天然气富氧燃烧炉窑烟气CO2捕获工艺研究

1 概述

CO

是主要的温室气体之一。为应对气候变化，各国在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》。《巴黎协定》的长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2 ℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5 ℃

。联合国环境署公布的《2019年排放差距报告》指出

，全球的整体减排力度须在现有水平上至少提升5倍，才能在未来10年中达成1.5 ℃目标所要求的碳减排量。工业炉窑广泛应用于建材、石化、钢铁等行业，对工业发展具有重要支撑作用，同时也是工业领域主要排放源。相对于电站锅炉和工业锅炉，工业炉窑治理水平明显落后

。天然气作为重要的清洁能源，以其低污染排放、高效燃烧等特点逐步替代煤等燃料。但天然气是一种烷烃混合物，其燃烧后仍会产生CO

。因此研究天然气炉窑CO

减排对实现我国的碳排放目标是一种有益尝试。

富氧燃烧技术是一种极具发展潜力的碳捕获与封存技术之一

。富氧燃烧技术中氧化剂为高浓度氧气，燃烧产物以H

O和CO

为主，CO

浓度较高，容易分离

。目前，富氧燃烧技术在美国、日本、加拿大、澳大利亚、英国、西班牙、法国、荷兰等国家都得到重视和发展，富氧燃烧的工业示范取得了突出的进展

。

2.3 水分管理 苗期需水量少、随着植株生长加快，需水量相应增多，这时若遇干旱，必须及时灌水；鼓粒到完熟期，需水较少，但此时受旱，会使秕粒增多，百粒重降低。当出现萎蔫现象时，就应及时灌水。水源缺乏的地块，可采用清粪水浇灌；水源条件好的最好用喷灌。大豆在幼苗期和鼓粒成熟期较怕涝，生长过程中也经不起长时间淹水，必须注意开沟排水。

富氧燃烧后产生的烟气中捕集CO

的方法主要是低温分离法

。Kolster等

通过对4种适用于发电站富氧燃烧碳捕获的CO

压缩和净化装置的详细研究，得出CO

产品纯度越高，则捕获成本越高，捕获效率越低的结论。Posch等

针对某电厂设计了双闪蒸分离系统和精馏分离系统，并与传统5级压缩系统进行对比。结果显示双闪蒸分离系统装置具有较低的功耗，精馏分离系统虽然在几乎相同的分离效率下能够生产更高纯度的CO

，但成本增加了近30%。目前国内外对富氧燃烧碳捕获技术的研究主要集中在降低电厂系统集成的能耗和成本、分析电厂发电效率以及系统优化等方面，有关天然气炉窑的较少。因此有必要对天然气富氧燃烧炉窑的CO

捕获工艺进行研究。

挑取1～2环接入细菌斜面培养基上，37℃培养24 h后，用无菌生理盐水洗下菌苔，制成菌悬液。采用麦氏比浊法，用无菌生理盐水调节细菌含量为1×108cfu/ml。

——压缩机组(压缩机-1、压缩机-2、压缩机-3、压缩机-4)的总功率，kW

2 工艺介绍及评价指标

2.1 工艺系统

本文建立了富氧燃烧烟气压缩及CO

液化工艺系统，见图1。基本原理是利用烟气中各组分气体沸点不同的特性，采用低温将易液化的CO

进行分离。该系统主要包括3个子系统，为预处理子系统、脱水子系统和液化子系统。

预处理子系统包括烟气冷却器、压缩机和气水分离器，以实现对烟气的冷却、加压功能。烟气在烟气冷却器-1、烟气冷却器-2中分别与空气、水换热，经气水分离器-1除水后进入压缩机。压缩机采取三级压缩、中间冷却的方式，对烟气进行压缩。加压后的烟气进入脱水子系统进行脱水。

