天然氣富氧燃燒爐窯煙氣CO2捕獲工藝研究

1 概述

CO

是主要的溫室氣體之一。為應對氣候變化，各國在巴黎氣候變化大會上達成《巴黎協定》。《巴黎協定》的長期目標是將全球平均氣溫較前工業化時期上升幅度控制在2 ℃以內，并努力將溫度上升幅度限制在1.5 ℃

。聯合國環境署公布的《2019年排放差距報告》指出

，全球的整體減排力度須在現有水平上至少提升5倍，才能在未來10年中達成1.5 ℃目標所要求的碳減排量。工業爐窯廣泛應用于建材、石化、鋼鐵等行業，對工業發展具有重要支撐作用，同時也是工業領域主要排放源。相對于電站鍋爐和工業鍋爐，工業爐窯治理水平明顯落后

。天然氣作為重要的清潔能源，以其低污染排放、高效燃燒等特點逐步替代煤等燃料。但天然氣是一種烷烴混合物，其燃燒后仍會產生CO

。因此研究天然氣爐窯CO

減排對實現我國的碳排放目標是一種有益嘗試。

富氧燃燒技術是一種極具發展潛力的碳捕獲與封存技術之一

。富氧燃燒技術中氧化劑為高濃度氧氣，燃燒產物以H

O和CO

為主，CO

濃度較高，容易分離

。目前，富氧燃燒技術在美國、日本、加拿大、澳大利亞、英國、西班牙、法國、荷蘭等國家都得到重視和發展，富氧燃燒的工業示范取得了突出的進展

。

2.3 水分管理 苗期需水量少、隨著植株生長加快，需水量相應增多，這時若遇干旱，必須及時灌水；鼓粒到完熟期，需水較少，但此時受旱，會使秕粒增多，百粒重降低。當出現萎蔫現象時，就應及時灌水。水源缺乏的地塊，可采用清糞水澆灌；水源條件好的最好用噴灌。大豆在幼苗期和鼓粒成熟期較怕澇，生長過程中也經不起長時間淹水，必須注意開溝排水。

富氧燃燒后產生的煙氣中捕集CO

的方法主要是低溫分離法

。Kolster等

通過對4種適用于發電站富氧燃燒碳捕獲的CO

壓縮和凈化裝置的詳細研究，得出CO

產品純度越高，則捕獲成本越高，捕獲效率越低的結論。Posch等

針對某電廠設計了雙閃蒸分離系統和精餾分離系統，并與傳統5級壓縮系統進行對比。結果顯示雙閃蒸分離系統裝置具有較低的功耗，精餾分離系統雖然在幾乎相同的分離效率下能夠生產更高純度的CO

，但成本增加了近30%。目前國內外對富氧燃燒碳捕獲技術的研究主要集中在降低電廠系統集成的能耗和成本、分析電廠發電效率以及系統優化等方面，有關天然氣爐窯的較少。因此有必要對天然氣富氧燃燒爐窯的CO

捕獲工藝進行研究。

挑取1～2環接入細菌斜面培養基上，37℃培養24 h后，用無菌生理鹽水洗下菌苔，制成菌懸液。采用麥氏比濁法，用無菌生理鹽水調節細菌含量為1×108cfu/ml。

——壓縮機組(壓縮機-1、壓縮機-2、壓縮機-3、壓縮機-4)的總功率，kW

2 工藝介紹及評價指標

2.1 工藝系統

本文建立了富氧燃燒煙氣壓縮及CO

液化工藝系統，見圖1。基本原理是利用煙氣中各組分氣體沸點不同的特性，采用低溫將易液化的CO

進行分離。該系統主要包括3個子系統，為預處理子系統、脫水子系統和液化子系統。

預處理子系統包括煙氣冷卻器、壓縮機和氣水分離器，以實現對煙氣的冷卻、加壓功能。煙氣在煙氣冷卻器-1、煙氣冷卻器-2中分別與空氣、水換熱，經氣水分離器-1除水后進入壓縮機。壓縮機采取三級壓縮、中間冷卻的方式，對煙氣進行壓縮。加壓后的煙氣進入脫水子系統進行脫水。

