低成本捕集燃煤电厂烟气中CO2技术研究

1、低成本捕集燃煤电厂烟气中CO2技术研究设计者: 指导教师： （华北电力大学环境科学与工程学院，河北省保定市，邮编：071003）摘要：本论文研究了一种低成本燃煤电厂碳捕集方法。系统地介绍了氨法吸收和解吸烟气CO2的工作原理、关键参数、能耗对比等。研究表明，采用此工艺不仅能减少大气中CO2的排放，还能产生有商业利用价值的高纯度CO2，既能达到节能减排的目的，又有潜在的经济价值。关键词：氨法 碳捕集 节能减排 自动控制作品内容简介实验研究了燃煤电厂烟气中CO2捕集技术，普遍适合我国电力企业的节能减排与清洁生产的长远发展目标，并且可实现可持续发展战略。方案主要内容第一部分：用氨水吸收烟气中的二氧化碳

2、，同时达到用氨水吸收烟气中其他成分如SO2的目的。通过实验研究确定最佳氨水浓度、反应时间、pH、烟气流速、氨水流量、烟气温度等影响因素对模拟烟气中多污染物脱除效率的影响。确定CO2脱除的最佳反应条件，为整体脱碳工艺设计提供实验支持。第二部分：对氨法碳捕集过程中脱碳吸收液解吸CO2开展实验研究，研究解吸温度、溶液浓度、pH和CO2担载程度等因素对脱碳吸收液解吸CO2的影响。确定CO2解吸的最佳反应条件。 第三部分：设计工业应用模型，改进工艺流程，设计换热器对烟气余热进行利用，降低CO2吸收和解吸的能耗，以使该技术适合在电厂的大规模应用。创新点和特色（1）实现电厂烟气中CO2的低排放，缓解电厂环境

3、压力；（2）用氨水作为吸收剂，实现了氨的化学循环再生，减少吸收剂成本；（3）有效利用烟气余热，降低CO2的脱除成本，使该技术大规模应用成为可能;（4）通过高纯度CO2的商业利用，实现电力企业的额外利润。应用价值本套实验方案采用氨法脱除烟气CO2具有可行性，能在一定程度上推进“节能减排”工作，有效解决我国燃煤造成的大气污染。工艺设备的运行可采用自动控制系统，操作简单方便，也有利于电力企业的人员结构调整，一方面可以大幅度降低设备设施所需的经济投入，另一方面还可以有效缓解我国CO2排放量持续增长的紧张的局面。总体而言，此技术存在巨大的发展空间。总的来看，该方案可以解决大多数电厂对烟气污染物脱除及排放

4、的标准，且造价低廉，易施工，占地面积小，减轻电厂的经济压力，以达到节能减排的目标。1 研制背景及意义1.1 研究背景随着全球变暖趋势的持续和异常天气现象的频繁出现，温室气体CO2的排放 控制已引起世界各国的高度关注。CO2是最重要的人为温室气体。1750年前65万年中，大气中CO2浓度约为280ppm，到2005年，这一数值上升为379ppm。并且，当前大气中CO2浓度正加速增大1,2。图1为全球CO2浓度变化情况。19602005年，大气中CO2浓度平均每年增加1.4ppm，最近10年（19952005年）这一增幅加大到每年1.9ppm2,3。据国际气候变化控制委员会（IPCC）测算，如果温

5、室气体以目前趋势持续增长，到2030年全球气温将上升1.54.5。图2为全球气温变化情况。而温度的变化将会导致一系列的事件发生，地球温度每上升1.54.5，全球海平面平均会上升0.250.5m，全球气温变暖将会给人类带来空前的灾难，云、风和降雨的方式将会发生改变，因此导致农业生产受到很大的冲击，沿海的生态环境也将遭到破坏，同时也加速土壤中水分的大量流失，大量的农田沙漠化现象严重。 图1-1 全球CO2浓度变化 图1为全球CO2浓度变化情况 图1-2 全球气温变化情况 图2全球气温变化情况 世界上约75%的CO2排放来自化石燃料燃烧，其中，煤炭是一种高CO2排放燃料，单位热量燃煤引起的CO2排放

