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摘要：為驗(yàn)證碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)在燃煤機(jī)組中的實(shí)際應(yīng)用效果,在某電廠(chǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)了1套萬(wàn)噸級(jí)有機(jī)胺法碳捕集示范工程。通過(guò)技術(shù)比選,選定了有機(jī)胺吸收和壓縮精制技術(shù)路線(xiàn),并對(duì)工藝系統(tǒng)和主要設(shè)備選型進(jìn)行了討論。示范裝置投運(yùn)后,通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn),獲得了吸收劑流量、煙氣量、再生溫度等因素對(duì)系統(tǒng)碳捕集效率、碳捕集量、蒸汽用量和電耗的影響規(guī)律,利用分析結(jié)果對(duì)碳捕集系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行優(yōu)化,獲得了最佳運(yùn)行參數(shù)。結(jié)果表明,本裝置在煙氣流量6 000~7 000 m3/h,吸收劑循環(huán)流量3 400~3 700 kg/h,再生溫度108.5~109.0 ℃時(shí)運(yùn)行性能最好,其碳捕集效率可達(dá)90%,碳捕集量可達(dá)1.39 t/h,平均電耗為312 （kW·h）/t CO2,平均再生熱耗為3.07 GJ/t CO2,能耗較傳統(tǒng)30%單乙醇胺（MEA）吸收系統(tǒng)降低23%左右。最后探討了碳捕集裝置運(yùn)行成本及其構(gòu)成。研究結(jié)果可以為同類(lèi)碳捕集裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及運(yùn)行研究提供較為翔實(shí)的參考數(shù)據(jù)。

0 引言

近年來(lái),氣候變化成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)2018年發(fā)布《IPCC全球升溫1.5 ℃特別報(bào)告》表明人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)的溫室氣體大量排放已經(jīng)造成了全球氣溫較工業(yè)革命之前上升約1 ℃,若不加控制全球平均氣溫將在2030 —2052年提高1.5 ℃,這將給全球生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不可逆的重大影響[1]。在溫室氣體中CO2占比高達(dá)60%,因此進(jìn)行CO2減排是控制溫室效應(yīng)最有效的手段,碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)CO2減排的主要途徑。CO2主要來(lái)自化石燃料的燃燒,當(dāng)前全球85%的能源需要由化石燃料提供[2]。我國(guó)隨著工業(yè)化進(jìn)展的加快,已經(jīng)超越美國(guó)成為全球碳排放第一大國(guó)。2019年全球碳排放401億t,我國(guó)碳排放量超過(guò)100億t,中電聯(lián)《中國(guó)煤電清潔發(fā)展報(bào)告》（2016）指出我國(guó)電力行業(yè)碳排放占全國(guó)能源消耗產(chǎn)生碳排放總量的40%左右,全國(guó)單位火電碳排放強(qiáng)度約為822 g/（kW·h）[3]。2020年9月在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上,我國(guó)提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”?！半p碳”目標(biāo)的提出對(duì)電力行業(yè)碳減排提出了更高的要求,這將導(dǎo)致我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的大幅調(diào)整。目前煤炭約占我國(guó)能源消費(fèi)的58%,研究表明到2050年化石能源占比將下降至10%~15%,CCUS將是目前實(shí)現(xiàn)該部分化石能源凈零排放的唯一技術(shù)選擇,是碳中和目標(biāo)下保持電力系統(tǒng)靈活性的主要手段[4,5]。

當(dāng)前碳捕集技術(shù)總體仍處于研發(fā)和示范階段,主要問(wèn)題是投資和運(yùn)行成本過(guò)高,長(zhǎng)期地質(zhì)封存的安全性和可靠性有待驗(yàn)證等。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家率先進(jìn)行了CCUS技術(shù)研究,尤其是美國(guó)和加拿大已嘗試開(kāi)展大型CCUS工程示范[6]。我國(guó)碳捕集技術(shù)研究起步雖晚但進(jìn)展較快,目前已建成十幾個(gè)小規(guī)模碳捕集示范工程,多屬于石化、化工和建材行業(yè),發(fā)電行業(yè)較少[7]。

由于煤電機(jī)組排煙體積流量大、煙氣中二氧化碳分壓低、煙氣成分復(fù)雜等原因,其碳捕集難度大、成本高[8]。目前,限制煤電機(jī)組碳捕集大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其高昂的投資和運(yùn)行成本[9]。本文針對(duì)燃煤電廠(chǎng)排煙,開(kāi)展了萬(wàn)噸級(jí)碳捕集示范工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化研究,以盡量降低其投資和運(yùn)行費(fèi)用。

1 工藝路線(xiàn)論證

1.1 碳捕集技術(shù)分類(lèi)

