基于乙醇胺法与氨水法碳捕集能耗特性分析与系统优化

摘要

二氧化碳（CO2）大量排放引起的温室效应使人们越来越清楚CO2减排的重大意义，尤其是CO2排放量巨大的化石燃料电厂。CO2捕集与封存技术（Carbon Capture and Storage,缩写为CCS）被认为是短期内实现CO2减排最有效的方法，在CO2捕集方面，以单乙醇胺（Monoethanolamine，缩写为 MEA）为代表的燃烧后湿法脱碳技术应用历史较长，技术相对成熟，是目前最具可行性的碳捕集方案。由于以MEA为吸收剂需从机组抽取大量蒸汽，所以优化碳捕集系统运行参数、降低碳捕集系统再生能耗、优化机组运行性能是脱碳技术在燃煤电厂应用的基础。本文基于Aspen Plus建立了MEA法脱碳工艺的仿真模型、燃煤机组变工况模型和脱碳机组技术经济学评价模型，分析了贫液负荷、溶液浓度、再生塔压力、贫液温度、碳捕集率对MEA法脱碳系统及脱碳机组的热力及经济性能的影响，并且为脱碳系统选取了经济可行的运行参数。
　　MEA价格昂贵且在氧气和二氧化碳的作用下易发生降解，且有腐蚀性，需稀释后使用，另外MEA再生过程的热耗高，对电厂出力的影响大，这些现象严重阻碍了湿法脱碳技术的发展。氨水吸收法具有降低脱碳能耗、没有腐蚀问题、吸收剂成本低、不产生有机产物等优点，该工艺具有很大的应用前景。文中通过Aspen Plus软件仿真的方法，对冷冻氨法脱碳工艺（Chilled Ammonia Process，缩写为CAP）进行了仿真建模，提出了CAP法脱碳系统与机组的耦合方式，同样分析了系统中主要参数（贫液负荷、溶液浓度、再生塔压力、贫液入口温度）变动对碳捕集系统和脱碳机组运行的热力和经济性能的影响，并且选取了经济可行的运行参数。
　　CAP法较MEA法脱碳工艺更为复杂，一方面需增加冷冻动设备，另一方面需在塔顶增加氨气捕集系统，此外CAP法需抽取两段抽汽，增大了耦合系统的复杂度。均处于最优运行参数下，CAP法脱碳工艺二氧化碳捕集系统能耗为0.85GJ/(tCO2)，氨气捕集系统能耗为1.89GJ/(tCO2)，远小于MEA法的3.96GJ/(tCO2)，但CAP法脱碳需增加制冷功0.09GJ/(tCO2)。CAP法脱碳机组发电效率较MEA法可提升0.40％，煤耗率可降低3.89g/kWh，净输出功率能增加28.93MW。从成本上来看，CAP法增加冷冻设备和氨气捕集设备，投资较MEA法高出21.20%。MEA法脱碳机组发电成本要比CAP法脱碳的高0.020￥/kWh，脱碳成本要比CAP法高31.21￥/(tCO2)。综上，机组采用CAP法进行脱碳在热力性能和经济性能上都具有明显优势。

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第1章 绪 论

1.1碳减排的意义

1.2碳捕集技术研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 单乙醇胺脱碳工艺仿真及技术经济学分析

2.1仿真平台简介

2.2单乙醇胺法脱碳流程仿真及能耗分析

2.3脱碳机组耦合方式

2.4技术经济学分析

2.5本章小结

第3章 冷冻氨脱碳工艺仿真及技术经济学分析

3.1冷冻氨脱碳系统简述

3.2冷冻氨法脱碳工艺流程仿真及能耗分析

3.3冷冻氨法脱碳机组集成方案研究

3.4基于技术经济学参数分析

3.5本章小结

第4章 单乙醇胺法脱碳与冷冻氨法脱碳工艺对比

4.1脱碳能耗对比

4.2耦合方案对比

4.3基于技术经济学的对比

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1本文工作总结

5.2不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

致谢