6、较石油和天然气分别高出36%和61%4。据经济合作发展组织(OECD)和国际能源署(IEA)数据显示，现有电厂CO2年排放量约106亿吨，占全世界排放总量的40.6%，其中燃煤电厂76亿吨，占发电行业排放量的72%。到2020年，全球每年将有65亿吨CO2来自于已投运的电厂5。由于我国能源储备具有“多煤、贫油、少气”的特点，经济发展对能源的供给主要依赖煤炭，随着近年我国GDP逐年提高，煤炭燃烧产生的CO2排量也逐年上升，加上西方国家对石油天然气的利用也不断增加，导致全球CO2排量持续增加。无论是燃烧前脱除系统还是燃烧后捕集系统，其中关键技术都是CO2的分离。根据过程机理，目前CO2分离方法主要

7、有：吸收法、吸附法、膜分离法、低温分离法等。1.2.1 吸收法吸收法根据吸收机理及所采用吸收剂的不同又分为：物理吸收法、化学吸收法、物理化学吸收法。1.2.1.1 物理吸收法物理吸收法就是溶剂吸收CO2仅通过物理溶解作用，CO2与溶剂之间不发生化学反应。1.2.1.2 化学吸收法化学吸收法是利用CO2为酸性气体的性质，以弱碱性物质进行吸收，然后加热使其解吸，从而达到脱除CO2的目的。主要有MEA、DEA法等，目前在化工厂中使用不多，主要用于电厂烟气、石灰窑排放气中的CO2的捕集，其优点是可用于CO2分压和总压均较低的气体中CO2的捕集，缺点是能耗高，腐蚀性强。1.2.1.3 物理化学吸收法其特

8、点是将两种不同性能的溶剂混合，使溶剂既有物理吸收功能又有化学吸收功能。溶剂的再生热耗比物理吸收法高又比化学吸收法低，如环丁砜法、常温甲醇洗法、MDEA法。1.2.2 吸附法吸附法是通过吸附在一定的条件下对CO2进行选择性地吸收，然后通过减压或升温的方式将CO2解吸出来，从而达到分离CO2的目的。1.2.3膜分离法膜分离法是根据在一定条件下，膜对气体渗透的选择性把CO2和其他气体分离开。按照膜材料的不同，主要有高分子膜、无机膜以及正在发展的混合膜和其他过滤膜。1.2.4 低温分离法低温分离法是基于混合气体中不同组分具有不同气化和液化特性将气体分离的方法。CO2的临界温度为31oC，临界压力为7.

9、63MPa，理论上来说，CO2低温分离简单易行，但是随着分离过程的进行，CO2的分压会越来越小，分离会越来越困难，因而造成CO2回收率低。通常低温分离法主要用于CO2含量大于90%的气体CO2的提纯。目前，吸收法是最成熟、应用最广泛的CO2分离技术，用MEA法脱除CO2已进行了广泛的研究，并成功地应用于化工厂的CO2回收。但是，使用MEA技术有很大的不足之处，表现在：成本较高、吸收率慢、吸收容量小、吸收剂用量大、有高的设备腐蚀率、胺类会被其他烟气成分降解、同时吸收剂再生时能耗高等，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6。氨水则优于MEA溶液：氨水吸收CO2的反应不是纯放

10、热反应；吸收能力可以高达1.0kgCO2 /kg氨以上；氨水的再生容易，并且可以得到高纯度的CO2；所得到的副产品NH4HCO3是我国农业上广泛应用的氮肥，具有一定的经济价值。同时因为许多电厂用氨水作为脱硝还原剂， 所以该法占用设备及场地很少，来源方便7。传统的MEA工艺用于CO2脱除，CO2负荷能力低，有高的设备腐蚀率，胺类会被其他烟气成分降解，同时吸收剂再生时能耗高。比较而言，氨水吸收CO2有较高的负荷能力，无腐蚀问题，在烟气环境下不会降解，可使吸收剂补充量减少到最小，再生所需能量很少，而且成本大大低于MEA。1.3研究意义我国是较早批准京都议定书的国家之一，作为一个负责任的大国，对全球温

