低成本捕集燃煤電廠煙氣中CO2技術(shù)研究匯編

1、低成本捕集燃煤電廠煙氣中CO2技術(shù)研究設(shè)計者： 指導(dǎo)教師：(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北省保定市，郵編： 071003)摘要：本論文研究了一種低成本燃煤電廠碳捕集方法。 系統(tǒng)地介紹了氨法吸收和解吸煙氣CO2的工作原理、關(guān)鍵參數(shù)、能耗對比等。研究表明，采用此工藝不僅能減少大氣中CO2的排放，還能產(chǎn)生有商業(yè)利用價值的高純度 CO2,既能達(dá) 到節(jié)能減排的目的，又有潛在的經(jīng)濟(jì)價值。關(guān)鍵詞：氨法 碳捕集 節(jié)能減排 自動控制作品內(nèi)容簡介實(shí)驗研究了燃煤電廠煙氣中CO2捕集技術(shù)，普遍適合我國電力企業(yè)的節(jié)能減 排與清潔生產(chǎn)的長遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)，并且可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。方案主要內(nèi)容第一部分：用氨水吸收煙氣中的

2、二氧化碳，同時達(dá)到用氨水吸收煙氣中其他成分如SO2的目的。通過實(shí)驗研究確定最佳氨水濃度、反應(yīng)時間、 pH、煙氣流 速、氨水流量、煙氣溫度等影響因素對模擬煙氣中多污染物脫除效率的影響。 確 定CO2脫除的最佳反應(yīng)條件，為整體脫碳工藝設(shè)計提供實(shí)驗支持。第二部分：對氨法碳捕集過程中脫碳吸收液解吸 CO2開展實(shí)驗研究，研究解 吸溫度、溶液濃度、pH和CO2擔(dān)載程度等因素對脫碳吸收液解吸 CO2的影響。 確定CO2解吸的最佳反應(yīng)條件。第三部分：設(shè)計工業(yè)應(yīng)用模型，改進(jìn)工藝流程，設(shè)計換熱器對煙氣余熱進(jìn)行 利用，降低CO2吸收和解吸的能耗，以使該技術(shù)適合在電廠的大規(guī)模應(yīng)用。 創(chuàng)新點(diǎn)和特色(1)實(shí)現(xiàn)電廠煙氣中C

3、O2的低排放，緩解電廠環(huán)境壓力；(2)用氨水作為吸收劑，實(shí)現(xiàn)了氨的化學(xué)循環(huán)再生，減少吸收劑成本；(3)有效利用煙氣余熱，降低CO2的脫除成本，使該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用成為可能； (4)通過高純度CO2的商業(yè)禾I用，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)的額外利潤。應(yīng)用價值本套實(shí)驗方案采用氨法脫除煙氣 CO2具有可行性，能在一定程度上推進(jìn) 節(jié) 能減排”工作，有效解決我國燃煤造成的大氣污染。工藝設(shè)備的運(yùn)行可采用自動控制系統(tǒng)， 操作簡單方便，也有利于電力企業(yè)的 人員結(jié)構(gòu)調(diào)整，一方面可以大幅度降低設(shè)備設(shè)施所需的經(jīng)濟(jì)投入，另一方面還可 以有效緩解我國CO2排放量持續(xù)增長的緊張的局面。總體而言，此技術(shù)存在巨 大的發(fā)展空間?？偟膩砜?，該方

4、案可以解決大多數(shù)電廠對煙氣污染物脫除及排放的標(biāo)準(zhǔn)，且 造價低廉，易施工，占地面積小，減輕電廠的經(jīng)濟(jì)壓力，以達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。1研制背景及意義1.1研究背景隨著全球變暖趨勢的持續(xù)和異常天氣現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)，溫室氣體CO2的排放 控制已引起世界各國的高度關(guān)注。CO2是最重要的人為溫室氣體。1750年前65萬年中，大氣中CO2濃度約為280ppm,到2005年，這一數(shù)值上升為379ppm。 并且，當(dāng)前大氣中CO2濃度正加速增大1,2。圖1為全球CO2濃度變化情況。 19602005年，大氣中CO2濃度平均每年增加1.4ppm,最近10年（19952005 年）這一增幅加大到每年1.9ppm2,3。據(jù)

