烟气CO2捕集纯化装置设计要点分析

林名桢 闫广宏 陈宏福 刘坤 李洪言

(1.山东石油化工学院油气工程学院 山东东营 257061；2.中石化石油工程设计有限公司 山东东营 257026)

0 引言

以CO2驱油为基础的三次采油技术已在油气田提高采收率中获得较好效果，据有关研究表明，将CO2注入衰竭的油藏中可以提高原油采收率7%～25%，亦可延长油井的生产寿命，同时还可以减少CO2的排放，保护大气环境，是一项富有前景的绿色驱油技术[1-7]。而要实现CO2驱油，最重要的一点就是得到充足且符合驱油要求的CO2气体，目前最充足的CO2气源为化石燃料燃烧产生的烟气，因此CO2捕集技术的高效成熟是驱油过程中的重要环节之一。

虽然目前CO2捕集技术已成为世界范围的研究热点，各种创新成果层出不穷，同时烟气CO2捕集示范工程在数量和规模上也与日俱增，但受到经济上和公众认知度等方面的影响，该类工程仍未在世界上获得大规模的推广应用。基于此，本文对目前的工艺设计技术进行了总结研究，并提出了合理化的建议，以期对后续装置的工艺设计提供一定的指导。

1 装置系统组成

烟气具有气体处理量大、CO2分压低、杂质含量较高等特点。相关研究表明化学吸收法是目前几种分离方法中经济性最好的一种方法。目前国外建成的以及已建成的华能北京热电厂3 000 t/a CO2捕集示范装置、胜利油田燃煤电厂3万t/a CO2捕集纯化装置、重庆合川双槐电厂万t级碳捕集工程、中原油田10万t CO2回收装置等碳捕集装置均采用的是化学吸收法。而利用化学吸收法对烟气中CO2进行捕集和纯化的装置主要由以下系统组成：烟气预处理系统、CO2吸收解析系统、CO2压缩、脱水系统、CO2液化系统、CO2储存系统以及配套的公用工程系统等，具体组成如图1所示。

图1 烟气CO2捕集纯化装置系统组成

2 预处理系统

2.1 预处理系统设置的必要性

随着国家对企业节能环保要求的提高，相关企业排放的烟气洁净度有了较大的改善，但仍然存在一定的粉尘、氮氧化物、硫氧化物等一系列杂质。在烟气的捕集吸收系统中，这些杂质虽然大部分会被除掉，但同样也会对捕集吸收系统产生一系列的不利影响，比如对捕集吸收系统的材料性能要求提高、增加吸收溶剂的循环量、加快溶剂的消耗、对溶剂造成污染、造成吸收塔填料的堵塞、增加设备的压力降，此外进入捕集吸收系统的烟气温度过高、含有大量的水等都会影响到捕集效率及设备、溶剂寿命等，因此有必要在捕集吸收系统之前增加预处理系统。

目前国内外烟气CO2捕集装置所用到的化学吸收剂大部分是基于MEA的复合药剂或改进药剂，因此在预处理系统的设计过程中，应首先考虑溶剂的要求，根据工程经验可以得出基于有机胺的溶剂在应用时对烟气组分和温度的要求如表1所示[8-9]。

表1 胺法捕集对烟气基本参数的要求

2.2 预处理系统的设计要点

目前应用比较成熟的预处理工艺系统是水洗塔系统，经脱硫脱硝后的烟气进入水洗塔中部，与自塔顶喷淋的水洗水充分接触，如果烟气中SO2等酸性气体含量较高时，可在洗涤液中加碱。为了保证预处理的效果，应在预处理装置的进出口设置取样口，定期检测烟气中的CO2、N2、NOx以及SO2等组分的含量，以便实时对装置运行进行调整，保证进入吸收装置的气体杂质含量满足要求。另外水洗水管道的出口位置宜设pH计，必要时可与碱液加注泵连锁，一旦水洗水的pH指标不能满足要求时，就要启动碱液加注泵对水洗水进行更换，同时打开排污阀门将吸收了杂质的水洗水溶液排放至污水系统。排掉的污水应统一进行处理达标后方能外排。

3 CO2吸收与解析系统

CO2吸收与解析系统是整个CO2捕集装置的基础和核心，决定着整个装置的可行性和有效性，因此该系统的设计至关重要，在设计过程中有以下问题需要特别注意。

3.1 吸收剂的选择

目前利用化学吸收法所用的化学吸收剂种类较多，同时各有优缺点，但这些药剂大部分是基于MEA的复合药剂或改进药剂。在药剂选择过程中，应选择吸收能力强、选择性高、副反应小、再生性能好、腐蚀性小、抗氧化性强、不易降解和原料来源方便的药剂。

3.2 引风机的设置

烟气进入吸收装置之前应设引风机增压，主要是因为烟气通过吸收塔时会产生一定的压降，设置引风机是为了用来克服气体通过吸收塔时所产生的压降。流程中设置预处理装置时，引风机可以设置在预处理装置之前，也可以设置在预处理装置之后。若设在预处理装置之前，则可以减小预处理装置的尺寸，但同时由于气体杂质的影响，对引风机的材料要求也相应的提高；若设在预处理装置之后，虽然会增大预处理装置的尺寸，但对引风机材料的要求却相应的降低。鉴于两者各有优缺点，因此具体设置时应经技术经济比较后确定。