脫水子系統包括一對干燥塔，煙氣進入干燥塔-1后，塔內的干燥劑對煙氣中的水蒸氣進行吸收。當干燥塔-1出口CO

含水量接近限定值時，需切換至干燥塔-2運行，之后再對干燥塔-1進行退出再生。再生氣為與煙氣換熱后的空氣，當干燥塔-1排出的空氣出口溫度達到要求值后，再生結束，用吹冷氣進行冷卻(未在圖1中顯示)。干燥塔-1降至常溫后，吹冷結束，干燥塔-1將作為備用塔等待切換。

液化子系統包括預冷器、閃蒸器-1、閃蒸器-2、液化器-1、液化器-2、壓縮機-4等。脫水后的煙氣預冷后，由液化器-1液化，進入閃蒸器-1，液態CO

由管道輸運至混合閥，剩余氣體經壓縮機-4加壓后再次由液化器-2液化，后進入閃蒸器-2，產生的液態CO

輸運至混合閥，貧CO

氣體由閃蒸器-2頂部流出，經節流閥降壓后，經過預冷器提供冷量，作為干燥塔再生后的吹冷氣。液化子系統產生的液態CO

將輸送至儲罐進行儲存。

與此同時，另一段喝酒小視頻開始在京城年輕人的朋友圈刷屏。他們一口氣喝完一杯名為“地球最后的夜晚”的烈酒，然后大聲念出片中臺詞：“你數過天上的星星嗎？它們像小鳥一樣，總在我胸口跳傘。”把這段視頻發到朋友圈，就可以免單。這是Mandrill酒吧老板，兼《地球》主演黃覺推出的活動。看《地球》加喝“地球”成為潮流，順勢帶動了網上的“地球”酒杯代購生意。

2.2 模型構建

參照某富氧燃燒爐窯的生產現狀，采用Aspen Plus軟件對上述系統進行模擬計算。該爐窯用氧量(折算成純氧)為11 t/d，過剩空氣系數為1.02。天然氣組成見表1。氧化劑中氧氣摩爾分數分別采用75%、80%、85%、90%、95%、100%，其他成分為氮氣。

由燃燒化學方程式計算得到天然氣在氧化劑氧氣摩爾分數不同情況下燃燒生成的煙氣組成及質量流量，見表2。將氧化劑中氧氣摩爾分數分別為75%、80%、85%、90%、95%、100%情況下天然氣燃燒生成的煙氣分別稱為煙氣1～6。

煙氣為未經處理的玻璃爐窯排煙，煙溫設定為120 ℃

。采用PENG-ROB

物性方法計算煙氣壓縮、冷卻液化、熱量回收等過程，其中壓縮機采用ASME多變壓縮模型

，多變效率設置為0.8，機械效率設置為0.95。液化器-1出口溫度為-25 ℃，液化器-2出口溫度為-33 ℃。液化器采用丙烷制冷。系統中冷卻器、預冷器、液化器的壓力損失為0.03 MPa，系統管路和分流的壓力損失、熱損失等忽略不計。

病毒病一般出現在油菜抽薹階段，這一階段的油菜一旦感染病毒病，將會嚴重影響油菜籽的產量。油菜感染病毒病的表現會因油菜品種的不同出現一定的差異。對于甘藍型油菜來說，感染病毒病的表現為葉子發黃并出現黃色斑點，葉片會自斑點向外逐漸枯死；對于白菜型油菜來說，感染病毒病的表現為葉子出現褪色的現象，并且褪色是由葉脈開始逐漸擴散，還會出現明顯的花葉。油菜感染病毒病需要及時防治，以免影響油菜抽薹。

2.3 評價指標

② 煙氣工況對產品CO

純度的影響

① 碳捕獲率

——制氧能耗，kW·h/m

，見表3。

(1)

式中

——碳捕獲率

,out

——物流22中CO

的質量流量，t/h

本文通過對研究區域生態重建現場調查，獲取研究區原始資料和數據，通過分析植物群落特征，結合現場植被樣方調查數據，選取合適的評價指標因子，建立一套合理的評價體系，對研究區生態重建效果進行定量評價，從而為礦山生態重建下一步規劃設計提供科學依據。