11、室气体减排作出了应有的贡献。未来，随着我国经济高速发展，能源消耗量还会继续增加，“后京都时代”我国将会面临更大的压力，积极开展CO2减排方面基础性研究，探索符合我国国情的CO2减排之路迫在眉睫。考虑到国际社会要求我国减排温室气体的压力日益增大，开展适合中国国情的火电厂CO2减排技术研究，对于像我国这样的高温室气体排放国家来说至关重要。2 反应机理2.1氨法吸收的机理CO2与氨水溶液主要通过化学反应（1）-（5）吸收CO28，影响平衡时溶液中产物碳酸铵和碳酸氢铵浓度的因素为贫液、氨溶液和二氧化碳负载量。 (1) (2) (3) (4) (5)以上反应可看出， NH4HCO3和(NH4) 2CO3

12、为反应产物，室温时，反应向正反应方向进行，温度在38-60 0C时，反应向逆方向进行，NH4HCO3 和(NH4) 2CO3都能以晶体的方式存在于溶液中9。随着吸收不断进行，水解生成的NH4HCO3 浓度不断增高，当超过它在氨水中得饱和浓度时，就会结晶析出，从而获得副产品碳酸氢铵。2.2解吸CO2机理热再生氨法脱碳技术中，加热富液使 CO2解吸并再生吸收剂的过程主要反应为（6）-（9）10。CO2解吸的过程是氨水吸收CO2过程的逆反应，是吸收反应的产物碳酸氨、氨基甲酸盐和碳酸氢氨受热分解的过程。其中溶液中碳酸氢铵分解生成碳酸铵所需的反应热最少，而碳酸铵进一步解吸CO2消耗的反应热较大。与此同时

13、，液相中部分 NH3和H2O由于液相平衡分压的存在与 CO2一起进入到气相11。2NH4HCO3(aq) (NH4)2CO3(aq)+CO2(g)+ H2O(l)H=26.8 kJmo1-1 (6)NH4HCO3(aq) NH3(aq)+ CO2 (g)+ H2O (l)H=64.0 kJmo1-1 (7)(NH4)2CO3 (aq) 2NH3(aq)+ CO2(g)+H2O(l)H=100.9 kJmo1-1 (8)NH2COONH4 (aq) NH2COOH(aq)+NH3(g)2NH3(g)+CO2(g)H=159.9 kJmol-1 (9) 3 实验部分3.1 氨法脱除二氧化碳3.1.

14、1实验方案采用自组装实验系统进行本实验，模拟烟气利用市售的N2，CO2纯气体按照一定比例配置而成，气体通过定制的模拟烟气缓冲瓶混合均匀。反应器为定制的500mL玻璃容器，容器内放玻璃砂芯漏斗作为鼓泡器，粒径为3050m。鼓泡器距反应器底部2cm。鼓泡反应器置于恒温水浴槽中，以控制温度变化。利用市售硅胶管及玻璃三通连接管路。实验系统如图3所示图3 实验装置图在反应器进气口和出气口连接旁路系统测定气体的浓度，反应结束后对气体浓度进行回测。模拟烟气通过装有一定浓度氨水溶液的鼓泡反应器后通过盛有无水CaCl2的干燥瓶进入红外CO2分析仪。气体体积分数稳定后，利用红外CO2分析仪测定烟气中CO2的初始浓

15、度、反应过程中CO2浓度变化情况以及反应完全后的尾气中CO2浓度。记录下进出口CO2浓度值并计算出CO2的脱除效率。CO2的脱除效率按如下公式计算：式中：为脱除效率；Cin为初始浓度，mg/m3；Cout为反应后浓度，mg/m3。3.1.2实验结果与分析3.1.2.1 氨水质量分数与CO2脱除效率的关系 CO2和N2气混合配置成CO2浓度为12%的模拟烟气，氨水的质量分数分别为5%、10%、12%、14%、15%、16%、18%、20%，同时用去离子水做对比空白试验。总气体流量控制在0.052m3/h，每次试验倒入鼓泡反应器中的溶液量控制在350ml，待气体通入反应器中反应开始时，用二氧化碳分

