10000噸/年燃煤電廠煙氣碳捕集精制工程的設計

摘要：本文針對某燃煤電廠10000噸/年煙氣碳捕集精制項目，介紹了CO2捕集的技術路線、工藝原理、吸收液特性和主要設備技術參數以及工程實施情況，對電力行業進一步展開大規模碳捕集，起到示范和實驗的雙重作用。

關鍵詞：碳捕集；燃煤電廠；CO2

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

前言：

政府間專門氣候變化專門委員會（IPCC）第4次評估報告認為，以氣溫升高為主要特征的全球氣候變化在很大程度上是由于人為活動導致的溫室氣體排放所致。在所有能引起溫室效應的氣體中，CO2占60%，而對全球變溫的貢獻則達到70%。CO2主要產生于化石燃料的燃燒過程，電力生產是CO2的一個集中排放源，我國電力行業的碳排放約占全國碳排放的40%以上且逐年增長[1,2]。

1.燃煤電廠煙氣碳捕集技術

燃煤電廠CO2捕集技術可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒三類，近年來化學鏈燃燒也吸引了越來越多的關注[3]。燃燒前捕集的IGCC電廠與傳統電廠差異很大，需要大規?？辗?、燃料氣化、CO轉化、氣體分離及碳捕集裝置，成本較高，適合于新建電廠；富氧燃燒需要對電廠燃燒及發電系統進行較大的改造，增加空氣分離系統、煙氣循環系統，而且燃用富氧氣體的鍋爐及燃機技術也不夠成熟?；瘜W鏈燃燒目前剛開始發展，載氧體和氣固反應的速率都是其面臨的挑戰。而燃燒后捕集系統則可以直接與現有發電系統對接，且技術較為成熟，是目前最為可行的適宜大規模應用的技術路線。

燃煤后捕集技術也有多種[4]，主要為：溶劑吸收法、變壓吸收法、膜分離法、低溫精餾法和催化燃燒法等。其中，以MEA、MDEA及AMP為代表的化學溶劑吸收法選擇性好、吸收效率高、技術成熟，最適于燃煤電廠煙氣中低分壓CO2的捕集。

2.項目簡介

本項目為碳捕集示范性工程，以電廠脫硫后煙氣為原料制取食品級液體CO2，年生產能力10000噸，年運行時間為8000小時，每小時生產能力1.25噸，二氧化碳總收率大于80%。原料氣及產品各項指標見表－1。

表－1 原料氣及食品級CO2品質表

項目 原料氣（煙道氣） 食品級CO2標準[5]

二氧化碳，10-2 10.38 ≥99.9

水分，10-6 飽和狀態 ≤20

一氧化氮，10-6 2.9 2.5

二氧化氮，10-6 2.0 2.5

二氧化硫，10-6 0.5 1.0

總硫10-6 0.1 0.1

碳氫化物總量10-6 144 20

苯，10-6 0.01 0.02

甲醇，10-6 5.0 10

乙醇，10-6 0.2 10

乙醛，10-6 82 0.2

其它含氧有機物，10-6 3.4 1.0

氯乙烯10-6 0.2 0.3

油脂，10-6（m/m） 5

蒸發殘渣，10-6（m/m） 10

氣味及外觀 無色無渾濁、有異味 無異味

氧氣，10-6 7.94 30

一氧化碳，10-6 4.6 10

氨，10-6 0.5 2.5

磷化氫，10-6 0.2 0.3

氰化氫，10-6 0.2 0.5

氮，10-6 81.5 30

甲烷，10-6 0.6 1.0

二硫化碳，10-6 0.1 0.1

3.碳捕集及精制工藝介紹

3.1吸收液的選擇

考慮到電廠排煙中CO2濃度小、分壓低，本項目選用了高效成熟的胺液吸收法。胺液吸收CO2的原理如下[6,7,8]：

伯胺、仲胺有強堿性，會吸收煙氣中的CO2生成氨基甲酸鹽。氨基甲酸鹽不穩定，在受熱條件下發生逆反應，使CO2解析出來同時恢復胺活性。CO2+2R1R2NHR1R2NCOO-+R1R2NH+（1）

與伯胺、仲胺不同的是，叔胺反應生成不穩定的碳酸氫鹽，反應原理見式（2）、（3）。其與CO2的反應速率明顯低于伯胺和仲胺，但其對CO2吸收量是伯胺和仲胺的一倍。

CO2+R3R4R5N+H2OR3R4R5NH++HCO3-（2）

R3R4R5NH++OH-R3R4R5N+H2O（3）

本示范工程選用了一種復配吸收液，含有反應速率高的伯胺、仲胺和吸收容量大的叔胺，使吸收液具有吸收量大、反應速率高和解吸能耗小的優點。同時，在復合胺液中還添加了抗氧化劑和防腐劑，可以抑制過氧化物的形成，中斷降解反應鏈的發生，有效地解決吸收溶液的氧化降解和腐蝕問題。