5、國際氣候變化控制委員會（IPCC）測算, 如果溫室氣體以目前趨勢持續(xù)增長，至U 2030年全球氣溫將上升1.54.5C。圖2 為全球氣溫變化情況。而溫度的變化將會導(dǎo)致一系列的事件發(fā)生，地球溫度每上 升1.54.5C ,全球海平面平均會上升0.250.5m,全球氣溫變暖將會給人類帶來 空前的災(zāi)難，云、風(fēng)和降雨的方式將會發(fā)生改變，因此導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到很大的 沖擊，沿海的生態(tài)環(huán)境也將遭到破壞，同時也加速土壤中水分的大量流失，大量NUuna Loa CbscrrvLiLury的農(nóng)田沙漠化現(xiàn)象嚴(yán)重。CO2 340 r 減 度320 , £ ppm)ice cores1700曾由1 全RfeCP

6、2 濃他 19。01 &5Q 2QOO年母圖1為全球CO2濃度變化情況坦度相對變化fR1由0.40.4J2相對J 0.0 1900 年leu】它 o。 mo 1940i«ac t。0。年份17圖2全球氣溫變化情況世界上約75%的CO2排放來自化石燃料燃燒，其中，煤炭是一種高CO2排放 燃料，單位熱量燃煤引起的CO2排放較石油和天然氣分別高出36%和61%4。據(jù) 經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織（OECD）和國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有電廠CO2年排放量 約106億噸，占全世界排放總量的40.6%,其中燃煤電廠76億噸，占發(fā)電行業(yè) 排放量的72%。到2020年，全球每年將有65億噸CO2

7、來自于已投運(yùn)的電廠5。 由于我國能源儲備具有 多煤、貧油、少氣”的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的供給主要 依賴煤炭，隨著近年我國GDP逐年提高，煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2排量也逐年上升， 加上西方國家對石油天然氣的利用也不斷增加，導(dǎo)致全球CO2排量持續(xù)增加。無論是燃燒前脫除系統(tǒng)還是燃燒后捕集系統(tǒng)，其中關(guān)鍵技術(shù)都是CO2的分離。根據(jù)過程機(jī)理，目前 CO2分離方法主要有：吸收法、吸附法、膜分離法、 低溫分離法等。1.2.1 吸收法吸收法根據(jù)吸收機(jī)理及所采用吸收劑的不同又分為：物理吸收法、化學(xué)吸收 法、物理化學(xué)吸收法。1.2.1.1 物理吸收法物理吸收法就是溶劑吸收 CO2僅通過物理溶解作用,CO2與溶劑之間不發(fā)

8、生 化學(xué)反應(yīng)。1.2.1.2 化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法是利用CO2為酸性氣體的性質(zhì)，以弱堿性物質(zhì)進(jìn)行吸收，然后 加熱使其解吸，從而達(dá)到脫除 CO2的目的。主要有MEA、DEA法等，目前在化 工廠中使用不多，主要用于電廠煙氣、石灰窯排放氣中的CO2的捕集，其優(yōu)點(diǎn)是可用于CO2分壓和總壓均較低的氣體中 CO2的捕集，缺點(diǎn)是能耗高，腐蝕性 強(qiáng)。1.2.1.3 物理化學(xué)吸收法其特點(diǎn)是將兩種不同性能的溶劑混合，使溶劑既有物理吸收功能又有化學(xué)吸 收功能。溶劑的再生熱耗比物理吸收法高又比化學(xué)吸收法低，如環(huán)丁碉法、常溫甲醇洗法、MDEA法。1.2.2 吸附法吸附法是通過吸附在一定的條件下對 CO2進(jìn)行選擇性地吸收

9、，然后通過減 壓或升溫的方式將CO2解吸出來，從而達(dá)到分離 CO2的目的。1.2.3 膜分離法膜分離法是根據(jù)在一定條件下，膜對氣體滲透的選擇性把 CO2和其他氣體 分離開。按照膜材料的不同，主要有高分子膜、無機(jī)膜以及正在發(fā)展的混合膜和 其他過濾膜。1.2.4 低溫分離法低溫分離法是基于混合氣體中不同組分具有不同氣化和液化特性將氣體分離的方法。CO2的臨界溫度為31oC,臨界壓力為7.63MPa,理論上來說，CO2 低溫分離簡單易行，但是隨著分離過程的進(jìn)行， CO2的分壓會越來越小，分離會 越來越困難，因而造成CO2回收率低。通常低溫分離法主要用于 CO2含量大于 90%的氣體CO2的提純。目前