碳捕集技術(shù)可分為以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）為代表的燃燒前捕集、以富氧燃燒為代表的燃燒中捕集和以化學(xué)吸收法為代表的燃燒后捕集3種[10]。燃燒前捕集主要運(yùn)用于IGCC系統(tǒng)中,該技術(shù)捕集系統(tǒng)小、能耗低,然而其投資成本太高且可靠性還有待提高,富氧燃燒面臨的最大難題是制氧技術(shù)投資大、整體能耗高[11],這2種技術(shù)均僅適用于新建鍋爐,而我國(guó)燃煤發(fā)電機(jī)組已基本飽和,此2種技術(shù)實(shí)施機(jī)會(huì)較小。

燃燒后捕集即在燃燒排放的煙氣中捕集CO2,該技術(shù)對(duì)鍋爐燃燒及發(fā)電主系統(tǒng)沒(méi)有影響,既適用于新建機(jī)組也適用于老機(jī)組改造,應(yīng)用范圍廣闊。燃燒后捕集也有多種,主要為溶劑吸收法、吸附法、膜分離法、生物法等[12,13,14,15,16,17]。其中,吸附法適用于原料氣中CO2分壓較高或溫度較高且宜于進(jìn)行壓力或溫度變換的場(chǎng)合,膜分離法和生物法目前處于試驗(yàn)階段,技術(shù)尚不成熟。相較而言,化學(xué)溶劑吸收法已在化工行業(yè)應(yīng)用幾十年,技術(shù)最為成熟,應(yīng)用也最為廣泛。在化學(xué)吸收法中,有機(jī)胺由于具有較高的二氧化碳分離能力和較低的蒸發(fā)壓,且成本低廉,可以循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì),已成為當(dāng)前最常用的碳捕集吸收劑,目前已在大型煤電機(jī)組碳捕集工業(yè)裝置中得到應(yīng)用。

1.2 碳捕集技術(shù)路線(xiàn)選擇

本工程依托的2臺(tái)1 000 MW機(jī)組采用超超臨界燃煤鍋爐,故IGCC和富氧燃燒技術(shù)均不適合,只能采用后捕集技術(shù)?？紤]到燃煤機(jī)組排煙中CO2體積分?jǐn)?shù)低（8%~15%）,故選擇性低的物理吸收法選不適用。由于燃煤鍋爐煙氣流量大且近乎常壓（0~200 Pa）,若對(duì)煙氣進(jìn)行壓力變換需要耗費(fèi)巨大的能量,故不宜選用變壓吸附法。由于本項(xiàng)目煙氣經(jīng)濕除后出口煙溫為50~52 ℃,變溫吸附技術(shù)由于變溫能耗回收難和流化循環(huán)過(guò)程中吸附劑損耗過(guò)大也不宜使用。而膜分離法、低溫蒸餾法和生物法還處于中小規(guī)模試驗(yàn)階段,技術(shù)尚不成熟、成本較高,對(duì)本項(xiàng)目也不適用。考慮到電廠(chǎng)對(duì)裝置運(yùn)行可靠性要求較高,故選用技術(shù)成熟、分離效果好的化學(xué)吸收法。

化學(xué)吸收法中,有機(jī)胺和無(wú)機(jī)氨這2種吸收劑最為常用,新型的吸收劑如氨基酸鹽、離子液體、非水吸收劑、相變吸收劑等也在開(kāi)發(fā)過(guò)程中[18,19,20,21,22,23,24]。氨水法有再生效率低、氨逃逸率高的問(wèn)題,會(huì)造成潛在的環(huán)境二次污染,故在碳捕集中應(yīng)用不多。氨基酸鹽再生困難、成本高,離子液體生產(chǎn)困難、價(jià)格高昂,非水吸收劑和相變吸收劑均存在吸收劑損耗率大的問(wèn)題。鑒于電廠(chǎng)對(duì)項(xiàng)目的運(yùn)行安全性要求較高,故本項(xiàng)目選用了對(duì)二氧化碳選擇性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟的有機(jī)胺法。有機(jī)胺也有多種,包括一級(jí)胺、二級(jí)胺、三級(jí)胺和空間位阻胺等,不同胺與二氧化碳的反應(yīng)機(jī)理不盡相同,其反應(yīng)熱、反應(yīng)速率也各不相同。傳統(tǒng)的第1代吸收劑是以30%的單乙醇胺（MEA）為代表,其具有吸收效率高、反應(yīng)速率快的優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)是易降解、易氧化且腐蝕性強(qiáng)。因此,本文考慮選用改進(jìn)的第2代吸收劑,是由多種有機(jī)胺復(fù)配而成的水基吸收劑并添加抗氧化劑和緩蝕劑,其再生能耗低、酸氣負(fù)荷大、損耗低、壽命長(zhǎng)。