脱水子系统包括一对干燥塔，烟气进入干燥塔-1后，塔内的干燥剂对烟气中的水蒸气进行吸收。当干燥塔-1出口CO

含水量接近限定值时，需切换至干燥塔-2运行，之后再对干燥塔-1进行退出再生。再生气为与烟气换热后的空气，当干燥塔-1排出的空气出口温度达到要求值后，再生结束，用吹冷气进行冷却(未在图1中显示)。干燥塔-1降至常温后，吹冷结束，干燥塔-1将作为备用塔等待切换。

液化子系统包括预冷器、闪蒸器-1、闪蒸器-2、液化器-1、液化器-2、压缩机-4等。脱水后的烟气预冷后，由液化器-1液化，进入闪蒸器-1，液态CO

由管道输运至混合阀，剩余气体经压缩机-4加压后再次由液化器-2液化，后进入闪蒸器-2，产生的液态CO

输运至混合阀，贫CO

气体由闪蒸器-2顶部流出，经节流阀降压后，经过预冷器提供冷量，作为干燥塔再生后的吹冷气。液化子系统产生的液态CO

将输送至储罐进行储存。

与此同时，另一段喝酒小视频开始在京城年轻人的朋友圈刷屏。他们一口气喝完一杯名为“地球最后的夜晚”的烈酒，然后大声念出片中台词：“你数过天上的星星吗？它们像小鸟一样，总在我胸口跳伞。”把这段视频发到朋友圈，就可以免单。这是Mandrill酒吧老板，兼《地球》主演黄觉推出的活动。看《地球》加喝“地球”成为潮流，顺势带动了网上的“地球”酒杯代购生意。

2.2 模型构建

参照某富氧燃烧炉窑的生产现状，采用Aspen Plus软件对上述系统进行模拟计算。该炉窑用氧量(折算成纯氧)为11 t/d，过剩空气系数为1.02。天然气组成见表1。氧化剂中氧气摩尔分数分别采用75%、80%、85%、90%、95%、100%，其他成分为氮气。

由燃烧化学方程式计算得到天然气在氧化剂氧气摩尔分数不同情况下燃烧生成的烟气组成及质量流量，见表2。将氧化剂中氧气摩尔分数分别为75%、80%、85%、90%、95%、100%情况下天然气燃烧生成的烟气分别称为烟气1～6。

烟气为未经处理的玻璃炉窑排烟，烟温设定为120 ℃

。采用PENG-ROB

物性方法计算烟气压缩、冷却液化、热量回收等过程，其中压缩机采用ASME多变压缩模型

，多变效率设置为0.8，机械效率设置为0.95。液化器-1出口温度为-25 ℃，液化器-2出口温度为-33 ℃。液化器采用丙烷制冷。系统中冷却器、预冷器、液化器的压力损失为0.03 MPa，系统管路和分流的压力损失、热损失等忽略不计。

病毒病一般出现在油菜抽薹阶段，这一阶段的油菜一旦感染病毒病，将会严重影响油菜籽的产量。油菜感染病毒病的表现会因油菜品种的不同出现一定的差异。对于甘蓝型油菜来说，感染病毒病的表现为叶子发黄并出现黄色斑点，叶片会自斑点向外逐渐枯死；对于白菜型油菜来说，感染病毒病的表现为叶子出现褪色的现象，并且褪色是由叶脉开始逐渐扩散，还会出现明显的花叶。油菜感染病毒病需要及时防治，以免影响油菜抽薹。

2.3 评价指标

② 烟气工况对产品CO

纯度的影响

① 碳捕获率

——制氧能耗，kW·h/m

，见表3。

(1)

式中

——碳捕获率

,out

——物流22中CO

的质量流量，t/h

本文通过对研究区域生态重建现场调查，获取研究区原始资料和数据，通过分析植物群落特征，结合现场植被样方调查数据，选取合适的评价指标因子，建立一套合理的评价体系，对研究区生态重建效果进行定量评价，从而为矿山生态重建下一步规划设计提供科学依据。

