某油气田碳捕集、封存和利用技术助力CO2减排的碳捕集工艺设计

[44]内蒙古鄂尔多斯市≥95%煤制气尾气处理CO₂捕集-液化-注入地下咸水层由表5.4可知，目前国内外CCUS工程碳捕集效率通常在85~95%以内。表5.5本项目效率一览项目名称捕集效率应用场景备注某油气田碳捕集、封存和利用技术助力CO₂减排的碳捕集工艺设计92.0%中小型油气田使用“吸附－吸收”耦合法因此，本设计总体CO2的捕集效率为92.0%，属于85%~95%范围内，符合一般标准。本章小结本项目运用“吸附－吸收”耦合工艺来对烟气里的CO₂展开高效捕集工作，其中吸附塔设置两座流化床吸附塔，塔径是2.5 m，整体高度为7.5 m，设置对饱和吸附剂进行加热解吸的再生塔两座，其塔径为3.5 m，总高度是7.0 m，所匹配的加热功率为650.83 kW；设在二级捕集系统中，填料塔吸收塔塔径3.5m，总高度5.1m，填料塔的总高度是10.5m，填料塔配备的两台混胺储罐的直径为6.0m，长度8m，满足单台200m³储量要求，鼓泡式结的解吸塔，总高度为11.0m，处理富液的流量是107.14m³/，。以此实现胺液再生以及CO₂浓缩输出。这些构筑物协同运行，构成一个完整的CO₂捕集系统。

平面布置及高程布置平面布置平面布置原则为了保证碳捕集工艺系统的安全、稳定、高效运行，平面布置应遵循以下基本原则：（1）工艺流程顺畅设备及构筑物按照气体处理流程顺序合理排列，从尾气进气口依次布置预处理单元、吸附塔、吸收塔、再生系统及压缩系统，减少气体输送路径与压力损失。（2）功能分区明确将吸附再生区、吸收解吸区、液化区进行合理分区，互不干扰，便于运行管理与维护检修。同时，辅助设施如控制室、管廊等应靠近主体设备，便于集中监控。（3）安全防护合理高压设备与其他工艺单元之间应保持足够安全间距；布置安全泄压阀、排空管及应急通道，满足相关防爆防火规范（如GB50183-2015）。（4）节约用地，便于扩展尽量压缩设备占地面积，合理安排道路与管线通道，并在场地预留二期扩容接口，便于未来系统扩展或改造。平面布置方案本项目采用“吸附–吸收”耦合工艺，各主要构筑物按流程顺序依次布置，结合运行安全、设备操作、物流运输和维护管理要求，将厂区划分为六个功能区：吸附再生区、预处理区、吸收解吸区、液化车间、储运区、和办公区。平面布置图图6.1平面布置图高程布置高程布置原则本项目高程布置遵循“工艺优先、重力自流、操作便捷、安全检修”原则，结合气体与液体流程特点，将各构筑物按功能区分层设置，确保：（1）物流顺畅：气体由低向高流动，液体利用重力回流，减少泵耗；（2）结构合理：各塔体设置合理层级操作平台，便于观察、维护；（3）接口清晰：各系统间管道连接自然顺畅，避免高差干扰；（4）安全规范：高温、高压区域平台避让明显，平台设栏杆与逃生梯。高程布置方案本项目当中各个构筑物依照工艺流程的先后顺序逐个布置在厂区的主轴线上，其基础高程全都统一设定为±0.000，吸附塔以及再生塔处在系统的前段位置，它们的高度分别是7.5m与7.0m，在塔体的中部位置设有颗粒循环接口，顶部则是尾气出口，吸收塔被安置在流程的中部，总体高度大概是10.50m，顶部有除沫器，底部是烟气入口和富液出口，解吸塔高度大约为11.0m，整体的高程布置遵循气体上升、液体下流的流向规律，各个接口的标高设置得比较合理，平台层级清晰明确，兼顾了运行效率、操作安全以及检修便利等方面。高程布置图图6.2高程布置图

