2 ) 分析影响脱碳效率的因素，根据某企业提供的电厂运行数据，对所选吸 收塔塔型做物料衡算，为吸收塔本体设计提供一定的数据参数，并且使用编程 语言编制物料平衡计算程序。 ( 3 ) 进行吸收塔本体经验设计，并且确定塔内结构尺寸及相应的辅助设备。 ( 4 ) 对设计的吸收系统进行数值模拟与优化。模拟并讨论气流分布板，吸收 塔烟气进口角度、喷氨速度对吸收塔内流场的影响，并讨论分析优化结果。 ( 5 ) 对选取的四种典型的化学吸收法做综合评价，评价其优劣性能，探讨脱 碳系统投资建设的可行性。 华北电力大学硕士学位论文 第2 章脱碳工艺比较及烟气脱碳系统总体设计 火电厂是重要的c 0 2 集中排放源，要想减少c 0 2 的排放量，主要是控制c 0 2 的生成量，以及回收处理生成的c 0 2 量。c 0 2 脱除技术一般包括化学吸收法、物理 吸附法、膜分离法、和低温分离法等【2 9 1 。本文只介绍几种典型的化学吸收法。 2 1m e a ( 一乙醇胺) 脱碳系统 2 1 1m e a ( 一乙醇胺) 脱碳法工艺的基本原理及工艺流程 传统的回收烟气中c 0 2 主要采用以一乙醇胺为主溶剂的m e a 法。m e a 法回收 c 0 2 的反应原理： c 0 2 + 2 h o c h 2 c h 2 n h 2 h o c h 2 c h 2 h n c o o 。+ h o c h 2 c h 2 n h 3 十 ( 2 1 ) m e a 法回收c 0 2 的工艺流程： 烟气经洗涤冷却后南引风机送入吸收塔，其中大部分c 0 2 被溶剂吸收，尾气由 塔顶排人大气；吸收c 0 2 后的富液从塔底流出，由塔底经泵送至冷凝器和贫富液换 热器，回收热量后送入再生塔；再生出的c 0 2 经冷凝后分离除去其中的水分，得到 纯度大于9 9 5 的c 0 2 产品气，送入后续工序：再生气中被冷凝分离出来的冷凝液送 入地下槽，用泵送至吸收塔顶洗涤段和再生塔作为回流液使用；部分解吸了c 0 2 的 溶液进入再沸器，使其中的c 0 2 进一步再生；再生塔底部出来的贫液经贫富液换热 器换热后送至水冷器，最后进入吸收塔顶部。此溶液往返循环构成连续吸收和再生 c 0 2 的工艺过程。该法工艺流程如图2 1 ： 2i8 图2 1m e a 法回收c 0 2 流程图 1 冷却塔2 风机3 吸收塔4 富液泵5 冷凝器6 换热器7 再生塔8 贫液泵9 ，1 0 水冷器1 1 再 沸器1 2 分离器1 3 地下槽，回流泵1 4 胺回收加热器1 5 过滤器 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2m e a ( 一乙醇胺) 法工艺主要特点 ( 1 ) 无腐蚀，一乙醇胺溶液对c 0 2 的吸收能力高，而对合成气中的其他成份 吸收能力低。 ( 2 ) 一乙醇胺溶液对c 0 2 的吸收速率显著的大于其他吸收剂。 ( 3 ) 极易获得c 0 2 分压低的贫液，出口的c 0 2 设计值可低于5 0 0 p p m 。 ( 4 ) 溶液的循环量较低，动力消耗较低，运行费用低，并且吸收塔和再生塔 尺寸小，设备小，投资少。 ( 5 ) m e a 容易被空气中的氧气氧化，m e a 还能够与c 0 2 发生反应生成氨基 甲酸酯，其具有强腐蚀性，容易造成设备腐蚀。 ( 6 ) 吸收塔操作温度为4 0 6 5 c 。，这意味着烟气进入吸收塔前必须降温，同 时出口烟气在进入大气前需要重新加温；在吸收塔内气液直接接触，不可避免会产 生乳化、起泡、溢流、夹带等现象，使烟气后净化系统复杂。 美国w r a 丌i o rr u n 电站和s h a d yp o i n t 电站均采用了m e a 脱碳技术，西安热工研究 院和华能集团共同在北京热电厂建设了3 0 0 0 吨年烟气c 0 2 捕集试示范工程。