10、，吸收法是最成熟、應(yīng)用最廣泛的 CO2分離技術(shù)，用MEA法脫除CO2 已進(jìn)行了廣泛的研究，并成功地應(yīng)用于化工廠的 CO2回收。但是，使用MEA技術(shù)有很大的不足之處，表現(xiàn)在：成本較高、吸收率慢、吸收容量小、吸收劑用量 大、有高的設(shè)備腐蝕率、胺類會被其他煙氣成分降解、同時吸收劑再生時能耗高 等，因此有必要對該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以降低成本，提高吸收劑的利用效率60氨水則優(yōu)于MEA溶液：氨水吸收CO2的反應(yīng)不是純放熱反應(yīng)；吸收能力可 以高達(dá)1.0kgCO2 /kg氨以上；氨水的再生容易，并且可以得到高純度的 CO2；所 得到的副產(chǎn)品NH4HCO3是我國農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用的氮肥，具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。 同時因為許

11、多電廠用氨水作為脫硝還原劑，所以該法占用設(shè)備及場地很少，來源方便口。傳統(tǒng)的MEA工藝用于CO2脫除，CO2負(fù)荷能力低，有高的設(shè)備腐蝕率，胺 類會被其他煙氣成分降解，同時吸收劑再生時能耗高。比較而言，氨水吸收 CO2 有較高的負(fù)荷能力，無腐蝕問題，在煙氣環(huán)境下不會降解，可使吸收劑補(bǔ)充量減 少到最小，再生所需能量很少，而且成本大大低于MEA。1.3研究意義我國是較早批準(zhǔn)京都議定書的國家之一，作為一個負(fù)責(zé)任的大國，對全 球溫室氣體減排作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 未來，隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，能源消耗量 還會繼續(xù)增加，后京都時代”我國將會面臨更大的壓力，積極開展CO2減排方面 基礎(chǔ)性研究，探索符合我國國情的 C

12、O2減排之路迫在眉睫。考慮到國際社會要 求我國減排溫室氣體的壓力日益增大，開展適合中國國情的火電廠CO2減排技術(shù)研究，對于像我國這樣的高溫室氣體排放國家來說至關(guān)重要。2反應(yīng)機(jī)理2.1 氨法吸收C02的機(jī)理C02與氨水溶液主要通過化學(xué)反應(yīng)(1) - (5)吸收C0/8,影響平衡時溶液 中產(chǎn)物碳酸俊和碳酸氫俊濃度的因素為貧液、氨溶液和二氧化碳負(fù)載量。C02 2NH3 = NH2C00NH42324NH2C00NH4 H20M NH4HC03NH3NH3 H20 M NH4OHNH4HCO3 NH4OH NH4 2c。3 山0(5)NH4 2 c03 co2 H20= 2NH4HC03以上反應(yīng)可看出

13、，NH4HCO3和(NH4)2CO3為反應(yīng)產(chǎn)物，室溫時，反應(yīng)向正 反應(yīng)方向進(jìn)行，溫度在38-60 0c時，反應(yīng)向逆方向進(jìn)行，NH4HCO3和(NH4)2CO3 都能以晶體的方式存在于溶液中90隨著吸收不斷進(jìn)行，水解生成的 NH4HCO3 濃度不斷增高，當(dāng)超過它在氨水中得飽和濃度時， 就會結(jié)晶析出，從而獲得副產(chǎn) 品碳酸氫錢。2.2 解吸CO2機(jī)理熱再生氨法脫碳技術(shù)中，加熱富液使 CO2解吸并再生吸收劑的過程主要反應(yīng) 為(6) - (9) 10。CO2解吸的過程是氨水吸收CO2過程的逆反應(yīng)，是吸收反應(yīng)的產(chǎn)物碳酸氨、氨基甲酸鹽和碳酸氫氨受熱分解的過程。 其中溶液中碳酸氫錢分 解生成碳酸俊所需的反應(yīng)熱

