二氧化碳化学吸收系统的工艺流程改进和集成优化研究

摘要

化学吸收法是目前最有可能大规模应用的CO2捕集技术之一，但还存在能耗和投资过高的问题。本文对CO2化学吸收捕集工艺操作参数优化和工艺流程改进（添加级间冷却工艺、富液分级流工艺、直接蒸汽再生工艺）进行研究，获得新型低能耗工艺方案。 本文对100万吨/年的化学吸收法CO2捕集工艺进行了基础方案的设计，采用Aspen Plus软件建立基于速率模型的工艺流程，获得吸收和再生方面的性能结果，并探究了吸收塔、再生塔内部的分布情况。在参考方案的基础上，对MEA吸收-解吸CO2工艺系统的主要操作参数做了灵敏度分析，观察其对主要性能指标如再生能耗、冷却水用量的影响。结果表明，贫液负荷、吸收剂质量浓度、贫富液换热器端差以及再生塔操作压力对于再生能耗均有显著的影响，而吸收塔入口贫液温度和入口烟气温度对再生能耗的影响不大。对级间冷却工艺和富液分级流再生工艺进行了模拟研究，并将其整合集成到一个脱碳系统中，形成新型低能耗工艺方案。新型工艺方案的再生能耗为3.02GJ/tCO2，比参考方案降低了24.3%。 研究了三种的典型吸收剂（MEA、AMP、PZ）在新型直接蒸汽再生工艺的优化，结果表明，直接蒸汽再生可以降低20-30%的再生能耗，且能够降低贫液负荷。MEA是三种吸收剂中应用于直接蒸汽再生工艺最为合适的吸收剂。通过研究直接蒸汽再生工艺过程的传质传热特性，发现直接蒸汽再生工艺过程中再生塔塔顶有强烈的闪蒸过程，大量解吸出CO2，有利于降低较大的水蒸发潜热。 最后，通过建立平准化的经济计算模型，对100万吨/年CO2捕集规模的新型工艺方案的投资和成本进行计算，得到直接设备投资为3.04亿元，总投资为7.26亿元，运行成本为185.03元/tCO2，综合得到CO2捕集总成本为209.2元/tCO2，相对于参考方案下降了19.7%，说明通过操作参数优化、流程改进与整合集成得到的新型工艺方案取得了显著的提高经济性的效果，具有一定的工程指导意义。

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