燃煤電廠尾氣中CO2捕集技術研究

蒲 鶴梁光川何慧娟陳曉春

1.西南石油大學石油工程學院，四川 成都 6 1 0 5 0 0；

2.青島泰能天然氣有限公司，山東 青島 2 6 6 0 0 0

0 前言

目前，我國大多數發電廠為燃煤電廠，電廠中含有大量CO2的尾氣，進入大氣嚴重影響了世界環境、人類健康?？刂茰厥覛怏w排放是我國積極應對全球氣候變化、治理霧霾的重要任務，如何降低CO2排放并將其有效利用成為當前環境和能源領域的主要研究方向[1]。

燃燒后脫碳是目前常用的脫碳技術，按捕集原理劃分，捕集方法可分為：物理吸收法、化學吸收法、物理-化學吸收法、膜吸收法及生物技術法。本文主要討論物理類的MDEA法和化學類的NHD法[2]。

1 CO2捕集工藝

待處理煙囪尾氣的主要成分見表1。

表1 電廠排放煙道氣的主要成分

1.1 MDEA法

MDEA溶液為甲基二乙醇胺，屬于乙醇胺類溶液。在處理CO2分壓較低的氣體時，MDEA溶液針對性強，處理量大，吸收過程發熱量低，發泡傾向和腐蝕性均低于MEA，化學性質穩定不易變質[3]。工業上，MDEA溶液的質量濃度為50%。工藝原理流程見圖1。

圖1 MEDA法吸收CO2流程圖

煙氣進入吸收塔向上流動，在塔板上與自上而下的MDEA溶液（貧液）逆流接觸，剩余的尾氣中CO2含量降低至3%以下。富液出吸收塔后經過節流換熱進入再生塔，加熱后析出CO2變為貧液，補充的吸收劑跟貧液一起經溶液泵增壓進入回收系統循環使用[4]。

在Aspen Plus中對MDEA法分離CO2流程進行模擬，模擬過程利用Radfrac模塊，物性計算采用ELECNRTL方法，并假設：忽略反應動力學的影響；吸附和再生過程中壓力保持不變；各部分氣液混合均勻；氣液平衡狀態中，CO2、H2、CO、CH4、N2等氣體均符合亨利定律。

MDEA法的主要參數設置：吸收塔壓力為3 MPa，再生塔壓力為0.1 MPa，閃蒸塔溫度為28℃，吸收劑進口溫度38℃，煙氣進口溫度40℃，溶液泵效率為0.78[5]。 通過模擬得到吸收塔出口煙氣成分見表2。

表2 吸收塔出口煙氣的主要成分

將原始煙道尾氣與吸收塔出口煙氣進行成分對比，得到MDEA法對CO2的吸收率達到91%，可以有效脫除煙道氣中的CO2。

1.2 NHD法

NHD法類似于Selexol技術，以聚乙二醇二甲醚為主要的吸收溶劑。NHD溶液主要吸收COS、H2S、CO2等氣體。NHD法具有較好的選擇性，以CO2在NHD溶液中的溶解度為1表示，各種氣體組分在NHD溶液中的相對溶解度見表3。NHD法分離CO2的工藝流程見圖2。

表3 溶液中的相對溶解度

圖2 NHD法分離CO2流程

煙氣換熱后進入吸收塔，與自上而下的NHD溶液充分接觸，絕大部分的CO2被溶液吸收，凈化的煙氣從塔頂排出。富液進入緩沖罐后部分氣體汽化，經壓縮機壓縮重新進入吸收塔，剩余的富液經過水力透平后逐級進入閃蒸罐，分離出CO2成為貧液。CO2經壓縮機壓縮得到高純度CO2產品，貧液經過循環泵增壓冷卻回到吸收塔循環利用。

NHD法的主要參數設置：CO2壓縮機效率為0.84，水力透平效率為0.76，回流氣壓縮機效率為0.8，吸收劑壓縮泵效率為0.79，冷凝介質蒸發溫度為10F。

利用Aspen Plus對吸收過程進行模擬，利用PC-SAFT狀態方程進行計算。處理的煙道氣成分與表1所示的相同。通過模擬得到吸收塔出口煙氣成分，見表4。

表4 吸收塔出口煙氣的主要成分

將原始煙道尾氣與吸收塔出口煙氣進行成分對比，得到NHD法對CO2的吸收率達到93.4%，可以有效脫除煙道氣中的CO2。

2 工藝比較

2.1 耗能比較

在相同的基礎條件下對兩種吸收方法進行能耗比較，基準氣參數見表5（進口CO2的壓力為1 MPa）。

表5 基準氣體主要成分

假設進口氣體均為表5所示的基準氣體，MDEA法及NHD法吸收CO2過程的吸收率均為90%。脫除CO2的比較結果見表6，MDEA法吸收劑的流量約為NHD法的1/2，而過程的能耗約為MDEA法過程的329%[6]。

表6 MDEA及NHD法脫碳過程比較

2.2 CO2吸收率影響

本小節分析CO2吸收率與吸收劑流量的關系，見圖3。吸收劑的相對流量均為對應吸收率下的吸收劑流量與最高吸收率對應數值的比值[7]。由圖3可以看出，對于MDEA法，提高CO2吸收率，吸收劑的流量接近于線性變化，而對于NHD法，吸收率低于95%時，NHD法與MDEA法的變化規律相似，超過95%變化劇烈。CO2吸收率的降低對NHD法的吸收劑流量的影響更為明顯。

圖3 吸收劑的相對流量變化

3 結論

在相同的處理情況下，NHD法吸收CO2的能耗較MDEA法低得多，但NHD法吸收劑的流量約為MDEA法的2倍，且NHD法吸收的CO2量略小于MDEA法；提高CO2吸收率，兩種方法的吸收劑流量都需提高。考慮到MDEA溶液吸收法脫碳工藝技術成熟，能耗適中，天然氣發電裝置余熱可供應MDEA溶液吸收法所需的大量熱量，所以，在處理燃煤電廠煙道尾氣時，MDEA法優于NHD法。

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