该工程 选用了m e a 作为c 0 2 的吸收剂，这是我国第一套燃煤电厂c 0 2 捕集装置，该装置的 技术指标均达到了国际先进水平。c 0 2 纯度可达到9 9 6 以上。该示范工程是我国 c 0 2 减排技术在燃煤发电领域的首次应用。 目前，m e a 法脱碳技术已经成熟，并成功地应用于化工厂的c 0 2 回收，许多其 他c 0 2 吸收法都是在m e a 法的基础上发展起来的，但此法仍然有许多缺点。因此， 有必要对该技术进行改进，以降低成本，提高吸收剂的利用效率【3 0 ，3 1 】。 2 2m d e a ( n 一甲基二乙醇胺) 脱碳系统 2 2 1m d e a ( n - 甲基二乙醇胺) 脱碳法工艺的基本原理及工艺流程 m d e a 的主要成分为n 甲基二乙醇胺，吸收液由5 0 胺类、2 促进剂、2 稳 定剂和4 6 的水组成，在加压条件下吸收气体中的c 0 2 ，氮、氢气在溶液中溶解较 少。反应机理如下： 2 ( h o c 2 h 4 ) 2 n c h 3 + c 0 2 + h 2 0 = ( h o c 2 h 4 ) 2 n h c h 3 + 2 。c 0 3 ( 2 - 2 ) 【( h o c 2 h 4 ) 2 n h c h 3 + 】2 。c 0 3 + c 0 2 + h 2 0 = - 2 ( h o c 2 h 4 ) j n h c h 3 + h c 0 3 。 ( 2 3 ) 工艺流程如下： 由变换工段来的变换气，经变换气分离器除去油水后进入吸收塔底部，气体在 塔内与半贫液、贫液逆流接触，吸收气体中的c 0 2 ，使净化气中的c 0 2 体积分数降至 o 2 以下：净化气出塔后依次经过净化气冷却器、净化气分离器送至后序工段；来 华北电力大学硕士学位论文 自气提塔的气提气在低压闪蒸槽内自下而上与高压闪蒸槽减压来的富液逆流接触 解析后的气体依次进入再生气冷却器、再生气分离器，回收冷凝液后送至尿素工段： 由脱碳塔底部出来的脱碳富液，经脱碳泵带的透平机回收能量后进入高压闪蒸槽内 闪蒸，闪蒸后的富液减压进入低压闪蒸槽；解析后的溶液一部分经半贫液泵打入脱 碳塔中部，另一部分由常压泵抽至溶液换热器与气提后的溶液换热，提高温度后进 入气提塔顶部，经部分气提后，自气提塔中部引出进入再沸器加热，加热后的气液 混合物经主气提塔进一步气提，气提后的贫液经溶液换热器降温，由贫液泵打入脱 碳塔顶部p o 3 1j 。 2 2 2m d e a ( n 甲基二乙醇胺) 脱碳法工艺的主要特点l 3 2 3 ( 1 ) m d e a 的最大优点就是能耗低，尤其是新建装置能耗更低；净化烟气处 理c 0 2 残余量小。 ( 2 ) 处理废料的问题上，m d e a 作为吸收剂没有腐蚀性，所以用此吸收剂后， 废料没有毒性，有回收的价值。 ( 3 ) 设备管道允许采用廉价碳钢材料；其热消耗热低；而且吸收液中没有固 体产生。 ( 4 ) 吸收塔温度和再生塔温度都比较低；有较好的节能效果；净化产物分析 项目少；无环保问题；有易于改造别的项目。 ( 5 ) 烟气中的s 0 2 和n o x 与胺容易生成热稳定性盐类，导致吸收液不能再生， 溶剂降解，因此必须在脱除c 0 2 之前除去5 0 9 0 s 0 2 。 ( 6 ) 设备庞大，不易维修保养。c m d e a 法脱除c 0 2 是7 0 年代德国b a s f 公司开发出来的一种低能耗新方法。后来 还有许多改进的m d e a 系统，但是都是根据各自的实际条件进行的，有利有弊。