10000吨/年燃煤电厂烟气碳捕集精制工程的设计

摘要：本文针对某燃煤电厂10000吨/年烟气碳捕集精制项目，介绍了CO2捕集的技术路线、工艺原理、吸收液特性和主要设备技术参数以及工程实施情况，对电力行业进一步展开大规模碳捕集，起到示范和实验的双重作用。

关键词：碳捕集；燃煤电厂；CO2

中图分类号：S611文献标识码： A

前言：

政府间专门气候变化专门委员会（IPCC）第4次评估报告认为，以气温升高为主要特征的全球气候变化在很大程度上是由于人为活动导致的温室气体排放所致。在所有能引起温室效应的气体中，CO2占60%，而对全球变温的贡献则达到70%。CO2主要产生于化石燃料的燃烧过程，电力生产是CO2的一个集中排放源，我国电力行业的碳排放约占全国碳排放的40%以上且逐年增长[1,2]。

1.燃煤电厂烟气碳捕集技术

燃煤电厂CO2捕集技术可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧三类，近年来化学链燃烧也吸引了越来越多的关注[3]。燃烧前捕集的IGCC电厂与传统电厂差异很大，需要大规模空分、燃料气化、CO转化、气体分离及碳捕集装置，成本较高，适合于新建电厂；富氧燃烧需要对电厂燃烧及发电系统进行较大的改造，增加空气分离系统、烟气循环系统，而且燃用富氧气体的锅炉及燃机技术也不够成熟。化学链燃烧目前刚开始发展，载氧体和气固反应的速率都是其面临的挑战。而燃烧后捕集系统则可以直接与现有发电系统对接，且技术较为成熟，是目前最为可行的适宜大规模应用的技术路线。

燃煤后捕集技术也有多种[4]，主要为：溶剂吸收法、变压吸收法、膜分离法、低温精馏法和催化燃烧法等。其中，以MEA、MDEA及AMP为代表的化学溶剂吸收法选择性好、吸收效率高、技术成熟，最适于燃煤电厂烟气中低分压CO2的捕集。

2.项目简介

本项目为碳捕集示范性工程，以电厂脱硫后烟气为原料制取食品级液体CO2，年生产能力10000吨，年运行时间为8000小时，每小时生产能力1.25吨，二氧化碳总收率大于80%。原料气及产品各项指标见表－1。

表－1 原料气及食品级CO2品质表

项目 原料气（烟道气） 食品级CO2标准[5]

二氧化碳，10-2 10.38 ≥99.9

水分，10-6 饱和状态 ≤20

一氧化氮，10-6 2.9 2.5

二氧化氮，10-6 2.0 2.5

二氧化硫，10-6 0.5 1.0

总硫10-6 0.1 0.1

碳氢化物总量10-6 144 20

苯，10-6 0.01 0.02

甲醇，10-6 5.0 10

乙醇，10-6 0.2 10

乙醛，10-6 82 0.2

其它含氧有机物，10-6 3.4 1.0

氯乙烯10-6 0.2 0.3

油脂，10-6（m/m） 5

蒸发残渣，10-6（m/m） 10

气味及外观 无色无浑浊、有异味 无异味

氧气，10-6 7.94 30

一氧化碳，10-6 4.6 10

氨，10-6 0.5 2.5

磷化氢，10-6 0.2 0.3

氰化氢，10-6 0.2 0.5

氮，10-6 81.5 30

甲烷，10-6 0.6 1.0

二硫化碳，10-6 0.1 0.1

3.碳捕集及精制工艺介绍

3.1吸收液的选择

考虑到电厂排烟中CO2浓度小、分压低，本项目选用了高效成熟的胺液吸收法。胺液吸收CO2的原理如下[6,7,8]：

伯胺、仲胺有强碱性，会吸收烟气中的CO2生成氨基甲酸盐。氨基甲酸盐不稳定，在受热条件下发生逆反应，使CO2解析出来同时恢复胺活性。CO2+2R1R2NHR1R2NCOO-+R1R2NH+（1）

与伯胺、仲胺不同的是，叔胺反应生成不稳定的碳酸氢盐，反应原理见式（2）、（3）。其与CO2的反应速率明显低于伯胺和仲胺，但其对CO2吸收量是伯胺和仲胺的一倍。

CO2+R3R4R5N+H2OR3R4R5NH++HCO3-（2）

R3R4R5NH++OH-R3R4R5N+H2O（3）

本示范工程选用了一种复配吸收液，含有反应速率高的伯胺、仲胺和吸收容量大的叔胺，使吸收液具有吸收量大、反应速率高和解吸能耗小的优点。同时，在复合胺液中还添加了抗氧化剂和防腐剂，可以抑制过氧化物的形成，中断降解反应链的发生，有效地解决吸收溶液的氧化降解和腐蚀问题。