單位綜合能耗(產生1 t CO

的能耗)包括單位工藝能耗和單位制氧能耗，其中單位工藝能耗主要由壓縮機能耗和制冷能耗組成。單位綜合能耗定義式(筆者提出)為：

具體來說，與強烈信息性有關的語言特征包括:平均詞長、名詞化、介詞、類形比、修飾性形容詞等二十余種特征，而與交互性密切相關的語言特征有個人動詞、that省略、一般現在時、動詞do、第二人稱等。由于該維度中考察的特征眾多，篇幅原因，在此只選取了載荷較強的、能較好反映交互性/信息性的部分語言特征計加以展示(見表2)。

② 單位綜合能耗

,in

——物流1中CO

的質量流量，t/h

(2)

本文研究了壓縮壓力為3 MPa、液化器-2出口溫度為-33 ℃時不同煙氣工況對碳捕獲率的影響，模擬結果見圖3。由圖3可知：煙氣6的碳捕獲率最高，為98.1%；煙氣1的碳捕獲率最低，為25.5%。表明同一液化條件下，隨著氧化劑中氧氣摩爾分數逐漸提高，碳捕獲率逐漸增加。

根據某天然氣富氧燃燒爐窯的實際運行條件，本文設計了一套利用低溫分離法的煙氣壓縮及CO

液化工藝系統，并對不同壓縮壓力、不同富氧條件產生的煙氣下的系統性能及能耗進行分析。

——液化器功率，即液化器-1、液化器-2的總功率，kW

碳捕獲率的定義式為：

金櫻子根采于廣西南寧市，經湘西自治州民族醫藥研究所田華詠教授鑒定為金櫻子Rosalaevifgata Michx. 的根，標本（JYG20151124）現保存于湖南吉首大學。

本文從渡槽施工實際出發，采用新的科學技術、優化施工工藝、提高工程質量管理，使渡槽施工質量得到有效的控制。總之，只有切實抓好每道工序、每個環節的質量控制，才能確保整個工程順利完成。

3 系統運行特性分析

3.1 模型驗證

為驗證Aspen Plus中PENG-ROB物性方法對含CO

的三元混合物相平衡特性模擬的準確性，對文獻[22]中壓力為2 MPa、液化溫度為220 K的工況進行相平衡分子模擬，并與文獻[22]中使用Towhee軟件得到的模擬數據進行對比。結果顯示，在多組分低溫分離方面，利用Aspen Plus模擬，模擬結果與文獻結果吻合程度高，相對誤差較小(0.8×10

～7.8×10

)。

3.2 物流參數模擬結果分析

本系統在進口煙氣為煙氣5時主要物流及部分設備參數模擬結果分別見表4、5。煙氣經過預處理后，水分摩爾分數由62.2%減少至0.29%。煙氣進入脫水子系統后，水分繼續被去除，水分摩爾分數接近于0。煙氣經過兩級液化后，產品CO

純度可達97.56%，滿足普通級CO

純度規格，碳捕獲率為87.2%。

3.3 壓縮壓力對系統性能的影響

為分析壓縮壓力對系統性能的影響，本文將進口煙氣工況設置為煙氣5，液化器-2出口溫度設為-33 ℃，分別對壓縮機-3出口壓力(稱為壓縮壓力)為2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa時碳捕獲率及產品CO

純度進行模擬，結果見圖2。

老賈再次伸手把多的一堆錢幣撥成兩堆。老賈在新分出的兩堆里，從看起來很精致漂亮的一堆中取出一枚遞給孟導。孟導接過錢幣，心中暗叫不好。按照老賈報憂不報喜的烏鴉嘴特質，這堆錢看起來也是兇多吉少。