我 们不可否认m d e a 系统在市场运作上做了大量工作，但是选择什么样的脱碳工艺要 视具体情况而言，综合考虑不同方面的因素。而不是单纯的从经济角度去考虑。 2 3 热钾碱脱碳法口1 3 2 3 3 3 2 3 1 热钾碱脱碳法工艺的基本原理及工艺流程 该法采用碳酸钾溶液作为吸收剂。在吸收和再生阶段发生的化学反应如下： 吸收：k 2 c 0 3 + c 0 2 + h 2 d - 2 k h c 0 3( 2 - 4 ) 再生：2 k h c 0 3 = k 2 c 0 3 + c 0 2 + h 2 0( 2 5 ) 工艺流程如下： 由变换工段来的变换气( 2 2 m p ，2 1 0 0 c ) 分别进入变换气煮沸器l 和变换气煮 华北电力大学硕士学位论文 沸器2 ，加热脱碳贫液及半贫液，出来后经分离器进入脱碳塔底部，在塔内与从塔顶部 来的冷贫液、热贫液及塔中部来的半贫液逆流接触，脱除变换气中的c 0 2 ，使塔顶 出口碱洗气中的c 0 2 体积分数降到0 2 ，再经碱洗气分离器分离其中的液体部分，进 入下一工序。 从吸收塔底部出来的脱碳富液经脱碳泵带的透平机回收能量后，进入加压再生 塔顶部闪蒸段低压闪蒸，闪蒸气大部：分是c 0 2 和水蒸气；闪蒸后的溶液大部分形成 脱碳半贫液，由半贫液泵送至脱碳塔中部，其余少部分溶液经变换气煮沸器1 进一 步加热解析后，进入贫液槽闪蒸形成脱碳贫液，经贫液泵及贫液冷却器形成热贫液 与冷贫液，送至脱碳塔顶部进入塔内。 以加压再生塔顶出来的再生气作为动力气，经喷射器抽吸常压再生塔顶部出 来的被吸气，并与之混合后进入喷射器冷却分离器冷却，经再生气分离器分离冷凝 水后送至尿素工段。 2 3 2 热钾碱脱碳法工艺的特点 据调查，目前全国约有7 0 的大、中型合成氨厂均采用热钾碱工艺脱碳。国内 外针对不同温度、压力和组成的混合气体发明了各种工艺流程来改进热钾碱脱除 c 0 2 工艺。其中，低供热源变压再生脱碳工艺被广泛应用于国内大型合成氨生产装 置的脱碳工段，该工艺具有能耗低、净化度高和二氧化碳回收率高等优点。其特点 如下： ( 1 ) 此法适用于气体中c 0 2 分压为o 1 4 p m 或更高时，再生效率与c 0 2 分压 成正比。 ( 2 ) 采用冷的支路，特别是具有支路的两段再生流程可以得到高的再生速率， 从而使精华尾气中的c 0 2 分压很低。 ( 3 ) 在通常的操作条件下，脱硫要比脱碳快1 0 1 5 倍，杨硫化碳几乎全被热 碳酸钾溶液水解成c 0 2 和h 2 s 。 ( 4 ) 浓度为l 0 0 0 4 0 0 0 p p m 的重铬酸盐，五氧化二钒或钒酸盐都可以作为碳 酸盐一碳酸氢盐溶液的缓蚀剂。因此，大部分设备可以用碳钢制作。 ( 5 ) 将贫液或半贫液闪蒸可以回收低压蒸汽。将此蒸汽注入再生塔中( 用热 泵) 可使热的净消耗减少1 5 3 0 。 ( 6 ) 该脱碳工艺存在腐蚀问题，因而在一些容易腐蚀的地方一般采用不锈钢 制作，或者是在溶液中加入防腐蚀剂。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 e c o ：法脱碳( 氨法) 2 4 1e c 0 2 脱碳法( 氨法) 工艺的机理及工艺流程 烟气喷淋氨水吸收c 0 2 形成碳酸氢铵是一个复杂的气一液化学反应【3 5 】，而且均 为可逆反应，其总的化学反应过程如下： n h 3 + h 2 0 + c 0 2 = n h 4 h c 0 3( 2 - 6 ) 实际反应过程比较复杂，其反应过程概括如下： 2 n h 3 + c 0 2 = n h 2 c o o n h 4( 2 7 ) n h 2 c o o n h 4 水解 n h 2 c o o n h 4 + h 2 0 = n h 4 h