本示范項(xiàng)目所在地處于內(nèi)陸,附近無(wú)油田,無(wú)法將捕集到的產(chǎn)品CO2用于驅(qū)油,也無(wú)合適的地下咸水層或礦井可用于封存,故產(chǎn)品考慮回用。鑒于項(xiàng)目所在地經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),食品級(jí)二氧化碳的需求量大,考慮將產(chǎn)品提純至食品級(jí)以提高其利用價(jià)值。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn),通過(guò)中壓壓縮、吸附、液化和精餾,即可獲得高純度的二氧化碳。

根據(jù)以上分析,本項(xiàng)目確定總體技術(shù)路線(xiàn)為有機(jī)胺捕集+壓縮精制,整體技術(shù)包含4個(gè)操作單元：煙氣預(yù)處理單元、有機(jī)胺捕集單元、壓縮精制單元和產(chǎn)品儲(chǔ)存供應(yīng)單元,如圖1所示。煙氣預(yù)處理單元是對(duì)原料氣所含的微塵和少量強(qiáng)酸性氣體進(jìn)行處理,以減少其對(duì)吸收劑造成的危害;捕集單元是通過(guò)吸收再生過(guò)程實(shí)現(xiàn)煙氣中的CO2分離;壓縮精制單元是通過(guò)壓縮、吸附、冷卻液化和精餾提純技術(shù)進(jìn)一步提高CO2純度,以滿(mǎn)足食品級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求;產(chǎn)品儲(chǔ)存供應(yīng)單元是將液化后的CO2儲(chǔ)存、制成干冰及裝車(chē)外運(yùn)。

2 萬(wàn)噸級(jí)示范工程設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)條件

依托江蘇華電某電廠(chǎng)二期2×1 000 MW擴(kuò)建工程,建設(shè)1套碳捕集量為10 000 t/a的碳捕集示范裝置,產(chǎn)品原按食品級(jí)液體二氧化碳設(shè)計(jì),后考慮到產(chǎn)品多元化需求增加了干冰制備裝置。原料氣來(lái)自二期#3,#4燃煤機(jī)組濕式電除塵器出口,污染物已達(dá)超低排放標(biāo)準(zhǔn),煙氣主要組分見(jiàn)表1。表中BMCR為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量,THA為機(jī)組的熱耗率驗(yàn)收工況。

2.2 工藝流程

碳捕集示范工程捕集部分工藝流程如圖2所示。鍋爐排放的煙氣經(jīng)脫硝、電除塵、脫硫和濕式電除塵后進(jìn)入碳捕集裝置的深度凈化塔,在塔內(nèi)經(jīng)洗滌降溫和深度脫硫后,由引風(fēng)機(jī)送入吸收塔底部入口。吸收塔內(nèi)煙氣中的CO2被來(lái)自塔頂?shù)呢氁何?經(jīng)洗滌冷卻后的凈煙氣自塔頂排空。吸收CO2后的富液由塔底經(jīng)泵送入貧富液換熱器,回收熱量后送入再生塔。富液在再生塔內(nèi)通過(guò)汽提解吸部分CO2,然后進(jìn)入溶液煮沸器,在蒸汽加熱下使其中的CO2進(jìn)一步解吸。解吸出的CO2連同水蒸氣從再生塔頂排出,經(jīng)冷卻分水后得到純度95%（濕基）以上的產(chǎn)品——粗CO2氣,隨后被送入后續(xù)壓縮精制工段。解吸CO2后的貧液自再生塔底流出,經(jīng)貧富液換熱器換熱降溫后,用泵送至貧液冷卻器冷卻后返回吸收塔。再生氣冷凝分離出的液體經(jīng)地下槽收集后再送入再生塔,返回到吸收劑循環(huán)系統(tǒng)。由此,吸收劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸CO2的工藝過(guò)程。在預(yù)處理階段,本項(xiàng)目將深度凈化塔系統(tǒng)排出的廢水送至脫硫制漿系統(tǒng)回用于制漿,最終用于SO2脫除,既減少了廢水排放量,又可以充分回用廢水中的剩余堿性。

圖2碳捕集示范工程捕集部分工藝流程

Fig.2Process of the carbon capture section in the carbon capture demonstration project

碳捕集示范工程壓縮精制部分工藝流程如圖3所示。粗CO2氣經(jīng)緩沖后進(jìn)入CO2壓縮機(jī),壓縮到約2.5 MPa并預(yù)冷后進(jìn)入吸附器,脫除含硫組分和其他雜質(zhì),隨后再進(jìn)入干燥器進(jìn)行深度脫水。然后進(jìn)入冷凝器,在2.0 MPa、-18~-20 ℃條件下液化,之后進(jìn)入提純塔精餾提純,再經(jīng)后冷器降溫后進(jìn)入產(chǎn)品罐儲(chǔ)存,最后可由裝車(chē)泵裝車(chē)外運(yùn)。液體二氧化碳也可由干冰機(jī)制成干冰后裝箱回用。預(yù)冷、液化、提純和后冷等所需冷源由制冷機(jī)提供。