16、析仪测定出口CO2体积分数，每30秒记录一组数据，温度为室温12。图4为氨水溶液浓度与二氧化碳脱除效率的关系。图4氨水溶液浓度与CO2脱除效率的关系 如图4可知，CO2脱除效率随着氨水质量分数的增加而增加，因此提高氨水浓度有利于CO2的脱除，但当氨水质量分数大于16%后，脱除效率增长缓慢，原因可能是当氨水浓度提高随之氨的溢出量也急剧增加12。因此，认为氨水的质量分数选取16%为最佳，脱除效率可达到91.67%。3.1.2.2 CO2浓度与CO2脱除效率的关系 CO2和N2气混合分别配置成CO2浓度为8%、10%、12%、14%、16%的模拟烟气，总气体流量控制在0.052m3/h。选取质量分数

17、为16%的氨水溶液作为吸收剂。图5为CO2浓度与CO2脱除效率的关系。图5 CO2浓度与CO2脱除效率的关系 由图5可知，CO2的脱除效率随着入口气体中CO2浓度的增加而下降。其原因主要是在氨水浓度和总气体流量一定的情况下，氨水的吸收容量恒定，CO2浓度增加使得NH3/CO2摩尔比值相对减小，反应的推动力减小，不利于CO2的吸收，导致脱除效率的下降13。相对于其他因素而言，CO2浓度并不是选择越低越好，虽然低浓度的CO2可以获得更高的脱除效率，但考虑到电厂燃煤烟气的实际情况，综合经济成本核算，选取CO2浓度为12%较为适宜。3.1.2.3 入口气体流量与CO2脱除效率的关系 CO2和N2气混合

18、分别配置成CO2浓度为12%的模拟烟气，总气体流量分别控制在0.028、0.04、0.052、0.06、0.07m3/h。选取质量分数为16%的氨水溶液作为吸收剂，图6为入口气体流量与CO2脱除效率的关系。图6入口气体流量与CO2脱除效率的关系 由图6可知，随着入口气体体积流量的增大，CO2脱除效率呈下降趋势。其原因是入口气体体积流量增大且CO2浓度不变的情况下，氨水的吸收容量恒定，CO2的量增加促使NH3/CO2摩尔比值相对减小，反应的推动力减小，脱除效率降低14。而入口气体中CO2最佳浓度受到发电厂烟气实际状况、经济效益、排放标准等条件的限制，因此虽然低流量可以产生高脱除效率，但综合考虑，

19、选择0.052m3/h相对比较适宜。3.1.2.4 pH值与CO2脱除效率的关系混合气体中CO2浓度为12%，总气体流量控制在0.052m3/h。选取质量分数为16%的氨水溶液作为吸收剂，测定其原始pH值为12.81，另外配制pH分别为10.26、8.00、6.03、4.00、2.02的吸收剂。图7为pH值与CO2脱除效率的关系。图7 pH值与CO2脱除效率的关系 由图7可以看出，随着pH的减小，CO2脱除效率不断降低。16%浓度的氨水其原始pH值为12.81，随着pH的减小，CO2脱除效率急剧下降，pH值为2.02时脱除效率降低到0.83%，而在相同条件下16%浓度的氨水脱除效率为91.67

20、%。分析可知，CO2为酸性气体，氨水为碱性溶液，所以随着pH值的增大，吸收效率受电离平衡的影响，必然会降低15。3.1.2.5 温度与CO2脱除效率的关系CO2和N2气混合分别配置成CO2浓度为12%的模拟烟气，总气体流量控制在0.052m3/h。选取质量分数为16%的氨水溶液作为吸收剂。控制反应温度从12到60，平均每10测定一个点。图8 温度与CO2脱除效率的关系由图8可知，温度对质量分数为16%的氨水的脱碳效率有一定影响，在40左后脱除效率达到最高，可达到98.03%。从12到40的升温过程中，虽然脱除效率有一定波动，但总体趋势为逐渐升高，这是因为吸收剂中NH4HCO3尚未饱和，使总反应

21、向正方向进行，不断吸收CO2，温度有利于反应的正向进行1620。从40到45，由于NH4HCO3开始出现分解，使总反应逆向进行，不断放出CO2，脱除效率降低。从45开始，随着温度增长，吸收效率呈现缓慢上升趋势。综合上述实验，根据燃煤电厂实际情况以及经济成本核算，选取最佳条件为：氨水质量分数为16%，CO2浓度为12%，入口气体流量为0.052m3/h，较为适宜。3.1.3小结通过研究表明:利用氨水溶液可以有效脱除CO2，实现较高的脱碳效率和较快的脱除速度。脱除效率与氨水质量分数、CO2浓度、入口气体流量、pH值和温度各因素有着密切关系。对实验结果进行分析得出以下结论：1 提高氨水质量分数和pH