c 0 3 + n h 3( 2 8 ) 同时，n h 3 和h 2 0 反应生成n h 4 0 h ： n h 3 + h 2 0 = n h 4 0 h( 2 - 9 ) 水解产生的n h 4 h c 0 3 与n h 4 0 h 反应生成( n h 4 ) 2 c 0 3 ： n h 4 h c 0 3 + n h 4 0 h = ( n h 4 ) 2 c 0 3 + h 2 0( 2 一l0 ) q 吼) 2 c 0 3 吸收c 0 2 形成碳酸氢铵： q m 4 ) 2 c 0 3 + h 2 0 + c 0 2 = 2 n h 4 h c 0 3( 2 1 1 ) 实际工况中一般都采用氨水喷淋的方法【3 4 1 。 e c 0 2 工艺流程如图2 - 2 所示： 烟道气 l 烟道气 出口 c 岛 纯度 - 9 9 9 图2 2e c 0 2 法回收c 0 2 工艺流程图 华北电力大学硕士学位论文 经过除尘、脱硫等处理后的烟气在初步冷却和增压后，从下部进入吸收塔；在 塔内与自塔顶喷射的低浓度氨溶液( 1 0 左右) 接触，烟气中的c 0 2 与低浓度氨发 生化学反应形成碳酸氢铵弱联结化合物；脱除了c 0 2 的烟气从吸收塔上部排出：吸 收了c 0 2 的富液经富液泵抽离吸收塔，在贫、富液热交换器中与贫c 0 2 吸收液( 简 称贫液) 换热；进入再生塔，在热的作用下解吸c 0 2 ，从而得到吸收能力的再生； 释放出的主要成分为c 0 2 的气流经过冷凝和干燥后进行后处理，可工业利用或经压 缩、输送后储存；再生塔底的贫液在贫液泵作用下，经过热交换后，冷却至吸收反 应最佳温度，从吸收塔顶部喷入，进行下次吸收一再生循环。 2 4 2e c 0 2 脱碳法( 氨法) 工艺的主要特点 氨水作为新型吸收剂，它主要有以下几方面的优点：较高的吸收c 0 2 的能力， 氨水脱碳效率可达9 5 9 9 ，甚至1 0 0 ；不会造成腐蚀问题；在烟气环境下不会 降解：可使吸收剂补充量降到最小；运行成本低：再生所需能量低。e c 0 2 工艺的优 点：蒸汽负荷小；产生较浓的c 0 2 携带物；较低的化学品成本：副产品可供销售； 可实现多污染物控制。 大量研究表明，脱除烟气中的c 0 2 时，氨水优于m e a 溶液主要表现在：( 1 ) 氨 水吸收c 0 2 的反应不是纯放热反应；( ：2 ) 1 ok g 氨可吸收1 0 k g 以上的c 0 2 ：( 3 ) 氨水 易于再生、可得到高纯度的c 0 2 ；( 4 ) 副产品n h 4 h c 0 3 是氮肥，具有一定的经济效 益；( 5 ) 氨水可以用作联合脱硫脱硝的吸收剂，因此该法占用设备及场地很少，相 对经济【珀j 。 最近，用氨水脱除烟气中c 0 2 的技术得到了广泛关注。美国p o w e rs p a n 公司开 发了e c 0 2 捕集工艺，可用氨水捕集电厂烟气中的c 0 2 。b p 替代能源公司与p o w e r s p a n 公司正在开发和验证p o w e rs p a n 公司基于氨水的c 0 2 捕集技术，准备把该技术 商业化应用于燃煤电厂【3 4 1 。 2 5 上述四种脱碳工艺的综合评价 烟气脱碳技术受多种因素的地影响，本文根据火电厂的实际情况，参考相关文 献，从技术、经济、环保、社会效益四个方面综合考虑建立如表2 1 评价指标。选 取4 种典型的脱碳技术进行分析评价，它们分别是：t l ：m e a 脱碳法；t 2 ：m d e a 脱碳法；t 3 ：e c 0 2 脱碳法；t 4 ：热钾碱法。本文基于3 0 0 m w 的电厂数据。 