由圖2可知，隨著壓縮壓力提高，碳捕獲率由65.8%逐漸增加至95.5%，產品CO

純度由98.8%逐漸降低至93.7%。原因在于同一液化溫度下，壓縮壓力越高，煙氣中的CO

越易液化，進而提高碳捕獲率。而壓力增加導致煙氣中的雜質氣體如氮氣更易溶于液態CO

中，導致產品CO

純度逐漸下降。

3.4 煙氣工況對系統性能的影響

① 煙氣工況對碳捕獲率的影響

式中

——單位綜合能耗，kW·h/t

本研究以碳捕獲率、產品CO

純度(物流22中CO

摩爾分數)、單位綜合能耗為主要評價指標。

本文研究了壓縮壓力為3 MPa、液化器-2出口溫度為-33 ℃時不同煙氣工況對產品CO

純度的影響，見圖3。結果顯示：煙氣工況由煙氣2變為煙氣3～6的過程中，產品CO

純度變化曲線呈現拋物線形。當煙氣工況為煙氣2時，產品CO

純度最低，為97.17%；煙氣工況為煙氣4時，產品CO

純度最高。

為分析不同煙氣工況下產品CO

純度變化規律出現的原因，本文模擬了不同煙氣工況下物流17、物流21中CO

摩爾分數和物流17與物流21的質量流量比，分別見圖4、5。

1.集多種教學方法于一體并合理運用。遙感課程是一門理論抽象、應用性較強的課程，如果靠死記硬背，其中的理論很容易學完就忘，應用起來也備感枯燥乏味。為了使學生能夠用理論引導實踐，通過實踐領會理論思想的真諦，教師在教學的過程中，要集多種教學方法于一體。教師在講授知識點時，語言要簡潔明了，使學生易學易懂，涉及知識點的銜接和具體應用時，可以轉換成提問方式，從而使學生集中注意力，培養思考的習慣。教師要通過學生回答問題的實時反饋，不斷地鼓勵學生及時歸納總結，形成知識結構體系。教師要讓學生充分發表自己的意見和見解，挖掘學生的想象力和創新能力，提高學生分析問題和解決問題的能力。

由圖4、5可知：在煙氣工況由煙氣1變化為煙氣6時，物流17(煙氣1時，物流17質量流量為0)與物流21中CO

摩爾分數逐漸下降，且在相同煙氣工況下物流21中CO

摩爾分數低于物流17。煙氣工況為煙氣1、煙氣2時，物流17與物流21質量流量比分別為0、0.03，說明此時液化器-1液化產物較少，產品CO

純度主要取決于物流21中CO

摩爾分數，因此煙氣2的產品CO

純度小于煙氣1。煙氣工況由煙氣2調整為煙氣3時，物流17與物流21質量流量比增至0.98，閃蒸器-1中液化產物增加，使得物流17中CO

摩爾分數對產品CO

純度的影響增大，因此煙氣工況為煙氣3時產品CO

純度相對于煙氣1和煙氣2高。隨著煙氣工況由煙氣4變化為煙氣5、煙氣6，產品CO

純度曲線逐漸貼合于物流17的CO

摩爾分數曲線，隨之下降。

4 綜合能耗分析

4.1 壓縮壓力對綜合能耗的影響

由于壓縮壓力對系統能耗的影響較大，本文分析了液化器-2出口溫度為-33 ℃、煙氣工況為煙氣5時，不同壓縮壓力下的單位綜合能耗，結果見圖6。由圖6可知：當壓縮壓力由2 MPa升至5 MPa時，單位綜合能耗由1 033 kW·h/t逐漸下降至786 kW·h/t，且下降幅度逐漸減小。原因在于不同壓力下單位制氧能耗為單位工藝能耗的1.9～2.7倍(見圖7)，單位綜合能耗變化趨勢主要由單位制氧能耗決定。當煙氣工況為煙氣5時，總制氧能耗為定值，隨著壓縮壓力逐漸增加，碳捕獲量增加，導致單位制氧能耗逐漸降低。

4.2 煙氣工況對單位綜合能耗的影響

由于煙氣工況取決于氧化劑中氧氣摩爾分數，為綜合分析煙氣工況對系統能耗的影響，本文計算了壓縮壓力為3 MPa、液化器-2出口溫度為-33 ℃時，不同煙氣工況下的單位綜合能耗，結果見圖8。當煙氣工況由煙氣1逐漸變為煙氣6的過程中，單位綜合能耗呈現先減后增的變化趨勢。當煙氣工況為煙氣5時，單位綜合能耗最低，為819 kW·h/t；當煙氣工況為煙氣1時，單位綜合能耗最高，為2 831 kW·h/t。

液壓蓄能式懸掛基本框架結構與機械式懸掛類似,由液壓油缸代替機械式懸掛的碟形彈簧總成,取消了機械式懸掛的平衡臂機構.懸掛油缸功能與機械式懸掛的碟簧總成類似,但對懸掛導軌的加工精度比機械式懸掛系統低.基于液壓懸掛機構的結構,在滾輪機構處軸承發生故障時,無法對其進行更換,故此懸掛機構不便維護保養.