22、值均可增大脱除效率；2 本实验取氨水质量分数为16%，而在相同条件下，若增大CO2浓度和入口气体流量，脱除效率则呈现下降趋势；3 温度对氨水的脱除效率影响比较复杂，最佳温度为45；3.2脱碳吸收液解吸CO2实验研究3.2.1实验方案采用自组装实验系统进行本实验，实验使用模拟脱碳吸收液比例的碳化氨溶液，。反应器为定制的500mL玻璃容器，采用集热式恒温加热磁力搅拌器在一定转速下搅拌，解吸气体先通过冷凝器冷凝，再经过干燥管干燥，最后通过红外CO2烟气分析仪测定CO2的浓度，实验装置图如图9所示。 图9 实验装置图接通电热恒温水槽，先用N2吹扫整个系统，启动实时温度、气体浓度记录，向反应器内注入一定

23、体积的待测液。反应开始进行，解吸气中CO2经通过冷凝器冷凝，再经过干燥管干燥，最后通过红外CO2烟气分析仪实时测定CO2的浓度。根据CO2分析仪记录数据和溶液产物进行进一步分析。 本实验采用的计算方法如下：CO2解吸比例反映碳化氨溶液解吸CO2的程度。定义如下：其中， M CO2为解吸CO2总量，单位mol；C0为初始碳化氨溶液中的碳浓度，单位mol/L；VA0为初始溶液体积，单位mL。CO2担载程度溶液中的氨浓度和CO2担载程度作为吸收剂或吸收液的特征参数。CO2担载程度为溶液中的碳浓度与氨浓度之比，CO2担载程度越低，可用来吸收CO2的能力越大。定义如下： 其中， C/A单位是molCO2

24、/molNH3。以对于新鲜氨水溶液，CO2担载程度为0 molCO2/molNH3，而NH4HCO3溶液的CO2担载程度为1 molCO2/molNH3。3.2.2实验结果与分析3.2.2.1 温度对解吸的影响 采用100 mL 1 mol/L NH4HCO3溶液，N2流量0.08 m3/h，磁力搅拌200 rmp，加热恒温为60、70、80、90 条件下，溶液中CO2的解吸比例与温度变化的关系如图10所示。可知：随着反应温度的升高CO2体积浓度先增大后减小，前15 min反应较剧烈，最后逐渐趋于平稳。CO2体积浓度在5 min左右达到极值，且到达极值所需的时间随温度的升高而逐渐减少。由图11

25、不同温度下CO2解吸比例可知，随解吸温度的升高，CO2解吸比例逐渐提高。在60 CO2解吸比例较低为32.82 %，80 和90 时，解吸比例分别提高到59.04 %和67.94 %。NH4HCO3溶液解吸反应属于吸热反应，温度的升高有利于反应向正向移动。从反应的物理状态分析，液相中组分的气相平衡分压随温度的升高而增大，逸出能力增强，液相进入气相的分子数目增多，从而引起CO2解吸速率加快，解吸比例提高。但是在提高解吸温度的同时，需要考虑解吸过程中氨的挥发也会随着温度的上升而增加。图10 不同温度下CO2解吸随时间变化关系 图11 不同温度下CO2解吸比例3.2.2.3 浓度对解吸的影响 由于N

26、H4HCO3常温下易分解，考虑其饱和溶解度（15时饱和溶解度2.17 mlo/L）影响，分别取1.0 mol/L、1.2 mol/L、1.4mol/L、1.6 mol/L、1.8 mol/L、2.0 mol/L 碳化氨溶液各100 mL，在水浴恒温80 ，N2流量0.08 m3/h，磁力搅拌200 rmp条件下进行浓度对解吸过程的影响实验研究，实验结果见图12和图13。由图可知，随着溶液浓度的增加，CO2体积浓度先升高后降低。CO2的解吸比例逐渐提高，但增速逐渐下降，升高的幅度在不断减缓，逐渐趋于定值，解吸比例为72.07 %（原溶液浓度为1.8 mol/L）和72.76 % （原溶液浓度为2