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 四种脱碳工艺参数比较 指标类型 评燃t lt 2t 3t 4 脱碳效率c 1 ， 8 5 9 59 5 9 8 9 8 9 8 环 对周围环 保 较，j 、小小无 性 境的影响c 2 能 脱碳副产物的处理和可综合利用并 不洲可综合利用可综绷 可资源化c 3 销售 工艺成熟度c 。商业化商业化国内应用试验阶段 技术的复杂程c 5较复杂 较简单 较复杂较复杂 蓬 系统升级性能c 6 较好好较好好 占地面积( 3 0 0 m w 较，j 、较大大很小 机组) c 7 ，m 2 负面影响c 8大小 较，j 、 小 单位脱碳成本c 9 高 较高 高较低 经 回收c 0 2 的纯c l o 瑚 9 9 9 9 5 9 9 霾 电耗占总发电量的比 大较小 较，j 、 较小 例c l l ， 维修费用( c 1 2 ) 高较低较高较低 为社会提供c 0 2 产品较多较多 较多多 莛 的种类c 1 3 蠢 为社会提供c 0 2 产品 中等 较好较好好 的质量c 1 4 2 5 1 确定参考数列并对指标进行无量纲化处理 从同一评价指标中选取最优数据作为参考数列。指标之间因为具有不同的量 纲，无法统一评价，所以必须进行无量纲化处理，在无量纲化处理前将定性指标量 化。量化采用专家评议法，根据公式( 2 1 ) 进行无量纲化，将表2 1 的数据无量纲 化，数值如表2 2 。根据公式( 2 2 ) 确定评价矩阵f 。 华北电力大学硕士学位论文 群( k ) ：) c i 圭翠i 鼍 2 1 ( 滓0 ，l ，2 ，m ；l ( 1 ，2 ，n ) 式中毪( k ) 、分别为第i 种方案的第k 个参评指标的原始数据和无量纲化处理 后的数据。 s ，( 七) =唧n 叫柘( 七) 一x 删二! 竺竺型墨生二兰型( 2 - 2 ) k 七) 一工删+ p m 叫x 一( 酬 表2 乏4 种烟气月桶韪豺嘲嘲翡标的因素 指标类型 评懒t it 2 t 3 t 4 脱碳效率c 1 ， 9 0 9 6 5 9 99 8 环 保 对周围环境的影响c 2 0 6 0 70 9 0 7 性 能 脱碳副产物的处理和资源化c 3 o 1 0 60 6 0 6 蓬 工艺成熟度c 4 0 - 9 o 9 0 90 9 技术的复杂程c 5 0 50 5 0 6 0 6 技 系统升级性能c 6 0 70 9 o 9 o 9 术 特 占地面积( 3 0 0 m w 机组) c 7 0 4 o 4 0 4o 4 性 负面影响c 8 o 6 o 9 o 9o 7 单位脱碳成本c 9 o 4 o 6 0 6o 4 经 济 回收c 0 2 的纯度c 1 0 ， 9 9 59 9 8 9 9 8 9 9 8 特 性 电耗占总发电量的比例c l l 0 3 0 7o 7 o 7 维修费用c 2 0 3 o 6 o 60 5 社 为社会提供c 0 2 产品的种类c 1 3 o 7 0 8o 9 o 8 盆。 石 效 益 为社会提供c 0 2 产品的质c 1 4 0 6o 6 0 80 6 华北电力大学硕士学位论文 2 5 2 确定权重 根据本文所述的评价指标、评价模型和权重确定方法进行计算。计算结果如下：第层 次的喙数，第二层次的权重系数如表2 3 ，2 4 。 