单位综合能耗(产生1 t CO

的能耗)包括单位工艺能耗和单位制氧能耗，其中单位工艺能耗主要由压缩机能耗和制冷能耗组成。单位综合能耗定义式(笔者提出)为：

具体来说，与强烈信息性有关的语言特征包括:平均词长、名词化、介词、类形比、修饰性形容词等二十余种特征，而与交互性密切相关的语言特征有个人动词、that省略、一般现在时、动词do、第二人称等。由于该维度中考察的特征众多，篇幅原因，在此只选取了载荷较强的、能较好反映交互性/信息性的部分语言特征计加以展示(见表2)。

② 单位综合能耗

,in

——物流1中CO

的质量流量，t/h

(2)

本文研究了压缩压力为3 MPa、液化器-2出口温度为-33 ℃时不同烟气工况对碳捕获率的影响，模拟结果见图3。由图3可知：烟气6的碳捕获率最高，为98.1%；烟气1的碳捕获率最低，为25.5%。表明同一液化条件下，随着氧化剂中氧气摩尔分数逐渐提高，碳捕获率逐渐增加。

根据某天然气富氧燃烧炉窑的实际运行条件，本文设计了一套利用低温分离法的烟气压缩及CO

液化工艺系统，并对不同压缩压力、不同富氧条件产生的烟气下的系统性能及能耗进行分析。

——液化器功率，即液化器-1、液化器-2的总功率，kW

碳捕获率的定义式为：

金樱子根采于广西南宁市，经湘西自治州民族医药研究所田华咏教授鉴定为金樱子Rosalaevifgata Michx. 的根，标本（JYG20151124）现保存于湖南吉首大学。

本文从渡槽施工实际出发，采用新的科学技术、优化施工工艺、提高工程质量管理，使渡槽施工质量得到有效的控制。总之，只有切实抓好每道工序、每个环节的质量控制，才能确保整个工程顺利完成。

3 系统运行特性分析

3.1 模型验证

为验证Aspen Plus中PENG-ROB物性方法对含CO

的三元混合物相平衡特性模拟的准确性，对文献[22]中压力为2 MPa、液化温度为220 K的工况进行相平衡分子模拟，并与文献[22]中使用Towhee软件得到的模拟数据进行对比。结果显示，在多组分低温分离方面，利用Aspen Plus模拟，模拟结果与文献结果吻合程度高，相对误差较小(0.8×10

～7.8×10

)。

3.2 物流参数模拟结果分析

本系统在进口烟气为烟气5时主要物流及部分设备参数模拟结果分别见表4、5。烟气经过预处理后，水分摩尔分数由62.2%减少至0.29%。烟气进入脱水子系统后，水分继续被去除，水分摩尔分数接近于0。烟气经过两级液化后，产品CO

纯度可达97.56%，满足普通级CO

纯度规格，碳捕获率为87.2%。

3.3 压缩压力对系统性能的影响

为分析压缩压力对系统性能的影响，本文将进口烟气工况设置为烟气5，液化器-2出口温度设为-33 ℃，分别对压缩机-3出口压力(称为压缩压力)为2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa时碳捕获率及产品CO

纯度进行模拟，结果见图2。

老贾再次伸手把多的一堆钱币拨成两堆。老贾在新分出的两堆里，从看起来很精致漂亮的一堆中取出一枚递给孟导。孟导接过钱币，心中暗叫不好。按照老贾报忧不报喜的乌鸦嘴特质，这堆钱看起来也是凶多吉少。