圖3碳捕集示范工程壓縮精制部分工藝流程

Fig.3Compression and purification process of the carbon capture demonstration project

2.3 主要設(shè)備選型優(yōu)化

（1）深度凈化塔：1座,選用填料塔,根據(jù)處理煙氣量和洗滌要求,采用圓柱塔型。考慮到濕煙氣及深度凈化塔洗滌液的腐蝕性,填料選用增強(qiáng)塑料散堆填料,塔體內(nèi)部設(shè)防腐層,塔內(nèi)件選用不銹鋼材料。

（2）吸收塔：1座,采用圓柱填料塔。考慮到吸收液的腐蝕性,塔體按碳鋼設(shè)計(jì),內(nèi)設(shè)防腐層。塔內(nèi)設(shè)3段塑料散堆填料,其中2段用于吸收,1段用于尾氣洗滌。

（3）再生塔：1座,采用圓柱填料塔?？紤]運(yùn)行溫度,塔體按不銹鋼設(shè)計(jì),內(nèi)設(shè)不銹鋼塔盤(pán)2片,不銹鋼孔板波紋規(guī)整填料2段。塔下設(shè)立式溶液煮沸器1座。

（4）提純塔：1座,新型復(fù)合填料塔,圓柱形。塔頂設(shè)冷凝器,塔中段設(shè)2段不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)整填料,下部為儲(chǔ)液區(qū)?？紤]到檢修方便,再沸器與提純塔分體設(shè)置。

（5）產(chǎn)品罐：2臺(tái),立式雙層真空保冷儲(chǔ)罐,主材碳鋼,每罐容積80 m3,滿(mǎn)足液態(tài)二氧化碳3 d的儲(chǔ)存要求。

（6）引風(fēng)機(jī)：1臺(tái),離心式。由于濕煙氣具有較強(qiáng)的酸腐蝕性,風(fēng)機(jī)葉輪及殼體等與煙氣接觸部分的材質(zhì)采用316L。考慮到鍋爐排煙中CO2的體積分?jǐn)?shù)隨機(jī)組負(fù)荷變化波動(dòng)較大,引風(fēng)機(jī)按變頻設(shè)計(jì),配套變頻器以便及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)煙氣量。

（7）壓縮機(jī)：1臺(tái)。小型二氧化碳?jí)嚎s機(jī)有活塞式、螺桿式2種。螺桿式壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要噴油,雖然其有油過(guò)濾器等除油設(shè)施,但本項(xiàng)目所需產(chǎn)品純度要求較高,為防止油對(duì)二氧化碳的污染,故選用了氣缸與填料無(wú)油潤(rùn)滑的活塞式壓縮機(jī),氣缸帶不銹鋼缸套以防止腐蝕。設(shè)備形式為L(zhǎng)型兩列三缸水冷無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)活塞式,排氣壓力2.5 MPa。

（8）制冷機(jī)：1臺(tái)?？紤]到環(huán)保需要,工質(zhì)選用對(duì)大氣臭氧層無(wú)污染的環(huán)保型多元共沸R404a制冷劑,制冷壓縮機(jī)為螺桿式,機(jī)組配有儲(chǔ)液器、冷凝器、油分離器及電控柜等輔助設(shè)置。

（9）冷換系統(tǒng)：1套。貧富液換熱器、貧液冷卻器、洗滌液冷卻器等選用板式換熱器,板片選用高效板型以提高換熱效率,主材為不銹鋼。溶液煮沸器、再生氣冷卻器、再沸器、液化器、預(yù)冷器、后冷器等則選用管殼式換熱器,并根據(jù)工作條件選用合理的材質(zhì)。為安全起見(jiàn),換熱器設(shè)計(jì)余量取20%以上。

（10）泵類(lèi)：間斷運(yùn)行的加堿泵和廢水泵各設(shè)1臺(tái),經(jīng)常運(yùn)行的泵均按1用1備設(shè)置,并根據(jù)工作介質(zhì)的不同選用不同材質(zhì)。裝車(chē)泵選用屏蔽泵,其他泵均為離心泵。

（11）干冰機(jī)：2臺(tái),考慮到干冰的制備可以獨(dú)立于液態(tài)二氧化碳生產(chǎn),每臺(tái)機(jī)產(chǎn)量按500 kg/h設(shè)計(jì)。干冰機(jī)所排廢氣分為2路,一路排空,一路接入二氧化碳精制系統(tǒng)。在正常情況下,考慮回收干冰機(jī)所排二氧化碳?xì)怏w,以便循環(huán)利用。

