氨水溶液脱除燃煤电站烟气中二氧化碳能耗研究

发布时间：2020-08-17 14:05

【摘要】：氨水溶液作为CO_2吸收剂具有较好的应用前景,然而氨水脱除CO_2工艺的高能耗使得其应用于燃煤电站时将带来电站发电效率的显著降低和发电成本的显著上升。本文针对氨水溶液脱除CO_2工艺的能耗问题展开研究,通过参数优化、流程设计和吸收剂改良降低氨法脱碳工艺的能耗,并进行了氨法脱碳系统应用于大型燃煤电站时的经济性分析。在氨水溶液脱除CO_2工艺参数优化方面,本文建立并验证了针对NH_3-CO_2-H_2O体系的速率模型,利用该模型得到了各工艺参数对系统能耗的影响规律。从显热、气提热和反应热变化分析了参数影响CO_2解吸能耗的机理,同时考虑了逃逸氨处理导致的氨再生能耗对系统总能耗的影响。采取正交化试验方法,获得了CO_2解吸能耗和总能耗最低时的操作条件和能耗数据,揭示了显著影响系统能耗的关键参数,得到了在优化工况下的CO_2解吸能耗为2.85 MJ/kg CO_2以及系统总能耗为4.07 MJ/kg CO_2。在氨水溶液脱除CO_2工艺流程设计方面,本文提出了一种新型氨法脱碳流程,整合了CO_2吸收、CO_2解吸、逃逸氨清洗、烟气脱硫、产物净化和氨再生过程,实现了逃逸氨的低耗再生和解吸塔结晶问题的消除。通过实验室规模填料塔实验研究了关键参数的影响规律,建立并验证了针对NH_3-SO_2-CO_2-H_2O体系的速率模型。利用模型对该新型流程进行了可行性分析,指出新型流程的应用能使系统总能耗降低至2.6 MJ/kg CO_2。在氨水溶液改良方面,本文考察了氨/哌嗪(PZ)混合吸收剂应用于燃煤电站烟气CO_2脱除时的系统表现。建立并验证了针对NH_3-PZ-CO_2-H_2O体系的速率模型,得到了PZ的加入对氨水脱除CO_2过程的影响规律。研究表明,PZ的加入显著提升了CO_2的吸收速率,同时也增大了氨的逃逸速率。在常规氨法脱碳流程下,PZ的加入将使CO_2解吸能耗降低至2.3 MJ/kg CO_2,但会同时显著增加氨再生能耗,从而增加系统总能耗;而在本文新型流程下,PZ的加入使得系统总能耗进一步降低至2.47 MJ/kg CO_2。在氨水溶液脱除CO_2工艺经济性方面,本文研究了常规流程氨法脱碳工艺以及新型流程下的氨法脱碳工艺和NH_3/PZ混合吸收剂脱碳工艺应用于大型燃煤电站时对电站发电效率和发电成本的影响,得到了影响二者的关键因素。研究发现三种脱碳工艺的应用将使得电站净发电效率从38.9%分别降至27.7%、30.3%和30.9%,对应CO_2规避成本分别为$83、$66和$62/t CO_2,表明流程优化和吸收剂改良显著提升了氨法脱碳工艺经济性。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM621;X773
【图文】：

主要国家,CO2排放量,全球,数据源

图 1-1 1990-2014 年间全球主要国家 CO2排放量（数据源自 IEA，2015）1.1.2 国际舆论与中国承诺国际社会通过 CO2减排以应对全球气候变化的努力一直在进行。以 1992 年合国环境与发展大会上通过的《气候变化框架公约》为纲领性文件，世界各国同努力，经过多次协商，达成了《京都议定书》、《哥本哈根协议》等系列协并在 2015 年的巴黎气候大会上首度达成覆盖近 200 个国家和地区的全球减排定，在应对全球气候变化方面迈出了重要的一步。依照巴黎协定的内容，采取家自主贡献的方式达成减排目标，以期将全球平均气温升高控制在 2°C 以内，为控制在 1.5°C 以内而努力（巢清尘等，2016）。中国经济的高速发展和以煤为主的能源结构使得中国已经成为全球最大的源消费国和 CO2排放总量国，在国际社会上承受着巨大的 CO2减排压力。中国府高度重视应对气候变化和降低碳排放问题，陆续颁布《中国应对气候变化国方案》、《“十二五”控制温室气体排放工作方案》、《国家适应气候变化战

示意图,燃煤电站,捕集技术,路线

因此 CCS 技术的发展对于 CO2减排具有重要的意义，而我国以煤为主的能源结构使得应用于燃煤电站的 CCS 技术成为了研究者关注的焦点，也是本文的研究对象1.2 燃煤电站二氧化碳减排1.2.1 燃煤电站二氧化碳捕集技术燃煤电站作为主要的 CO2集中排放源，其 CO2捕集技术路线可按照捕集 CO的位置分为燃烧前捕集、富氧燃烧技术和燃烧后捕集，如图 1-2 所示（Metz et al2005）。燃烧后捕集路线针对燃煤电站烟气中的低浓度 CO2进行捕集和分离，无需对现有电站做较大改动即可应用（张谋，2007）；燃烧前捕集路线主要针对整体煤气化联合循环（IGCC）电站，通过采用煤气化及重整技术将燃煤转化成 H和 CO2的混合气，其中 CO2体积浓度可高达 45%，可采用物理方法直接分离出 CO进行后续压缩过程（Field et al，2011）；富氧燃烧技术通过采用高浓度氧气替代空气参与燃烧过程，可得到高 CO2浓度的烟气（高达 95%），从而可以对烟气进行直接压缩处理（Stadler et al，2011）。

示意图,化学吸收法,示意图,烟气

1.2.2 化学吸收法捕集二氧化碳化学吸收法捕集烟气中的 CO2过程实质为吸收剂与烟气中 CO2发生接触，通过化学反应形成不稳定的反应产物从而实现 CO2从烟气中的分离，随后通过加热等手段使得该化学反应发生逆转从而释放 CO2（Wang et al，2011）。图 1-3 给出了化学吸收法捕集烟气中 CO2的典型工艺流程，来自燃煤电站的烟气在经过预处理之后进入 CO2吸收设备，预处理过程一般包括烟气中含有的其他污染物的处理以及降温过程。在 CO2吸收设备中，烟气中的 CO2与吸收液发生反应，脱除 CO之后得到净化烟气。吸收 CO2后得到的 CO2富液被送入解吸设备发生解吸，CO被释放，从而在解吸设备内得到高纯度的 CO2气体，随后进行压缩之后得到产物解吸 CO2之后得到的 CO2贫液被再次送入吸收设备进行 CO2的脱除以实现吸收液的循环利用。

【相似文献】