一種二氧化碳捕集技術的應用

史麗江(江蘇華揚液碳有限責任公司，江蘇 泰州 225411)

1 二氧化碳捕集背景

1.1 二氧化碳排放

全球煤炭使用二氧化碳排放量比2018 年減少近2 億t(-1.3%)，抵消了石油和天然氣排放量的增加。發達經濟體的排放量下降了3.7 億t(-3.2%)，其中電力部門占降幅的85%。與2018 年相比，許多大型經濟體的溫和天氣對趨勢產生了重要影響，排放量減少了約1.5 億t。2019 年的排放趨勢表明，在電力行業的引領下，清潔能源轉型正在推進。全球電力部門的排放量下降了約1.7 億t(-1.2%)，其中下降幅度最大的是發達經濟體，其二氧化碳排放量目前處于20 世紀80 年代末以來所未見的水平(當時電力需求下降了1/3)。

全世界碳排放第一的國家是中國。2019 年的碳排放數據：中國第一，為908 億t；美國排放只有49 億t；歐盟是33 億t。而且我國的二氧化碳排放量還處于快速增長階段，過去10 年二氧化碳排放增速達到38%。當然這和中國能源結構也有密切關系。因為中國整個基礎資源中，用煤是最多的。而在所有的能源當中，煤是碳排放量最大的。

江蘇南京及周邊地區分布著多家煉化企業，與電廠煙道氣不同的是，煉化尾氣中二氧化碳的含量相對較高，回收工藝簡單，運行成本較低。在南京及周邊地區較大的煉化企業主要有：JLSH、YZSH、NHGS、YZHX。 4 家煉化企業二氧化碳年總排放量約為2 000 萬t，其中約有300 萬t 為純度90%以上的高純度二氧化碳。

1.2 二氧化碳市場

碳酸飲料是國內二氧化碳第一大消費市場，占30%左右，目前我國飲料的人均消費不足5 kg/a。而美國人均消費為150 kg/a。隨著我國人民生活水平的不斷提高，飲料行業對二氧化碳消費量將會大幅上升[1]。

二氧化碳氣體保護焊接一直是我國重點推廣的技術項目之一，現占二氧化碳消費量的20%左右，是二氧化碳第二大消費市場。與手工電弧焊相比，二氧化碳氣體保護焊可提高工效1～2 倍，節電50%，因而近幾年在汽車、造船、化工設備等大型制造業得到了廣泛應用。尤其是二氧化碳和氬氣混合氣體保護焊技術的開發與應用，不僅擴大了二氧化碳氣體保護焊的應用范圍，而且克服了二氧化碳氣體保護焊熱量分散、焊點大、焊接處易變形等不足，這必將推動該領域對二氧化碳需求的快速增長。

二氧化碳在食品加工行業消費量占國內二氧化碳市場的15%左右，主要用于食品冷凍、冷藏、滅菌、防霉、保鮮等，與傳統的機械冷藏相比，二氧化碳冷凍保鮮不僅不會使食品失水、風干、氣化，而且節能省電，尤其適用于大型食品保鮮和糧食的低溫干燥儲存。目前，我國東南沿海一些大型超市或冷庫已開始采用二氧化碳制冷保鮮，北方的市場也已啟動。為適應國際食品市場競爭和國內高檔食品保鮮需要，這將是液體、固體二氧化碳潛在的巨大市場。二氧化碳驅油技術目前是油田重點推廣項目。由于我國是貧油國家，油田可開采量少，隨著原油的開采，越來越多的油井出現能量虧空，利用二氧化碳注入井下，補充地層能量，同時可以提升原油采收率。

2 二氧化碳捕集技術工藝

NHGS 煤化工裝置中低溫甲醇脫碳成分能夠達到92%。大量的二氧化碳資源被作為尾氣排放，既污染了環境，也浪費了資源。為響應國家環保政策，增加資源的利用率，結合NHGS煤化工裝置中低溫甲醇脫碳裝置二氧化碳項目尾氣中二氧化碳的含量，以及江蘇省二氧化碳市場的需求量，確定建設年產5 萬t 二氧化碳捕集項目。該項目位于NHGS 煤化工西側，項目占地1 065 m3，裝置規模按小時液體二氧化碳產量6.25 t，設計年運行時間8 000 h[2]。本工藝由以下兩個工段組成：

(1)二氧化碳原料氣增壓工段；(2)二氧化碳液化工段。

進本裝置加工的二氧化碳原料氣為NHGS 合成氨放空尾氣。二氧化碳含量(不低于)92%，壓力0.15 MPa，溫度25 ℃，露點：-60 ℃，不含硫。原料氣流量：滿足5 萬t 氣量要求。產品二氧化碳為低溫液態，壓力為1.8～2.0 MPa，溫度為-20～-25 ℃。產品質量按滿足三次采油用途設計產品質量，產品中水含量≤50.0×10-6，無嚴重腐蝕介質，其余指標不做要求。