由图2可知，随着压缩压力提高，碳捕获率由65.8%逐渐增加至95.5%，产品CO

纯度由98.8%逐渐降低至93.7%。原因在于同一液化温度下，压缩压力越高，烟气中的CO

越易液化，进而提高碳捕获率。而压力增加导致烟气中的杂质气体如氮气更易溶于液态CO

中，导致产品CO

纯度逐渐下降。

3.4 烟气工况对系统性能的影响

① 烟气工况对碳捕获率的影响

式中

——单位综合能耗，kW·h/t

本研究以碳捕获率、产品CO

纯度(物流22中CO

摩尔分数)、单位综合能耗为主要评价指标。

本文研究了压缩压力为3 MPa、液化器-2出口温度为-33 ℃时不同烟气工况对产品CO

纯度的影响，见图3。结果显示：烟气工况由烟气2变为烟气3～6的过程中，产品CO

纯度变化曲线呈现抛物线形。当烟气工况为烟气2时，产品CO

纯度最低，为97.17%；烟气工况为烟气4时，产品CO

纯度最高。

为分析不同烟气工况下产品CO

纯度变化规律出现的原因，本文模拟了不同烟气工况下物流17、物流21中CO

摩尔分数和物流17与物流21的质量流量比，分别见图4、5。

1.集多种教学方法于一体并合理运用。遥感课程是一门理论抽象、应用性较强的课程，如果靠死记硬背，其中的理论很容易学完就忘，应用起来也备感枯燥乏味。为了使学生能够用理论引导实践，通过实践领会理论思想的真谛，教师在教学的过程中，要集多种教学方法于一体。教师在讲授知识点时，语言要简洁明了，使学生易学易懂，涉及知识点的衔接和具体应用时，可以转换成提问方式，从而使学生集中注意力，培养思考的习惯。教师要通过学生回答问题的实时反馈，不断地鼓励学生及时归纳总结，形成知识结构体系。教师要让学生充分发表自己的意见和见解，挖掘学生的想象力和创新能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。

由图4、5可知：在烟气工况由烟气1变化为烟气6时，物流17(烟气1时，物流17质量流量为0)与物流21中CO

摩尔分数逐渐下降，且在相同烟气工况下物流21中CO

摩尔分数低于物流17。烟气工况为烟气1、烟气2时，物流17与物流21质量流量比分别为0、0.03，说明此时液化器-1液化产物较少，产品CO

纯度主要取决于物流21中CO

摩尔分数，因此烟气2的产品CO

纯度小于烟气1。烟气工况由烟气2调整为烟气3时，物流17与物流21质量流量比增至0.98，闪蒸器-1中液化产物增加，使得物流17中CO

摩尔分数对产品CO

纯度的影响增大，因此烟气工况为烟气3时产品CO

纯度相对于烟气1和烟气2高。随着烟气工况由烟气4变化为烟气5、烟气6，产品CO

纯度曲线逐渐贴合于物流17的CO

摩尔分数曲线，随之下降。

4 综合能耗分析

4.1 压缩压力对综合能耗的影响

由于压缩压力对系统能耗的影响较大，本文分析了液化器-2出口温度为-33 ℃、烟气工况为烟气5时，不同压缩压力下的单位综合能耗，结果见图6。由图6可知：当压缩压力由2 MPa升至5 MPa时，单位综合能耗由1 033 kW·h/t逐渐下降至786 kW·h/t，且下降幅度逐渐减小。原因在于不同压力下单位制氧能耗为单位工艺能耗的1.9～2.7倍(见图7)，单位综合能耗变化趋势主要由单位制氧能耗决定。当烟气工况为烟气5时，总制氧能耗为定值，随着压缩压力逐渐增加，碳捕获量增加，导致单位制氧能耗逐渐降低。

4.2 烟气工况对单位综合能耗的影响

由于烟气工况取决于氧化剂中氧气摩尔分数，为综合分析烟气工况对系统能耗的影响，本文计算了压缩压力为3 MPa、液化器-2出口温度为-33 ℃时，不同烟气工况下的单位综合能耗，结果见图8。当烟气工况由烟气1逐渐变为烟气6的过程中，单位综合能耗呈现先减后增的变化趋势。当烟气工况为烟气5时，单位综合能耗最低，为819 kW·h/t；当烟气工况为烟气1时，单位综合能耗最高，为2 831 kW·h/t。

液压蓄能式悬挂基本框架结构与机械式悬挂类似,由液压油缸代替机械式悬挂的碟形弹簧总成,取消了机械式悬挂的平衡臂机构.悬挂油缸功能与机械式悬挂的碟簧总成类似,但对悬挂导轨的加工精度比机械式悬挂系统低.基于液压悬挂机构的结构,在滚轮机构处轴承发生故障时,无法对其进行更换,故此悬挂机构不便维护保养.