2.4 設(shè)備布置優(yōu)化

碳捕集裝置與二期擴(kuò)建主體工程協(xié)同設(shè)計(jì),在合理位置預(yù)留碳捕集裝置布置空間,碳捕集所需外部連接管路、電纜橋架等均依托主廠(chǎng)管架或管溝敷設(shè)。碳捕集區(qū)域內(nèi)部根據(jù)功能不同,將整體裝置分為3個(gè)區(qū)域布置,分別為電控間、主裝置區(qū)和產(chǎn)品區(qū)。主裝置區(qū)位于中間,布置有捕集及壓縮精制主要工藝設(shè)備,設(shè)工藝樓1座,設(shè)備分層布置,并在2層預(yù)留了新技術(shù)開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)平臺(tái)所需空間。產(chǎn)品區(qū)主要布置有產(chǎn)品罐、裝車(chē)泵及干冰車(chē)間等。各區(qū)之間路面硬化,并設(shè)環(huán)形道路便于設(shè)備檢修和人員通行。

3 示范工程運(yùn)行優(yōu)化研究

碳捕集示范裝置于2019年5月成功投運(yùn),2020年6—12月,進(jìn)行了多次運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn),并對(duì)主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了分析,結(jié)果如下。

3.1 深度凈化塔運(yùn)行優(yōu)化

深度凈化塔承擔(dān)著降煙溫和捕集煙氣中強(qiáng)酸性氣體的作用。其主要運(yùn)行參數(shù)是循環(huán)液量、循環(huán)液溫及循環(huán)液pH值。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)在秋冬低溫時(shí)節(jié)吸收塔水平衡出現(xiàn)問(wèn)題,吸收系統(tǒng)液量降低明顯,貧富液質(zhì)量濃度逐漸增加。經(jīng)分析,低溫狀態(tài)下原料煙氣經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離管道輸送后煙溫大幅度降低,而在吸收塔中煙氣與吸收劑接觸反應(yīng)過(guò)程中煙溫升高,其飽和水含量增加,自吸收劑中吸收水分。因此在低溫季節(jié),應(yīng)適當(dāng)降低深度凈化塔循環(huán)液量,減少或關(guān)閉冷卻水,以保證吸收塔入口煙溫在一定水平。

3.2 吸收塔運(yùn)行優(yōu)化

吸收系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)是吸收劑循環(huán)流量、吸收塔入口貧液溫度、吸收塔入口煙溫、尾氣洗滌液循環(huán)量及洗滌液溫度等。根據(jù)吸收系統(tǒng)的反應(yīng)條件,將各參數(shù)均設(shè)定了合理的推薦范圍,并通過(guò)分散控制系統(tǒng)（DCS）調(diào)節(jié)。吸收劑循環(huán)流量對(duì)碳捕集效率、碳捕集量和再生蒸汽耗量的影響分別如圖4—6所示。由圖可見(jiàn),各數(shù)據(jù)點(diǎn)呈離散狀,相互偏差較大。分析原因主要是由鍋爐負(fù)荷變化造成,本項(xiàng)目煙氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)隨鍋爐負(fù)荷變化在10%~15%間波動(dòng),鍋爐負(fù)荷根據(jù)電網(wǎng)的要求一天中可能會(huì)有多次調(diào)整且無(wú)法反饋到碳捕集裝置控制系統(tǒng)中,從而對(duì)碳捕集裝置造成了較大的沖擊。其次,在運(yùn)行過(guò)程中,由于工況參數(shù)多,每次可能同時(shí)調(diào)整多個(gè)參數(shù),各參數(shù)相互之間有干擾或協(xié)同作用,從而造成運(yùn)行結(jié)果出現(xiàn)偏離。

圖4碳捕集效率隨吸收劑循環(huán)流量變化的曲線(xiàn)

Fig.4Carbon capture efficiency varying with the absorbent circulation flow

圖5碳捕集量隨吸收劑循環(huán)流量變化的曲線(xiàn)

Fig.5Carbon capture capacity varying with the absorbent circulation flow

圖6蒸汽耗量隨吸收劑循環(huán)流量變化的曲線(xiàn)

Fig.6Steam consumption varying with the absorbent circulation flow

雖然數(shù)據(jù)點(diǎn)有較大波動(dòng)和偏差,但多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的趨勢(shì)分析結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi),隨吸收劑循環(huán)流量的增加,碳捕集效率先降低后增加,碳捕集量及蒸汽耗量則是緩慢增加。因此,從節(jié)能的角度出發(fā),吸收劑循環(huán)流量不宜太高。但同時(shí)也不宜太低,過(guò)低的循環(huán)流量將影響碳捕集裝置產(chǎn)量。按碳捕集效率90%、產(chǎn)量1.39 t/h計(jì),本項(xiàng)目最優(yōu)的吸收劑循環(huán)流量為3 400~3 700 kg/h,吸收劑入口溫度宜取40 ℃,入口煙溫建議控制在38~40 ℃。

