二氧化碳捕集系统能量分析及换热网络优化

发布时间：2020-05-24 04:16

【摘要】：二氧化碳捕集系统的整体能耗较高，主要原因在于CO2吸收过程需要在较低的温度条件（近40℃）下进行，而CO2解吸过程需要在较高的温度条件（110～140℃）下完成。解吸过程需要的高品位能量是由来自汽轮机的蒸汽提供的，此外，CO2在压缩过程中为了减少功耗，需要被冷却。这一系列的加热冷却过程导致了能源的消耗，使得CO2捕集系统能耗持续在较高水平上。针对这一问题，本文对CO2捕集系统进行能量分析及换热网络优化，以降低总的能耗，提高其经济性能，主要工作如下：首先，采用热力学分析法对CO2捕集系统进行能量分析。所采用的热力学分析法是能量衡算法和有效能分析法，这两种方法互为协同、互为补充。将烟气的脱硫、脱碳系统视为一个整体，建立黑箱模型，通过能量衡算法，计算进出系统各物流的焓值。分析计算结果表明，，系统的热能主要来自电厂抽汽，而大部分热能损失来自洗涤液和冷却水。在有效能分析法中，因为CO2的捕集流程涉及化学反应，所以对于参与反应的物流，需要计算其物理有效能和化学有效能。分析全装置和各单元体设备的有效能分布情况，结果表明，吸收塔、解吸塔、贫富液换热器是首选的节能对象，回收烟气的热能在减少能耗的同时还可减少冷却水用量；其次，应用夹点分析法对CO2捕集系统的换热网络进行优化。确定了冷、热物流，计算得到了各物流热量。采用问题表法确定了换热网络的夹点温度（107℃）。再依据夹点分析的准则对冷、热物流进行重新匹配。得到了三种新的换热流程：一种是将高温烟气与胺补液之间进行匹配的烟气余热回收一级换热网络是，第二种是将高温烟气依次与富液、胺补液之间进行匹配的烟气余热直接回收二级换热网络。最后一种也属于烟气余热回收二级换热网络，但它是将高温烟气与富液之间进行间接换热。对三种方案的节能率和投资费用进行了分析计算，结果表明，烟气余热回收一级换热网络的节能率最高，投资成本最低，是最优改造方案；再次，采用Aspen Plus V8.2软件模拟最佳CO2捕集系统改造方案。为做好优化前后的比较，先模拟出原CO2捕集流程。选择适合水溶性混合溶剂的物性方法“Electrolyte NRTL”，建立MEA-H2O-CO2模块，计算结果表明碳捕集率为75.3%。然后对改造方案进行模拟计算，结果表明，利用烟气热能预热的胺补液温度由40℃升至93℃，与夹点分析计算结果的相对误差为8.8%；最后，对CO2捕集系统优化方案进行技术经济学评价。采用动态补偿年限法，利用节能措施一次性投资费用、年净节约费用、资金年利率和节能项目寿命周期末残值计算。结果表明，所采取的节能措施的动态回收期为2.6年，这一年限小于行业标准回收期，也小于设计使用年限的一半，因此该节能方案在技术经济学上是可行的。
【图文】：

示意图,典型系统,示意图

IGCC典型系统示意图

捕集系统,模拟流程图

图 1-5 碳捕集系统的模拟流程图[43]Fig.1-5 The simulation of carbon captured system[43]1.6 主要研究内容在捕集 CO2的所有方法中，化学吸收法最为成熟，但能耗大、投资成本高，有待于进一步改进。本课题以传统碳捕集流程为基础，通过理论分析、软件模拟来实现系统的优化。主要研究内容如下：（1）以烟气的整个脱硫、脱碳系统为研究对象，采用能量衡算法和有效能分析法来掌握系统能量消耗的特点，进而明确降低系统能耗的目标；（2）利用夹点分析技术确定了系统换热网络的夹点温度，然后通过冷、热物流间的“新”匹配对原换热网络进行改造，并对新换热网络进行评价，选出最优改造方案；（3）应用 Aspen Plus 软件模拟传统的碳捕集系统和通过夹点分析得出
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X701

【参考文献】