本項目是利用NHGS 煤制氫放空尾氣生產工業級液體二氧化碳產品的裝置。由于產品是用于驅油用途，并且原料氣中不含水分和硫化物，所以工藝采用直接加壓液化流程。

壓縮機作用是對原料氣進行升壓。NHGS 的放空尾氣通過管道輸送至壓縮機進口，通過兩級螺桿機進行壓縮，提壓到2.7 MPa 然后送入余冷回收器，與經分離器放空氣體進行預冷卻后進入液化器液化，液化器通過氟利昂制冷劑蒸發降溫，使氣體二氧化碳冷凝為液體二氧化碳，然后進入分離器閃蒸，液體二氧化碳通過管道進入二氧化碳儲槽，不凝氣通過余冷回收器與壓縮機來的高壓氣體進行換熱后高處放空。

制冷劑采用氟利昂，通過液化器內液體氟利昂的低溫蒸發，傳遞冷量給二氧化碳使之液化，然后把氣態氟利昂通過制冷壓縮機的壓縮，冷凝器的冷凝，氣氟利昂冷凝成液氟利昂回到儲液器后，再去液化器蒸發吸熱，完成制冷循環。

3 技術應用

3.1 項目施工

該項目2020 年4 月進場施工，7 月現場設備、管道安裝和電纜敷設，8 月底完成所有的土建工程、設備安裝和管道、電纜敷設，9 月初進行管道試壓、保溫等工作。現場施工階段，整個工程嚴格按照工程建設程序，施工現場重點對安全、質量等方面進行控制，整個項目建設期間未發生安全環保事故，項目施工質量合格。

項目建設主要分為土建工程施工與安裝工程施工兩大項。施工按照先地下、后地上；先土建、后專業；先主體、后分項的總施工順序原則進行部署。其中土建施工與安裝施工穿插進行，專業工程與土建工程相互密切配合，土建工程施工細分為設備基礎、雨棚基礎、閥門井基礎、電纜溝基礎、循環水管線管墩基礎、地磅基礎、UGM 二次灌漿、地面硬化等施工[3]。

安裝工程施工分為設備吊裝、管線安裝焊接、閥門井帶壓開孔、雨棚鋼結構焊接安裝、電纜架設、風光太陽能安裝、管線試壓、管線X 射線探傷、設備調試、管線保溫、安裝隔音裝置等。

由于裝置完成后，現場地面低洼不平，既不美觀，又影響現場巡檢人員的安全，項目組立即安排對地面平整、鋪設柏油，對四周進行綠化，這樣既增加了現場的美觀，又大大提高了安全保障。

施工安全把控：施工期間嚴格審查承包商資質，做到資質齊全；嚴格按照“外防輸入，內防擴散”疫情防控要求，做好疫情防控工作；嚴格按照中石化直接作業環節相關規定進行施工；嚴格落實每天班前班后會，每周工程對接會制度；高溫期間，及時出臺高溫施工管理規定，合理安排施工時間，發放防暑降溫物品，確保施工人員健康；施工過程，加強現場管理，嚴查違章現象確保無安全事故；開展施工期間全國發生的安全事故學習，并對施工過程舉一反三，同時開展相關排查工作，堅決杜絕類似情況在施工過程中出現，做到絕對安全[4]。

施工質量把控：嚴格落實混凝土、鋼筋檢測及送檢制度；嚴格進行設備制造監檢，派專人到廠家監督；嚴格對生產系統進行氣密性試驗；嚴格對壓力管道進行耐壓試驗和探傷；嚴格按要求辦理壓力容器注冊登記。

3.2 項目效果

本次試車分三個步驟：(1)單機試車；(2)聯動試車；(3)投料試車。

二氧化碳捕集裝置從2020 年9 月21 日9 點到9 月24 日9 點已連續平穩運行72 h，各項參數正常，滿負荷運行每小時產量7 t，產品質量符合設計要求，裝置自動化程度高，能耗比同行業降低30%，完全達到設計指標，調試成功。

(1)試生產過程中發現現場存在PLC 控制柜流量計計量不準確；(2)壓縮機壓差稍微有點偏高，估計過濾網堵塞，管線吹掃時用的是原料氣，壓力低，可能未能充分吹掃干凈，待調試結束后把濾芯拆下來進行吹掃；(3)排空管線未固定；(4)壓縮機油分離器機油液位偏低。問題解決：

(1)廠家人員對PLC 控制柜流量計不準問題進行參數修訂，修改完成后PLC 控制柜流量計與現場一致，整改完成；(2)更換壓縮機排空閥220 V 線圈，現已實現自動排空；(3)固定排空管；(4)對壓縮機進行加油到上視鏡的三分之二位置。

4 項目結論

(1)項目清潔環保，零排放；(2)采用螺桿式壓縮機代替活塞式壓縮機，既減少能耗又降低噪聲；(3)使用風光太陽能燈等清潔能源，降低能耗；(3)采用新工藝，提高產能，提升安全；(4)采用隔音門裝置，降低廠區噪音。