3.3 引風(fēng)機(jī)運(yùn)行優(yōu)化

碳捕集效率和碳捕集量隨吸收塔入口煙氣量的變化曲線(xiàn)如圖7—8所示。由圖可知,隨著原料煙氣量的增加,碳捕集效率下降,而碳捕集能力則上升。這是因?yàn)殡S著入口煙氣量增加,煙氣中攜帶的CO2總量增大,使得可碳捕集到的CO2絕對(duì)質(zhì)量增多,但由于裝置碳捕集能力受限,吸收塔出口煙氣中CO2質(zhì)量濃度反而增大,碳捕集效率隨之下降。圖8中煙氣量為7 000 m3/h,碳捕集量卻僅為924.4 kg/h的工況點(diǎn)經(jīng)查是由于設(shè)定的再生溫度過(guò)低（106.4 ℃）,吸收劑再生效果不好造成的。由圖7和圖8可知,宜將入口煙氣量控制在6 000~7 000 m3/h（標(biāo)態(tài)、濕基、實(shí)際氧）,同時(shí)應(yīng)根據(jù)入口煙氣中CO2質(zhì)量濃度的變化及時(shí)調(diào)整煙氣量。

圖7碳捕集效率隨吸收塔入口煙氣量變化的曲線(xiàn)

Fig.7Carbon capture efficiency varying with the flue gas at the absorption tower inlet

圖8碳捕集量隨吸收塔入口煙氣量變化的曲線(xiàn)

Fig.8Carbon capture capacity varying with the flue gas at the absorption tower inlet

3.4 再生塔運(yùn)行優(yōu)化

碳捕集效率和碳捕集量隨再生溫度的變化曲線(xiàn)如圖9—10所示。由圖可知,隨著再生溫度的升高,碳捕集效率和碳捕集量均有先增加后減少的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵偕鷾囟冗^(guò)低時(shí),CO2吸收反應(yīng)生成的銨基甲酸鹽等中間產(chǎn)物分解不徹底,貧液的酸氣負(fù)荷較高,吸收余量不大,因此捕集效率和碳捕集量均較低。隨著再生溫度升高,貧液再生效果變好,故碳捕集效率及碳捕集量隨之增大。但再生溫度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致貧液出口溫度增加,吸收塔進(jìn)液溫度相應(yīng)提高,反而抑制了吸收反應(yīng)。本碳捕集裝置在再生溫度為109.5 ℃時(shí)碳捕集效率最高,產(chǎn)量較大,但同時(shí)再生蒸汽耗量也較大。

圖9碳捕集效率隨再生溫度變化的曲線(xiàn)

Fig.9Carbon capture efficiency varying with the regeneration temperature

圖10碳捕集量隨再生溫度變化的曲線(xiàn)

Fig.10Carbon capture capacity varying with the regeneration temperature

3.5 能耗優(yōu)化

碳捕集量、碳捕集效率和再生溫度隨再生蒸汽耗量的變化如圖11—13所示。由圖可知,隨著再生蒸汽耗量增大,再生溫度直線(xiàn)升高,而碳捕集效率和碳捕集量則是先升高再下降。鑒于本項(xiàng)目要求的碳捕集效率為90%,碳捕集量為1.39 t/h,根據(jù)圖9可知,對(duì)應(yīng)的再生溫度為108.7 ℃,由圖13得其再生蒸汽耗量約為2 100 kg/h,由圖11可知其碳捕集能力可達(dá)1 600 kg/h,高于設(shè)計(jì)要求（1 390 kg/h）。為降低能耗,可以采取稍低的再生溫度,或者在采用高再生溫度時(shí)適當(dāng)降低吸收劑循環(huán)流量。綜合分析,本項(xiàng)目合適的吸收劑再生溫度宜控制在108.5~109.0 ℃之間。

圖11碳捕集量隨再生蒸汽耗量變化的曲線(xiàn)

Fig.11Carbon capture capacity varying with the regeneration steam consumption

圖12碳捕集效率隨再生蒸汽耗量變化的曲線(xiàn)

Fig.12Carbon capture efficiency varying with the regeneration steam consumption

圖13再生溫度隨再生蒸汽耗量變化的曲線(xiàn)

Fig.13Relationship between regeneration temperature and regeneration steam consumption