单位综合能耗在不同烟气工况下呈现图8的变化规律，原因有两方面：一是随着氧化剂中氧气摩尔分数的提高，烟气质量流量由17.12 t/d逐渐减少至13.92 t/d(见表2)，进而压缩机能耗降低；同时烟气中CO

含量增加，系统碳捕获率由25.5%提高至98.1%(见图3)，使得单位工艺能耗逐渐降低。二是随着所需氧化剂中氧气摩尔分数提高，单位制氧能耗先降低后升高，烟气工况为烟气5时最低。不同烟气工况下单位工艺能耗和单位制氧能耗见图9。

4.3 液化器-2出口温度对单位综合能耗的影响

由于液化器-2出口温度影响产品CO

纯度，产品CO

纯度又对CO

产品的市场应用存在影响，因此有必要对液化器-2出口温度对能耗的影响进行研究。通过保持压缩压力为3 MPa，调节液化器-2的出口温度来实现产品CO

纯度的调节。液化器-2出口温度对单位综合能耗的影响见图10。

6种烟气工况下产品CO

纯度范围为96%～98%，属于普通级。由图10a可知，液化器-2出口温度为-33 ℃时，烟气4时的单位综合能耗较烟气6时低21%，烟气5时的单位综合能耗较烟气6低33%。因此从能耗角度分析，类似天然气消耗量的炉窑企业进行碳捕获时，利用氧气摩尔分数为90%、95%的氧化剂进行富氧燃烧碳捕获优于纯氧燃烧碳捕获。

当液化器-2出口温度降至-54 ℃后，各烟气工况下单位综合能耗进一步降低1%～64%，见图10b。在产品CO

纯度为普通级的前提下，烟气工况为烟气1、烟气2、烟气3、烟气4、烟气5时，单位综合能耗分别较烟气6低17%、24%、30%、34%、42%。这表明在液化器-2出口温度为-54 ℃条件下，为捕集到普通级纯度CO

，天然气炉窑利用氧气摩尔分数为75%～95%的氧化剂进行富氧燃烧碳捕获的单位综合能耗低于纯氧燃烧碳捕获的单位综合能耗。

5 结论

① 烟气工况为烟气5(氧化剂中氧气摩尔分数为95%时天然气燃烧生成的烟气)、液化器-2出口温度为-33 ℃时，当压缩机-3出口压力由2 MPa升至5 MPa时，碳捕获率由65.8%逐渐增加至95.5%，产品CO

纯度由98.8%逐渐降低至93.7%；单位综合能耗由1 033 kW·h/t逐渐下降至786 kW·h/t，且下降幅度逐渐减小。

② 当压缩机-3出口压力为3 MPa、液化器-2出口温度为-33 ℃时，随着氧化剂中氧气摩尔分数提高，碳捕获率逐渐增加，产品CO

纯度呈现出类似抛物线形的变化曲线，且单位综合能耗呈现先减后增的变化趋势，当氧化剂中氧气摩尔分数为95%时，单位综合能耗最低，为819 kW·h/t 。

③ 当压缩机-3出口压力为3 MPa、液化器-2出口温度为-33 ℃时，为捕集到普通级纯度CO

，天然气炉窑利用氧气摩尔分数为90%、95%的氧化剂进行富氧燃烧碳捕获的单位综合能耗，较纯氧燃烧碳捕获的单位综合能耗分别降低21%、33%。当液化器-2出口温度降至-54 ℃后，天然气炉窑利用氧气摩尔分数为75%～95%的氧化剂进行富氧燃烧碳捕获的单位综合能耗均低于纯氧燃烧碳捕获的单位综合能耗。

[ 1 ] 高翔,樊星. 《巴黎协定》国家自主贡献信息、核算规则及评估[J]． 中国人口·资源与环境,2020(5):10-16.