27、.0 mol/L）。由化学反应动力学可知，增加反应物浓度可提高反应正向进行的推动力，其浓度越接近饱和浓度时，CO2的解吸能力越高，但这种能力增高的趋势在变缓。图12 不同浓度下CO2解吸随时间变化关系 图13 不同浓度下CO2解吸比例3.2.2.4 pH值对解吸的影响 溶液中H2CO3、HCO3-和CO32-的含量受pH的影响，随pH的变化而变化，见图14和表221。分别取pH为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0的碳化氨溶液各100 mL，在水浴恒温80 ，N2流量0.08 m3/h，磁力搅拌200 rmp条件下进行pH对解吸过程的影响实验研究，实验结果见图15和图16。

28、表2 全碳浓度分布与pH的关系Table 2 The distribution of species concentrations as a function of pHpHH2CO3HCO3-CO32-2.01.00003.00.99970.00034.00.99570.00435.00.95760.04246.00.70220.30780.00007.00.18650.81320.00038.00.02450.97080.00479.00.00170.95350.044810.00.00010.68030.319611.00.17550.824512.00.02070.979313.00.

29、00200.9980 图13 全碳浓度分布与pH的关系 由图15可知，反应过程中，CO2体积浓度先增大后减小，最后趋于稳定。随着溶液pH的增加，CO2体积浓度最大值逐渐减小，且达到最大值的时间增长，曲线的波动程度逐渐变缓。由图10可知，碳化氨溶液反应后pH随反应前pH的增大而增大，除反应前pH=10.0溶液反应后pH略有减小变为9.6之外，其它5组溶液反应后pH值均高于反应前溶液pH值，且增幅逐渐减小。随pH的增加，CO2解吸比例先增大后减小，pH=7时解吸比例最高约为60 %。加热有利于反应正向进行，由全碳浓度分布与pH的关系和反应方程式(1)(4)可知，pH值越低溶液中H2CO3比例越高，

30、所需反应热越小，相同温度条件下越易释放出CO2，所以原pH=4溶液CO2体积浓度即时最大值最高。pH值越高溶液中CO32-比例越高，H2CO3比例越低，反应越不易放出CO2，所以原pH=10.0溶液CO2体积浓度即时最大值最低。随着反应的进行，溶液pH值随反应进程不断上升，说明CO2解吸出来后，使溶液碱性增强，即吸收CO2的能力逐渐得到恢复。因此，在适当范围内调解溶液pH值为78，有利于提高CO2解吸比例。图15 不同pH下CO2解吸随时间变化关系 图16 不同pH下解吸后pH和解吸比例的变化3.2.2.5 CO2担载程度对解吸的影响 在水浴恒温80 ，N2流量0.08 m3/h，磁力搅拌20

31、0 rmp条件下，用碳酸氢铵、碳酸铵和氨水配制CO2担载程度为0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的碳化氨溶液各100 mL，进行CO2担载程度对解吸过程影响的实验研究，实验结果见图17和图18。由图17可知，随着溶液中CO2担载程度的增加，CO2体积浓度先升高后降低，最后逐渐趋于平稳，曲线波动逐渐明显。随着CO2担载程度增加，CO2体积浓度最大值增大，达到CO2体积浓度最大值的时间增长。由图18可知，随着溶液CO2担载程度增加，CO2解吸比例升高，但升高速率逐渐降低，CO2担载程度为1.0时解吸比例为61.64 %。溶液反应后pH值不随CO2担载程度增加而变化，反应后溶液pH均为1

32、0.1。 由于CO2担载程度为溶液中的碳浓度与氨浓度之比，CO2担载程度越低，可用来吸收CO2的能力越大，可用来解吸CO2的能力越小。因此，溶液CO2解吸比例随担载程度的增加而升高，增加反应液的CO2担载程度有利于促进CO2解吸，提高CO2解吸比例。图17 不同担载程度下CO2解吸随时间变化关系 图18 不同担载程度下解吸后pH和解吸比例变化3.2.2.6 小结（1）碳化氨溶液加热解吸时，CO2的体积浓度和解吸比例受温度控制，CO2解吸比例随着温度的上升而上升。在60 CO2解吸比例较低为32.82 %，80和90时，解吸比例分别提高到59.04 %和67.94 %。但是在提高解吸温度的同时，