3.2碳捕集示范装置工艺流程

碳捕集工艺流程如图－1所示。锅炉排放的烟气经电除尘和石灰石－石膏脱硫后，抽取约1%净烟气进入碳捕集装置的脱硫水洗塔，在塔内经液碱洗涤降温、进一步脱除残余的烟尘、SO2和SO3，然后由引风机送入吸收塔。在吸收塔内，烟气中的CO2被贫液吸收，净烟气则自塔顶排空。吸收CO2后的富液换热升温后进入再生塔，经蒸汽加热解吸后恢复活性，由贫液泵抽出，再经贫富液换热和水冷后进入吸收塔循环使用。在再生塔顶得到95%（含饱和水）左右浓度的粗二氧化碳气，进入缓冲罐，以备进一步压缩精制。

图－1 碳捕集工艺流程

95%的粗二氧化碳气进入压缩机增压，经冷却分水、稳压后进入干燥床，用分子筛干燥剂干燥脱水，然后进入吸附床脱除油脂、硫化物等杂质；再被冷冻机降温液化，进入精馏塔。轻组分氮气、氧气全部从塔顶除去，塔底得到纯度为99.9%以上的食品级二氧化碳产品，经贮存后出厂销售。

4.主要设备

碳捕集工段的主要设备如表－2所示。

序号 名称 规格参数 数量 主材

1 脱硫水洗塔 Φ2200×15000mm，配空心球及鲍尔环填料 1座 16MnR+鳞片防腐

2 吸收塔 Φ2200×23400mm，配阶梯环及鲍尔环填料 1座 16MnR+鳞片防腐

3 再生塔 Φ1600×23100mm，配不锈钢波纹板填料 1座 304复合板

4 引风机 离心风机Q=10000Nm3/h P=6.7kPa 2台 Q235

5 脱硫液泵 离心泵，Q=40m3/hH=40m 2台 304

6 富液泵 离心泵，Q=60m3/hH=50m 2台 304

7 贫液泵 离心泵，Q=60m3/hH=50m 2台 304

8 贫液冷却器 板式，F=100 m2 1台 316L

9 富液换热器 板式，F=100 m2 1台 316L

10 贫富液换热器 板式，F=150 m2 1台 316L

11 溶液重沸器 列管式，F=140 m2 1台 壳程Q235B

管程304

12 再生气冷却器 列管式，F=150 m2 1台 壳程Q235B

管程304

13 胺回收加热器 列管式，F=30m2 1台 304

压缩精制部分因工艺较为成熟，非碳捕集项目的技术关键，故不再介绍。

5.结束语

本碳捕集精制示范项目于2012年投建，正拟对其进行调试，利用其平台开展吸收液的研发工作，并对捕集工艺进一步优化以降低能耗。

参考文献：

[1]李江荣,孙明超,郭家秀,等.燃煤电厂的碳减排技术[J], 资源开发与市场，2011，27（5）：400-402.

[2]刘练波,黄斌,郜时旺，等.燃煤电站3000~5000t/a CO2捕集示范装置工艺及关键设备[J]，电力设备,2008,9（5）:21－14.

[3]王晓亮,吴家桦，赵庆.燃煤电站CO2捕集技术研究现状及前景展望[J] ,东方电气评论,2011,25（6）：1-8.

[4]翟翼,张磊,徐迪,等.煤燃烧烟气中CO2的吸收控制技术研究进展[J],辽宁化工,2009，38（3）:195-197.

[5] GB10621-2006,食品添加剂 液体二氧化碳(S).

[6]吕碧洪,金佳佳,张莉,等.有机胺溶液吸收CO2的研究现状及进展[J],石油化工,2011，40（8）：803-808.

[7]陆诗建,李清方,张建. 醇胺溶液吸收二氧化碳方法及反应原理概述[J],科技创新导报,2009,13:4-7.

[8]卫博，刘丹.复合胺与MEA吸收法回收二氧化碳的研究[J],河南化工,2012,29:30-33.

作者简介：

孙路长（1976-），女，河南南阳人，中国华电工程（集团）有限公司，工程师，硕士，从事电力环境保护方面工程设计工作。