3.2碳捕集示范裝置工藝流程

碳捕集工藝流程如圖－1所示。鍋爐排放的煙氣經電除塵和石灰石－石膏脫硫后，抽取約1%凈煙氣進入碳捕集裝置的脫硫水洗塔，在塔內經液堿洗滌降溫、進一步脫除殘余的煙塵、SO2和SO3，然后由引風機送入吸收塔。在吸收塔內，煙氣中的CO2被貧液吸收，凈煙氣則自塔頂排空。吸收CO2后的富液換熱升溫后進入再生塔，經蒸汽加熱解吸后恢復活性，由貧液泵抽出，再經貧富液換熱和水冷后進入吸收塔循環使用。在再生塔頂得到95%（含飽和水）左右濃度的粗二氧化碳氣，進入緩沖罐，以備進一步壓縮精制。

圖－1 碳捕集工藝流程

95%的粗二氧化碳氣進入壓縮機增壓，經冷卻分水、穩壓后進入干燥床，用分子篩干燥劑干燥脫水，然后進入吸附床脫除油脂、硫化物等雜質；再被冷凍機降溫液化，進入精餾塔。輕組分氮氣、氧氣全部從塔頂除去，塔底得到純度為99.9%以上的食品級二氧化碳產品，經貯存后出廠銷售。

4.主要設備

碳捕集工段的主要設備如表－2所示。

序號 名稱 規格參數 數量 主材

1 脫硫水洗塔 Φ2200×15000mm，配空心球及鮑爾環填料 1座 16MnR+鱗片防腐

2 吸收塔 Φ2200×23400mm，配階梯環及鮑爾環填料 1座 16MnR+鱗片防腐

3 再生塔 Φ1600×23100mm，配不銹鋼波紋板填料 1座 304復合板

4 引風機 離心風機Q=10000Nm3/h P=6.7kPa 2臺 Q235

5 脫硫液泵 離心泵，Q=40m3/hH=40m 2臺 304

6 富液泵 離心泵，Q=60m3/hH=50m 2臺 304

7 貧液泵 離心泵，Q=60m3/hH=50m 2臺 304

8 貧液冷卻器 板式，F=100 m2 1臺 316L

9 富液換熱器 板式，F=100 m2 1臺 316L

10 貧富液換熱器 板式，F=150 m2 1臺 316L

11 溶液重沸器 列管式，F=140 m2 1臺 殼程Q235B

管程304

12 再生氣冷卻器 列管式，F=150 m2 1臺 殼程Q235B

管程304

13 胺回收加熱器 列管式，F=30m2 1臺 304

壓縮精制部分因工藝較為成熟，非碳捕集項目的技術關鍵，故不再介紹。

5.結束語

本碳捕集精制示范項目于2012年投建，正擬對其進行調試，利用其平臺開展吸收液的研發工作，并對捕集工藝進一步優化以降低能耗。

參考文獻：

[1]李江榮,孫明超,郭家秀,等.燃煤電廠的碳減排技術[J], 資源開發與市場，2011，27（5）：400-402.

[2]劉練波,黃斌,郜時旺，等.燃煤電站3000~5000t/a CO2捕集示范裝置工藝及關鍵設備[J]，電力設備,2008,9（5）:21－14.

[3]王曉亮,吳家樺，趙慶.燃煤電站CO2捕集技術研究現狀及前景展望[J] ,東方電氣評論,2011,25（6）：1-8.

[4]翟翼,張磊,徐迪,等.煤燃燒煙氣中CO2的吸收控制技術研究進展[J],遼寧化工,2009，38（3）:195-197.

[5] GB10621-2006,食品添加劑 液體二氧化碳(S).

[6]呂碧洪,金佳佳,張莉,等.有機胺溶液吸收CO2的研究現狀及進展[J],石油化工,2011，40（8）：803-808.

[7]陸詩建,李清方,張建. 醇胺溶液吸收二氧化碳方法及反應原理概述[J],科技創新導報,2009,13:4-7.

[8]衛博，劉丹.復合胺與MEA吸收法回收二氧化碳的研究[J],河南化工,2012,29:30-33.

作者簡介：

孫路長（1976-），女，河南南陽人，中國華電工程（集團）有限公司，工程師，碩士，從事電力環境保護方面工程設計工作。