33、需要考虑解吸过程中氨的挥发也会随着温度的上升而增加。（2）随着碳化氨溶液浓度的升高，CO2的解吸比例逐渐提高，但增速逐渐下降，升高的幅度在不断减缓，逐渐趋于定值。解吸比例由59.04 %（原溶液浓度为1.80 mol/L）提高到72.07 %（原溶液浓度为1.8 mol/L）和72.76 % （原溶液浓度为2.0 mol/L）。其浓度越接近饱和浓度时，CO2的解吸能力越高，但这种能力增高的趋势在变缓。（3）碳化氨溶液随pH的增加，CO2解吸比例先增大后减小，pH=7时解吸比例最高约为60 %。反应后pH随反应前pH的增大而增大，增幅逐渐减小。（4）CO2解吸比例随着溶液CO2担载程度的增加而升

34、高，但升高速率逐渐降低，CO2担载程度为1.0时解吸比例达到61.64 %。溶液CO2担载程度越高，解吸CO2的能力越大。溶液反应后pH值不随CO2担载程度增加而变化，反应后溶液pH均为10.1。4 方案优势与工艺流程4.1 方案优势（1）此方案应用了氨水对CO2具有强吸收性，吸收反应产物受热易分解，且分解产物中NH3可以循环利用、CO2可以储存备用的原理，切合节能减排的主旨。（2）方案中氨水可以循环利用，提高了氨水的利用率，降低了生产成本。（3）在设计的过程中采用一体化脱除解吸控制，具有操作简便，造价低廉，能够随污染物的排放量快速调节药品用量并且减少设备的维修及维护费用。（4）此方案采用先脱

35、除后解吸并储存技术，适合我国节能减排的发展战略，对大中型电力企业可持续发展有重要意义。（5）本方案采用一体化系统，实验结果相对来说比较精确，并能节约用地面积。（6）脱除并解吸后得到的反应产物为更纯的CO2，其回收利用情况以及市场前景都有较好的发展目标。（7）设备使用寿命长，构造方式及设计符合公共建筑节能设计标准。4.2 工艺流程(1）静电除尘器 (2)引风机；（3）换热器；（4）脱硫区；（5）一层喷嘴；（6）水平烟道；（7）二层喷嘴；（8）脱碳塔；（9）烟囱；（10）氧化风机；（11）石灰浆供给槽；（12）脱硫供浆泵；（13）脱硫循环泵；（14）固液分离系统；（15）脱碳供氨泵；（16）脱碳循

36、环泵；（17）脱碳后溶液抽出泵；（18）解析塔；（19）冷凝器；（20）氨水返回泵；（21）氨水储槽 图中，锅炉烟气（温度120左右，含CO212%，SO22000-6000mg/m3）经静电除尘器（1），通过引风机（2）进入烟气余热与脱碳后溶液热能交换的换热器（3），由脱碳后溶液抽出泵（17）从脱碳塔（8）底部抽出的脱碳后溶液进入换热器（3）被加热到70左右。接着脱碳后溶液进入解析塔（18）进行蒸汽加热解析，氨与CO2分离，少部分挥发逃逸的氨气与解析后的CO2一起进入冷凝器（19）脱除逃逸氨气，分离后的CO2待封存或转化利用。冷凝器（19）冷凝后的氨水与解析塔（18）解析后的氨水通过氨水返回

37、泵（20）返回氨水储槽（21）循环利用。降温后的烟气(温度70) 进入脱硫区（4）被喷嘴（5）喷淋脱硫浆液顺流洗涤脱硫，接着进入脱硫区（4）底端水平烟道（6）被二次洗涤。脱硫循环泵（13）负责供应脱硫浆液到脱硫喷嘴（5）。脱硫浆液在脱硫区（4）底部的持液槽内被氧化风机（10）提供的强制氧化空气所氧化，生成的硫酸钙被排出送往固液分离系统（14）脱水，得到石膏。脱硫后的烟气通过水平烟道（7）进入脱碳塔（8），在脱碳塔（8）内烟气与二层喷嘴（7）喷淋氨水逆流接触脱除其中的CO2，清洁烟气可采用烟囱（9）排烟。而脱碳塔（8）内的脱碳浆液通过脱碳循环泵（16）循环洗涤脱碳。整个过程中所需的氨水均由氨水储