表2 3 第一层指标的权重值 目标项 b lb 2b 3 b 权重值 o 3 6o 2 10 3 1o 1 2 表2 4 第二层指标的权重值 b i指标项c lc 2c 3 权重值0 6 9 o 2 0o 1 l b 2 指标项 c 4c 5c 6c 7c 8 权重值o 4 60 0 9 0 1 50 0 50 2 4 b 3指标项c 9c 1 0c 1 1c 1 2 权重值 0 4 l0 2 30 1 20 2 3 b 4指标项c 1 3c 1 4 权重值o 3 30 6 7 2 5 3 灰色多层次综合评价的计算 用表2 2 中的因素值，从环保l 生能、技术陛毙、经涉科懿邕社会效益4 个角度，构造矩阵 f l ，f 2 ，f 3 ，f 4 ，再| 分另0 代入公式( 2 2 ) ，计算相应的关联系数值s 附) ，得蛩陕联系数矩砗e l 、 e ：i o 7 0o 8 0o 8 2o 7 7 i lo 8 7 o 8 90 8 9o 8 8i lo 7 9 0 9 lo 9 lo 7 7i 1 2 华北电力大学硕士学位论文 最后可得出总的评价结果向量为： d = 凡e = 【o 7 8 o 8 4o 8 9 c i 8 2 】 2 5 4 评价结果分析 根据最大关联度原则对烟气脱碳工艺进行评价可知： ( 1 ) 从环保性能和技术性能的结果来看，e c 0 2 脱碳法( 氨法) 相比来说都是 最佳的； ( 2 ) 从经济性能评价结果来看，e c 0 2 脱碳法( 氨法) 与m d e a ( n - 甲基二乙 醇胺) 脱碳法相同； ( 3 ) 从社会效益评价结果来看，e c 0 2 脱碳法( 氨法) 优于其他方法； ( 4 ) 烟气脱碳技术综合排名次序为：t 3 、t 2 、t 4 、t l 。 显然在e 述条件下建电厂时，喷氨法为综合指标下的优先考虑对象。这是因为喷氨法 脱碳工艺的脱除效率高，脱碳产物可以资源化，投资成本比较低，污染小，运行维 护费用也相对较低，可以带来很大的社会效益，而目还可以同时脱除烟气中的n q 和 s q ，电澍提目前电厂月兑除c q 的理想方法。 2 6 某电厂烟气脱碳系统的总体设计 目前国内外氨法脱碳系统的研究比较少。而且一般的流程也没有详细具体的模 拟。因此，本研究将以最典型的吸收一再生系统作为研究对象。在此经典系统上设 计符合某电厂的氨法烟气脱碳系统。本课题设计了一套烟气脱碳系统，该系统由烟 气系统、吸收剂供给系统、贫富液系统、冷却水循环系统，补液系统、压缩空气系 统和d c s 集散控制系统组成。这几个子系统可以概括为两部分。一是以吸收塔和 再生塔为核心的二氧化碳捕集系统，辅助设备有喷水冷却设备、增压设备、加热器、 酸气冷凝器、分离器及回流系统；二：是c 0 2 精处理系统，主要是c 0 2 压缩、除湿、 提纯、液化和储存。二氧化碳的捕集有两个过程，一是二氧化碳吸收过程，一是二 氧化碳再生过程。本文主要阐述二氧化碳捕集系统中以吸收塔为中心的c 0 2 吸收过 程，如图2 3 。 华北电力大学硕士学位论文 c ( ) 2 回收控制系统 图2 3 二氧化碳捕集系统( 以吸收塔为中心的c 0 2 吸收过程) 2 6 1 烟气系统 脱碳系统是安装在脱硫除尘系统之后的。烟气系统是按照石灰石湿法脱硫工艺 的烟气系统来设计。烟气系统的主要设备有引风机及其入口调节阀，调节阀的主要 功能是将烟气引入脱碳系统吸收塔底部。入口调节阀在引风机启动后打开。 2 6 2 冷却水循环系统 冷却水循环系统的主要设备是两台冷却水循环泵及其出口电动门，出口电动门 随冷却水循环泵联开联关。冷却水循环系统主要用来冷却解吸c 0 2 后的贫液。 2 6 3 贫富液系统 富液系统主要设备有两台富液泵及其出口电动门，出口电动门与富液泵联开联 关。富液系统的主要功能是吸收c 0 2 后的富液由塔底经泵送入贫富液换热器，回 收热量后送入再生塔。 华北电力大学硕士学位论文 贫液系统主要设备有两台贫液泵及其出口电动门，出口电动门与贫液泵联开联 关。溶液贮槽溶液进贫液泵连通电动门。其主要功能是解吸c 0 2 后的贫液由再生塔 底流出，经贫富液换热器换热后，用泵送至水冷器，冷却后进入吸收塔。同时，通 过溶液贮槽溶液进贫液泵连通电动门补充吸收溶液。 