單位綜合能耗在不同煙氣工況下呈現圖8的變化規律，原因有兩方面：一是隨著氧化劑中氧氣摩爾分數的提高，煙氣質量流量由17.12 t/d逐漸減少至13.92 t/d(見表2)，進而壓縮機能耗降低；同時煙氣中CO

含量增加，系統碳捕獲率由25.5%提高至98.1%(見圖3)，使得單位工藝能耗逐漸降低。二是隨著所需氧化劑中氧氣摩爾分數提高，單位制氧能耗先降低后升高，煙氣工況為煙氣5時最低。不同煙氣工況下單位工藝能耗和單位制氧能耗見圖9。

4.3 液化器-2出口溫度對單位綜合能耗的影響

由于液化器-2出口溫度影響產品CO

純度，產品CO

純度又對CO

產品的市場應用存在影響，因此有必要對液化器-2出口溫度對能耗的影響進行研究。通過保持壓縮壓力為3 MPa，調節液化器-2的出口溫度來實現產品CO

純度的調節。液化器-2出口溫度對單位綜合能耗的影響見圖10。

6種煙氣工況下產品CO

純度范圍為96%～98%，屬于普通級。由圖10a可知，液化器-2出口溫度為-33 ℃時，煙氣4時的單位綜合能耗較煙氣6時低21%，煙氣5時的單位綜合能耗較煙氣6低33%。因此從能耗角度分析，類似天然氣消耗量的爐窯企業進行碳捕獲時，利用氧氣摩爾分數為90%、95%的氧化劑進行富氧燃燒碳捕獲優于純氧燃燒碳捕獲。

當液化器-2出口溫度降至-54 ℃后，各煙氣工況下單位綜合能耗進一步降低1%～64%，見圖10b。在產品CO

純度為普通級的前提下，煙氣工況為煙氣1、煙氣2、煙氣3、煙氣4、煙氣5時，單位綜合能耗分別較煙氣6低17%、24%、30%、34%、42%。這表明在液化器-2出口溫度為-54 ℃條件下，為捕集到普通級純度CO

，天然氣爐窯利用氧氣摩爾分數為75%～95%的氧化劑進行富氧燃燒碳捕獲的單位綜合能耗低于純氧燃燒碳捕獲的單位綜合能耗。

5 結論

① 煙氣工況為煙氣5(氧化劑中氧氣摩爾分數為95%時天然氣燃燒生成的煙氣)、液化器-2出口溫度為-33 ℃時，當壓縮機-3出口壓力由2 MPa升至5 MPa時，碳捕獲率由65.8%逐漸增加至95.5%，產品CO

純度由98.8%逐漸降低至93.7%；單位綜合能耗由1 033 kW·h/t逐漸下降至786 kW·h/t，且下降幅度逐漸減小。

② 當壓縮機-3出口壓力為3 MPa、液化器-2出口溫度為-33 ℃時，隨著氧化劑中氧氣摩爾分數提高，碳捕獲率逐漸增加，產品CO

純度呈現出類似拋物線形的變化曲線，且單位綜合能耗呈現先減后增的變化趨勢，當氧化劑中氧氣摩爾分數為95%時，單位綜合能耗最低，為819 kW·h/t 。

③ 當壓縮機-3出口壓力為3 MPa、液化器-2出口溫度為-33 ℃時，為捕集到普通級純度CO

，天然氣爐窯利用氧氣摩爾分數為90%、95%的氧化劑進行富氧燃燒碳捕獲的單位綜合能耗，較純氧燃燒碳捕獲的單位綜合能耗分別降低21%、33%。當液化器-2出口溫度降至-54 ℃后，天然氣爐窯利用氧氣摩爾分數為75%～95%的氧化劑進行富氧燃燒碳捕獲的單位綜合能耗均低于純氧燃燒碳捕獲的單位綜合能耗。

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