裝置運(yùn)行優(yōu)化過(guò)程中,DCS數(shù)據(jù)庫(kù)中蒸汽耗量、電耗量（含碳捕集與精制部分）與碳捕集量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖14所示。由圖可知,電耗量基本呈直線(xiàn),變化較小,碳捕集量和蒸汽耗量則有劇烈波動(dòng)。碳捕集量與再生蒸汽耗量和電耗量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)關(guān)系如圖15—16所示。由圖15可知,大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)條件下,碳捕集量與再生蒸汽耗量的關(guān)系與圖11有所不同,雖然數(shù)據(jù)點(diǎn)也存在較大的波動(dòng),但從趨勢(shì)分析上看二者線(xiàn)性正相關(guān),這是因?yàn)榇罅拷y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了少量樣本情況下偏差的影響。由圖16可知,碳捕集量與電耗量也呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)量為1 390 kg/h時(shí),需要的平均蒸汽耗量約為2 080 kg/h（折合單位蒸汽耗量為1.496 t/t CO2）,折合單位再生能耗3.07 GJ/t CO2（按蒸汽換熱焓差2 049 kJ/kg計(jì)）,電耗量約為433 kW·h,折合單位電耗量312 （kW·h）/t CO2。

圖14碳捕集量、蒸汽耗量、電耗量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)

Fig.14Curves of carbon capture capacity, steam consumption and electricity consumption varying with time

圖15碳捕集量與再生蒸汽耗量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)關(guān)系曲線(xiàn)

Fig.15Carbon capture capacity varying with the regeneration steam consumption

圖15碳捕集量與再生蒸汽耗量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)關(guān)系曲線(xiàn)

Fig.15Carbon capture capacity varying with the regeneration steam consumption

3.6 性能試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整后,示范裝置運(yùn)行平穩(wěn),由第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行了性能考核試驗(yàn)。性能試驗(yàn)共測(cè)試了3個(gè)工況,每個(gè)工況對(duì)應(yīng)的吸收塔入口煙氣量分別為6 874,6 702,6 678 m3/h（標(biāo)態(tài)、濕基、實(shí)際氧）。利用吸收塔入出口煙道上預(yù)留的煙氣測(cè)孔,利用網(wǎng)格法分別測(cè)量了入/出口煙氣量、煙溫及煙氣組分等數(shù)據(jù),煙氣參數(shù)測(cè)試儀器為S型皮托管、熱電偶、紅外煙氣分析儀、自動(dòng)煙塵測(cè)試儀和煙氣含濕量溫度檢測(cè)器等。性能試驗(yàn)期間,吸收塔入口平均煙溫為40 ℃,入口平均CO2體積分?jǐn)?shù)為14.8%（干基、實(shí)際氧）,出口平均CO2體積分?jǐn)?shù)為0.41%（干基、實(shí)際氧）。碳捕集量、蒸汽耗量和電耗量分別根據(jù)DCS記錄的液位、流量、電流、電壓等數(shù)據(jù)計(jì)算得到。產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)是自產(chǎn)品罐前密閉采樣器取樣并送至專(zhuān)門(mén)計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)化驗(yàn)取得。性能試驗(yàn)結(jié)果取各工況下平均值,主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

由表2可知,裝置各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)值。其中,碳捕集效率和電耗量顯著優(yōu)于設(shè)計(jì)值。這是由于在性能試驗(yàn)時(shí),將吸收劑循環(huán)流量、再生溫度分別設(shè)定為37 000 kg/h和109 ℃,在此條件下吸收劑再生效率高、碳捕集能力強(qiáng),故獲得了較高的碳捕集效率。

但由于入/出口煙氣中含水率高達(dá)16%,入口煙氣中CO2濕基質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為12.43%,低于設(shè)計(jì)值,故產(chǎn)量只有1.39 t/h,與設(shè)計(jì)值持平。裝置蒸汽耗量為2.14 t/h,單位蒸汽耗量為1.54 t/t CO2,折合再生能耗3.2 GJ/t CO2,略低于設(shè)計(jì)值但略高于裝置優(yōu)化運(yùn)行均值。裝置總電耗量為431.32 kW,單位電耗量為310.3 （kW·h）/t CO2,其中碳捕集段功率約為100.0 （kW·h）/t CO2,這說(shuō)明壓縮機(jī)和制冷機(jī)對(duì)裝置電耗影響較大。

性能試驗(yàn)期間屬于初冬,氣溫較低,系統(tǒng)制冷所需電機(jī)功率有所降低,同時(shí)深度冷卻塔循環(huán)泵低流量運(yùn)行、引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行也有益于減少運(yùn)行電耗。

4 運(yùn)行成本分析

通過(guò)以上參數(shù)優(yōu)化,按年捕集10 000 t二氧化碳計(jì),裝置年運(yùn)行成本約為379 萬(wàn)元,碳捕集成本約為379 元/t,與國(guó)內(nèi)同類(lèi)工程相比較費(fèi)用屬于中等水平（國(guó)內(nèi)碳捕集成本在300~500 元/t之間[25]）,遠(yuǎn)低于國(guó)外同類(lèi)工程。各項(xiàng)費(fèi)用取值及計(jì)算詳見(jiàn)表3。