2 6 4 吸收剂供给系统 该系统的主要设备有碱泵及其出口电动门，碱槽搅拌器。碱泵出口电动门与碱 泵联开联关。它的主要功能是给整个系统补充吸收剂。特别注意的是当碱槽液位低 一值时保护停碱槽搅拌器；当碱槽液位低二值时保护停碱泵。 2 6 5 补液系统 补液系统主要设备有两台补液泵及其出口电动门。补液出口电动门与补液泵联 开联关。该系统的主要功能是将再生塔分离出的纯度很高的c 0 2 中的夹带的液体回 收后再补充回再生塔。 2 6 6 吸收再生系统 吸收再生系统是烟气脱碳系统的核心部分，用作烟气脱碳系统的塔形有多种， 一般根据吸收剂的不同，塔形不同。本课题的吸收剂是液氨，适合液氨的塔形主要 有喷淋塔和填料塔，考虑到喷淋塔的结构简单、阻力小、操作简单，而且技术比较 成熟，应用也较广泛，而且吸收效果好，维修更是方便，所以在本课题采用喷淋塔。 喷淋塔的种类有多种，本课题选用逆流式多层喷淋塔。喷淋塔的结构可以分为三个 区：吸收区、洗涤区、气体区，其结构简图见图2 4 。每个区都有自己的作用，关 系着系统的稳定运行。 考虑到实际情况，本课题只研究吸收塔。吸收塔按喷淋塔设计。如图2 4 。 图2 - 4 喷淋塔结构简图 气体区 洗涤医 ( 气涟j e 备e ) 华北电力大学硕士学位论文 2 6 7 其他系统 其他系统主要是以再生塔为主的c 0 2 精处理系统，包括精处理分子筛吸附系统、 冰机压缩机系统、自动控制系统等。 2 7 脱碳系统工艺流程简图 本文设计的烟气脱碳系统工艺流程简图见图2 5 图2 5 脱碳系统简图 本课题由于机组容量大，产生的烟气量大，设计一套脱碳系统会太庞大，太复 杂，而且会带来运行维护上的难度，因此本文拟采用两套上述设计的烟气脱碳系统。 两套系统采用并联的方式。 2 8 本章小结 本章详细阐述了m e a 、m d e a 、热钾碱法和氨法四种化学吸收法脱碳工艺的特 点，并且运用灰色层次分析理论模型，从环保性能、技术特性、经济性能、社会效 益四个角度，综合评价了这四种脱碳工艺，确定了它们的优劣性能次序， 华北电力大学硕士学位论文 第3 章影响c 0 2 脱除效率的因素、吸收系统 的物料平衡计算以及喷淋塔的设计 3 1 影响c o ：脱除效率的因素 3 1 1 氨水浓度对二氧化碳脱除率的影响 由化学反应动力学以及化学平衡移动理论可知，反应物浓度增加，化学平衡正 向移动，生成物浓度就会增加，即随着氨水浓度的增加，c 0 2 脱除效率就会提高。 而且不同浓度范围氨水脱碳试验结果表明，氨水吸收能力可达约1 2 k g c 0 2 k g n h 3 左 右，可实现9 9 以上连续的c 0 2 脱除效率，稀氨水也能达到较高的脱除率。氨水浓 度不宜太高，当氨水浓度超过2 0 时，在吸收塔正常操作温度下，会生成 2 n h 4 h c 0 3 烈h 4 ) 2 c 0 3 h 2 0 复盐结晶，该铵盐的稳定性比n h 4 h c 0 3 还差，特别易 分解而导致氨损失，甚至会导致氨水不平衡【3 7 】。因此，在选择氨水浓度时，我们要 综合考虑脱除效率、经济成本和氨损失等三个主要因素。图3 1 为氨水浓度对c 0 2 脱 除效率的影响【3 8 1 。本文选择氨水浓度1 0 ，预计达到9 0 的脱除效率。 芝 鼍 盖 8 图3 1 氨水浓度对c 0 2 脱除效率的影响【3 8 】 3 1 2 二氧化碳初始浓度对脱除效率的影响 由化学反应动力学以及化学平衡移动理论可知，烟气中c 0 2 浓度增加使其分压 增大，可以提高氨水溶液对c 0 2 的吸收速率，但其脱除率是逐渐降低的。许多研究 试验表明，在连续脱碳过程中，当入口n h 3 c 0 2 满足一定化学计量比时，其对稳态 脱碳效率的影响可