经济分析本项目运用“吸附－吸收”耦合工艺，针对某中小型油气田所排放的CO₂展开集中捕集以及后续资源化利用与封存工作，要评估该系统的经济合理性，需从投资成本、运行成本以及效益这三个方面给予简要分析。投资成本估算项目固定资产投资主要包括吸附塔、吸收塔、解吸塔、混胺储罐、及自动化系统。基于油气田已有预处理系统等基础设施，具体投资明细如下：表7.1投资成本估算装置估算依据年费用（万元）吸附装置13X分子筛吸附塔及再生单元110吸收系统填料塔4.5m+循环泵135解吸系统解吸塔、再沸器、冷凝器150混胺储罐2台，经济型120控制与仪表系统PLC控制与在线监测50辅助建设管道及保温等30安装与调试设备安装与系统调试120合计715运行成本分析项目运行过程中的主要成本包括：吸附剂（13X分子筛）与胺液（混胺）定期补充；加热再生系统的蒸汽能耗；循环泵、风机、仪表控制等设备电耗；人员运维与日常检修费用：热能费用根据能耗为3.6GJ/tCO₂，属于中小型CCUS工程一般范围值内，根据据中小CCUS工程经验值，按，600万元/年计算。吸附剂及吸收剂，根据中小CCUS工程经验值，按200万/年计算。设备维护及人工（泵、风机、电耗及备件维护）：50万元/年合计年运行成本约为850万元。效益分析该项目可实现的CO₂捕集效率为93.6%，约为9.36万吨，结合驱油或者封存这样的利用方式，依据碳市场价格以及原油增产价值估算，每吨CO₂可获取的碳减排收益或者资源利用价值预计在150～300元/吨（根据碳市场价格及原油增产价值估算）。按最低估值150元/吨计，每年的收益可超过1400万元。投资回收期分析净现金流：（7.1）由此，静态投资回收期为：（7.2）综上所述，结合碳交易与驱油效益，项目投资回收期约1.3年，具备良好经济性和推广价值。本项目有一定的经济可行性与投资价值，适宜当作油气田绿色转型过程里的关键技术路径去推广应用。

结论本课题聚焦于典型中小型油气田CO₂排放的实际状况，结合当下已有的预处理设施条件，着手进行基于“吸附－吸收”工艺路线的CCUS系统设计工作，经过对系统的详细分析以及不同工艺的比较筛选，确定了各个单元的流程结构以及技术参数，构建起了碳捕集-利用-封存一体化的工程方案。主要得出以下结论：（1）基于气体预处理的条件，设计采用流化床吸附塔和填料式吸收塔协同运行的方式，以此实现对CO₂的阶段性脱除以及高效捕集，吸附段设置了两座吸附塔，每一座吸附塔处理的烟气流量为6.58 m³/s；吸收段的处理流量为13.15 m³/s，其总体CO2捕集效率约为92.0%。（2）吸附段所选用的吸附剂为13X分子筛，该吸附剂有良好的选择性，同时还拥有可再生的特性，能够捕集CO₂20%；吸收段采用的是MDEA-MEA混合胺液，这种混合胺液可兼顾吸收速率以及解吸阶段的再生能耗，可适应本项目中温、高气量的工况要求，能够捕集CO₂20%。（3）关键构筑物包含吸附塔、再生塔、吸收塔、混胺储罐以及解吸塔，针对这些构筑物分别开展了结构尺寸、高程布置以及操作条件的设计工作，依靠这些设计，可保障气体流动、液体循环以及再生排放过程顺利且安全，方便工程的实施以及后期的运行管理。（4）在CO₂利用与封存领域，项目将油气田驱油利用以及枯竭油气藏封存选定为主导路径，其有较为良好的技术成熟程度与经济可行性，可同时兼顾资源回收以及减排目标。（5）对项目进行经济性分析可以发现，在当下碳减排政策的积极推动以及碳交易机制的有力支持这一背景下，该系统有着不错的经济回报，同时还有示范推广的价值，它属于油气田达成绿色低碳转型的关键工程路径里的其中一条。总体来看，本项目设计方案有工艺合理、参数完整、路径清晰、运行可行等特性，这些特性为后续中试放大以及工程应用奠定了良好基础，同时也为其他类似油气田开展CCUS项目提供了可参考的设计范式。

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