注：設(shè)計(jì)捕集量1萬(wàn)t/a,年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)8 000 h;蒸汽按低品位蒸汽計(jì)價(jià),電按上網(wǎng)電價(jià)計(jì)價(jià)。

由表3可知,對(duì)于萬(wàn)噸級(jí)裝置來(lái)說(shuō),蒸汽、電、人工和吸收劑費(fèi)用在運(yùn)行費(fèi)用中占比較高,其中蒸汽和電費(fèi)分別占35.23%和24.48%,合計(jì)占比達(dá)59.80%。這說(shuō)明,需要從降低蒸汽耗量和電耗量入手來(lái)減少裝置運(yùn)行成本。

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)依托某電廠(chǎng)2臺(tái)1 000 MW燃煤機(jī)組所建設(shè)的10 000 t/a二氧化碳捕集示范項(xiàng)目,進(jìn)行了技術(shù)路線(xiàn)比選,綜合考慮燃煤電廠(chǎng)煙氣特性和各種碳捕集技術(shù)的適用條件,選定了有機(jī)胺法捕集+壓縮精制技術(shù)路線(xiàn),所用吸收劑為多元復(fù)合醇胺水基溶液,項(xiàng)目產(chǎn)品精制為食品級(jí)液體和干冰后回用。在示范裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了工藝流程、設(shè)備選型和布置優(yōu)化。

在裝置投運(yùn)后,進(jìn)行了多次優(yōu)化試驗(yàn),通過(guò)不同工藝運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定,考察了吸收塔入口煙氣量、入口煙溫、吸收劑循環(huán)流量和再生溫度等工藝參數(shù)對(duì)裝置碳捕集效率、碳捕集量、蒸汽耗量和電耗量的影響。通過(guò)運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,得到了一系列關(guān)系曲線(xiàn)以及主要工藝運(yùn)行參數(shù)的最佳范圍。在性能考核試驗(yàn)中,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于原設(shè)計(jì)值,對(duì)本碳捕集裝置今后運(yùn)行類(lèi)似項(xiàng)目具有指導(dǎo)作用。研究主要結(jié)論如下：

（1）隨吸收劑循環(huán)流量增大,碳裝置能耗、碳捕集量相應(yīng)提高,碳捕集效率則先降后升,推薦的吸收劑循環(huán)流量為3 400~3 700 kg/h。

（2）隨吸收塔入口煙氣流量增大,碳捕集量增大,但碳捕集效率反而下降,本裝置適宜的煙氣流量為6 000~7 000 m3/h。

（3）隨再生溫度的提高,再生蒸汽耗量、碳捕集量均增加,而碳捕集效率則先升后降,本項(xiàng)目最佳再生溫度為108.5~109.0 ℃。

（4）在性能試驗(yàn)中,本示范裝置單位蒸汽耗量為1.54 t/t CO2,電耗量為310.3 （kW·h）/t CO2,以此核算運(yùn)行成本為379 元/t CO2,運(yùn)行成本中蒸汽耗量和電耗量占比較高。

（5）長(zhǎng)期優(yōu)化運(yùn)行中能耗指標(biāo)略?xún)?yōu)于性能試驗(yàn),其中蒸汽耗量為1.496 t/t CO2,電耗量為310.3 （kW·h）/t CO2。

本項(xiàng)目的碳捕集成本為379 元/t,相對(duì)較高,這與示范工程規(guī)模較小有關(guān),但從能耗分析來(lái)看單位能耗還有下降空間。下一步擬進(jìn)行吸收劑配方調(diào)整,將再生能耗和胺液損耗進(jìn)一步降低。同時(shí),研究吸收塔級(jí)間冷卻、富液分流、余熱梯級(jí)利用、高效填料和高效換熱器等工藝優(yōu)化手段對(duì)能耗的影響,提出碳捕集系統(tǒng)綜合節(jié)能優(yōu)化方案,以期獲得低成本碳捕集技術(shù)。另外,本示范裝置年碳捕集量?jī)H1萬(wàn)t,而常規(guī)300 MW燃煤機(jī)組的年碳排放量高達(dá)160萬(wàn)~180萬(wàn)t。在下一階段需要進(jìn)行中大型碳捕集技術(shù)研究,包括中大型碳捕集設(shè)備選型與設(shè)計(jì)、中大型碳捕集裝置與燃煤電廠(chǎng)主機(jī)系統(tǒng)耦合的研究等。在“碳達(dá)峰、碳中和”總體目標(biāo)要求下,低成本CCUS成為燃煤機(jī)組的一條必由之路,本技術(shù)還需要進(jìn)行深入研究和優(yōu)化,為將來(lái)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供切實(shí)的技術(shù)保障。