3.3 系统水平衡的保持措施

在吸收解析系统中，水平衡是系统稳定运行的重要保障，因此工艺设计应进行水平衡计算，同时应采取相关措施来保持系统的水平衡。设计过程中主要可从以下几个方面进行考虑：①应对进入吸收塔的烟气温度进行控制，防止其过高，根据实践经验，一般要求进入吸收解析系统的烟气温度不宜高于40 ℃；②烟气进入吸收塔之前应进行游离水的分离，这可以通过在吸收塔前设置旋风分离器[10]等手段来实现；③对再生塔顶解析出的CO2中携带的饱和水和较低浓度的吸收剂溶液进行回收，这部分主要通过在再生塔后设置冷凝器、气水分离器以及回流补液泵实现[9]。

3.4 系统能量的回收利用设计

一般情况下，烟气CO2捕集装置的能耗非常高，故在工艺设计过程中应注意能量的回收，这对降低捕集装置的能耗至关重要。能量的回收主要可从以下几个方面考虑[9]：①优选高效的换热设备，使得系统中热交换器的最小端面温差尽量满足以下要求：板式换热器的端面温差可以达到3 ℃，管壳式换热器的端面温差可以达到8 ℃；②设置富液与再生塔顶再生气换热器；③设置贫富液换热器；④设置热泵系统[11]，目前常用的热泵系统主要包括吸收式热泵系统和机械蒸汽再压缩热泵系统。

4 制冷液化系统

4.1 液化工艺的选择

根据产品用途、输送方式及储存方式的不同，CO2液化一般可采用高压液化法和低温液化法。

所谓高压液化法，是指将气体CO2压缩至中压进行脱水后，进入压缩机压缩至6～9 MPa，经冷却液化后直接外输。当CO2采用该种方式液化时，应采用管道直接外输的输送方式。

所谓低温液化法，是将气体CO2经压缩机压缩到2～3 MPa左右，再经脱水后进入制冷系统被液化，该种液化方式下，CO2的冷凝温度一般为-25～-12 ℃。当CO2采用该种方式液化时，CO2液体可采用大罐储存或槽车运输。

低温液化法液化压力较低，设备的耐压要求低，产品的输送及使用方式较为广泛灵活，但是需要专门的制冷机组，系统较为复杂；而高压液化法无需专门的制冷机组，系统简单，但系统的耐压要求高，产品的输送和使用方式较少。由于两种方式各有优缺点，故选用时应综合比较后确定。

4.2 配套制冷系统的设计

4.2.1 制冷剂的选择

当采用低温液化法时，必须有配套的制冷系统，目前用于CO2的制冷系统中常用的冷却介质主要用氨和氟利昂，与氟利昂相比，氨具有单位容积制冷量大、导热系数大、蒸发潜热大、节流损失小、能溶解于水、有漏气现象时易被发现、价格低廉等优点，因此在目前的烟气二氧化捕集纯化装置中，所采用的制冷剂大多都为氨。

4.2.2 系统设计要点分析

由于氨在装置中常于较低的温度下存在，且具有一定的毒性、可燃性和易爆性，并且对锌、铜、铜合金有腐蚀作用等，故在设计中应注意以下事项：

(1)氨压缩机进出口必须设置液氨分离器，同时需要实时监测压缩机进出口温度以及观察有否结霜，防止液氨将结霜带入氨压缩机，发生液击事故。

(2)氨冷却器、液氨储罐、中间冷却器、氨液分离器、低压循环贮液器、排液桶、集油器等均应设氨用液位指示器或防霜液位计(0 ℃以下的容器用防霜液位计)。

(3)氨制冷系统中设置紧急泄氨器，当发生重大紧急事故时能快速将系统内的氨放出，溶于水中(每1 kg/min的氨至少应提供17 L/min的水)后排至事故废水池。

(4)氨制冷系统管线上的阀门应选用专用的氨截止阀，其密封面形式应为凹凸面；不得有铜及合金部件，安全阀应选用氨用微启式弹簧安全阀。

(5)液氨使用场区应设置水雾喷淋和收集系统，主要包括收集围堰、事故废水池、预处理(中和)池。一旦发生泄漏事故时，可快速开启水喷淋装置，用大量雾状水进行喷淋吸收氨气，以保证人员安全。收集的事故废水必须经处理后达标排放。

5 结论

(1)CO2捕集技术是驱油过程中的重要环节之一，通过调研及分析对比烟气CO2回收的几种方法的优缺点，得出化学吸收法是目前回收烟气中CO2最适宜的方法。

(2)目前应用比较成熟的预处理系统是洗涤塔系统，预处理进出管道取样口的设置、水洗水出口pH的设置及其与碱液加注泵的连锁是比较关键的问题。

(3)吸收剂的选择、引风机的设置、系统的水平衡计算及保持系统水平衡的相关措施、系统能量的回收利用是吸收解析系统中的关键所在。

(4)高压液化法和低温液化法是目前CO2液化最常用的两种方式。

(5)低温液化法中配套制冷系统中的制冷剂多采用氨。由于氨制冷工艺的特殊性，其在工艺设计、设备选材、装置区的安全设计等方面都有一些特殊的要求。