[ 2 ] 柴麒敏,徐华清. 全球温室气体排放差距报告评述与政策建议[J]. 世界环境,2020(2):55-58.

[ 3 ] 王赫婧,吴琼,白璐, 等. 非重点行业炉窑典型大气污染物“十四五”减排潜力研究[J]. 环境科学研究,2020(12):2647-2656.

[ 4 ] AZIN R,MEHRABI N,ASGARI M. An overview of CCS road map and identification of a suitable CO

disposal site in Eastern Zagros(Fars Area) in Iran[J]. Procedia Earth and Planetary Science,2015(1) : 407-412.

[ 5 ] LANCE C E,WILLARD S G. CO

捕获技术方案选择[J]. 电力建设,2007(11) : 101-105.

[ 6 ] 郑楚光,赵永椿,郭欣. 中国富氧燃烧技术研发进展[J]. 中国电机工程学报，2014(23):3856-3864.

[ 7 ] ABRAHAM B M, ASBURY J G, LYNCH E P, et al. Coal-oxygen process provides CO

for enhanced recovery[J]. Oil & Gas Journal, 1982(11):68-70.

[ 8 ] HORN F L, STEINBERG M. Control of carbon dioxide emissions from a power plant (and use in enhanced oil recovery) [J]. Fuel,1982(5): 415-422.

[ 9 ] ELWELL L C, GRANT W S,何鹏. CO

捕获技术方案选择[J]. 电力建设, 2007(11):101-105.

[10] 乔明, 李雪静. 浅析CO

捕获技术应用于炼厂的可行性[J]. 中外能源, 2011(11):72-77.

[11] WALL T,STANGER R,SANTOS S. Demonstrations of coal-fired oxy-fuel technology for carbon capture and storage and issues with commercial deployment[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control,2011 (S1):S5-S15.

[12] 黄卫军,李延兵,廖海燕,等. 富氧燃烧锅炉CO

纯化技术研究综述[J]. 中国煤炭,2014(z1):253-257,262.

[13] KOLSTER C, MECHLERI E, KREVOR S. The role of CO

purification and transport networks in carbon capture and storage cost reduction[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2017,58:127-141.

[14] POSCH S, HAIDER M. Optimization of CO

compression and purification units(CO

CPU) for CCS power plants[J]. Fuel, 2012, 101:254-263.

[15] 谭业锋. 工业窑炉废气余热的回收与利用研究(硕士学位论文)[D]. 济南:山东大学, 2006:10-11.

[16] 邬高翔. 天然气净化厂高含CO

尾气捕集工艺技术研究(硕士学位论文)[D]. 西安:西安石油大学,2020:33-34.

[17] FAROOQUI A, BOSE A, FERRERO D, et al. Techno-economic and exergetic assessment of an oxy-fuel power plant fueled by syngas produced by chemical looping CO

and H

O dissociation[J]. Journal of CO

Utilization, 2018,27:500-517.

[18] PORTER R T J, FAIRWEATHER M, KOLSTER C, et al. Cost and performance of some carbon capture technology options for producing different quality CO

product streams[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2016,57:185-195.

[19] SEO Y, HUH C, LEE S, et al. Comparison of CO

liquefaction pressures for ship-based carbon capture and storage(CCS) chain[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2016, 52:1-12.

[20] 徐明新,吴亚昌,王涵啸,等. 富氧燃烧烟气压缩净化及高浓度CO

制备工艺研究[EB/OL]. [2021-03-03]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3676.TD.20200703.1018.002.html.

[21] 任慧来,于庆波,彭家燕,等. 三种空气分离制氧工艺应用进展[C]//中国金属学会能源与热工分会. 第八届全国能源与热工学术年会论文集. 大连:中国金属学会能源与热工分会,2015:91-95.

[22] 杨文超. 低温下含CO

的二元及多元混合物相平衡特性研究(硕士学位论文)[D]. 南京:东南大学,2016:30-31.