38、槽（21）所提供。 本工艺流程是基于多数电厂现有设备布置设计，该流程保留电厂现有设备，只对少部分设备进行改造增添。利用烟气余热提供解析塔的大部分热源，减少能耗，降低了电厂成本。有学者22提出利用氨水同时脱硫脱碳，减少工艺流程，降低了设备的复杂性，生成副产物硫酸铵肥料，缓解目前湿式石膏法产物过剩累积的局面。5 技术创新性 (1) 本实验首次提出利用烟气余热对脱碳后溶液进行预加热，解吸塔内的蒸汽只是起到辅助加热作用，这极大地降低了碳捕集的能耗；最终可望形成一种具有自主知识产权、符合现有燃煤电厂经济承受能力的碳捕集方法。(2)从我们的实验室模拟实验的结果来看，氨法脱除技术能带来很好的脱除效果，并且从

39、综合评价来看，经济实用性存在较大优势，而且设备费用低，能达到理想的节能减排目的。(3)通用性强，为国家能源发展规划起到推动的作用。(4)实验中氨水可以循环再生、循环使用，这就减少了实验中氨水的使用量，降低了成本。6 技术经济分析6.1 氨法脱除CO2的经济性分析 目前世界上所有商业化脱除CO2的应用方法都是以一乙醇胺（MEA）溶剂为基础的化学吸收法。但是MEA存在很多缺点，主要有：对碳钢制作的热交换设备腐蚀严重；再生所需的热量大；不适宜从氧含量较高的烟气中回收CO2；溶液易发生氧化降解和高温降解；损耗量较大23。比较而言，氨水吸收CO2有较高的负荷能力，无腐蚀问题，在烟气环境下不会降解，可使吸

40、收剂补充量减少到最小，再生所需能量很少，而且成本大大低于MEA。 氨水洗涤电厂烟气以脱除CO2是一种全新的方法。研究表明，脱除电厂烟气中的CO2时，氨溶液吸收CO2不是纯放热反应；吸收能力可达1.0kg(CO2)/kg(氨)以上；氨的再生容易(可以得到高纯度的CO2)；所得到的副产品碳酸氢铵是我国农业上广泛应用的氮肥，具有一定的经济价值。众多研究者和研究机构对氨水脱除烟气中CO2的技术、经济可行性进行了探索研究，指出利用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20%以2425。7 推广应用可行性分析 采用脱除具有可行性，能在一定程度上对“节能减排工作”有所

41、推进，有效的解决我国燃煤造成的大气污染物排放对环境带来的诸多问题。该方案可以解决大多数电厂烟气污染物脱除及排放标准的问题，且造价低，易施工，占地面积小，减轻电厂的经济压力。3 符合节能减排设计标准、通用性强，为电厂的建设和发展起到推动的作用。(4)每年能减少大量的二氧化碳、氮和硫氧化物、粉尘的排放，推广性强。8 创新点与应用价值分析(1)利用氨水先吸收烟气中的CO2，同时也能吸收烟气中的SO2和和NOx,最后通过烟气余热和其他能量热分解吸收液实现CO2高纯度捕集，能耗小，占地面积小。 (2)通过液氨的再生利用，降低了脱除成本，使该技术大规模应用成为可能；实现电力企业的清洁生产，有效结合对节能绿

42、色环保的可持续发展提供一种新思路。(3)操作简单方便，也有利于电力企业的人员结构调整，一方面可以大幅度降低设备设施所需的经济投入，另一方面还可以有效缓解我国大气污染物排放量持续增长的紧张的局面。总体而言，此技术存在巨大的发展空间。参考文献1IPCC.第四次评估报告气候变化2007:自然科学基础R. Paris: 政府间气候变化专门委员会2Thomas, C. D., A. Cameron, R. E. Green. Extinction risk from climate changeJ. Nature. 2004,427: 1451483Muller, B. Equity in Climat

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