14、最少， 而碳酸俊進(jìn)一步解吸CO2消耗的反應(yīng)熱較大。 與此同時，液相中部分 NH3和H2O由于液相平衡分壓的存在與 CO2 一起進(jìn)入 到氣相11。2NH4HCO3(aq) 一(N4H2CO3(aq)+CO2(g)+ H2OQ) H=26.8 kJ mo1-1(6)NH4HCO3(aq) N3Haq)+ CO2 (g)+ H2O (l) H=64.0 kJ mo1-1(7)(NH4)2CO3 (aq) -2NH3(aq)+ CO2(g)+H2O(l) H=100.9 kJ mo 1-1(8)NH2COONH4 (aq) -NH 2COOH(aq)+NH3(g) -2NH3(g)+CO2(g) H=

15、159.9 kJ mol-1(9)3實(shí)驗部分3.1 氨法脫除二氧化碳3.1.1 實(shí)驗方案采用自組裝實(shí)驗系統(tǒng)進(jìn)行本實(shí)驗，模擬煙氣利用市售的N2, CO2純氣體按照一定比例配置而成，氣體通過定制的模擬煙氣緩沖瓶混合均勻。反應(yīng)器 為定制的 500mL玻璃容器，容器內(nèi)放玻璃砂芯漏斗作為鼓泡器，粒徑為 3050mo鼓泡器距反應(yīng)器底部2cmo鼓泡反應(yīng)器置于恒溫水浴槽中，以控制溫度變化。利用市售硅膠管及玻璃三通連接管路。實(shí)驗系統(tǒng)如圖3所示圖3實(shí)驗裝置圖在反應(yīng)器進(jìn)氣口和出氣口連接旁路系統(tǒng)測定氣體的濃度，反應(yīng)結(jié)束后對 氣體濃度進(jìn)行回測。 模擬煙氣通過裝有一定濃度氨水溶液的鼓泡反應(yīng)器后通過 盛有無水CaCl2的干

16、燥瓶進(jìn)入紅外 CO2分析儀。氣體體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定后，利用紅 外CO2分析儀測定煙氣中CO2的初始濃度、反應(yīng)過程中 CO2濃度變化情況以 及反應(yīng)完全后的尾氣中 CO2濃度。記錄下進(jìn)出口 CO2濃度值并計算出CO2的脫 除效率。CO2的脫除效率按如下公式計算：c _c=Cin I。Gn式中：”為脫除效率；Cin為初始濃度，mg/m3; Cout為反應(yīng)后濃度，mg/m3。 3.1.2實(shí)驗結(jié)果與分析3.1.2.1氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CO2脫除效率的關(guān)系CO2和N2氣混合配置成CO2濃度為12%的模擬煙氣，氨水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別 為5%、10%、12%、14%、15%、16%、18%、20%,同時用去離子水做對比空

17、白試驗。總氣體流量控制在0.052m3/h,每次試驗倒入鼓泡反應(yīng)器中的溶液量控 制在350ml,待氣體通入反應(yīng)器中反應(yīng)開始時，用二氧化碳分析儀測定出口CO2體積分?jǐn)?shù)，每30秒記錄一組數(shù)據(jù)，溫度為室溫12Co圖4為氨水溶液濃度與二 氧化碳脫除效率的關(guān)系。100. OM80.00%60.瞰40. OK20,00%0.00$0% 1颼 20*30%水質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖4氨水溶液濃度與CO2脫除效率的關(guān)系如圖4可知，CO2脫除效率隨著氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，因此提高氨水濃度有利于CO2的脫除，但當(dāng)氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于16%后，脫除效率增長緩慢，原 因可能是當(dāng)氨水濃度提高隨之氨的溢出量也急劇增加12o因此，認(rèn)為氨

18、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)選取16%為最佳，脫除效率可達(dá)到91.67%。3.1.2.2 CO2濃度與CO2脫除效率的關(guān)系CO2和N2氣混合分別配置成CO2濃度為8%、10%、12%、14%、16%的模 擬煙氣，總氣體流量控制在0.052m3/h。選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的氨水溶液作為吸 收劑。圖5為CO2濃度與CO2脫除效率的關(guān)系。100.00%98. 00%96. 00%94. 00%92.00%90. 00%88. 00%86. 00%0. 00% 5, 00% 10. 00% 15, 00% 20. 00%二氧化碳濃度圖5 CO2濃度與CO2脫除效率的關(guān)系由圖5可知，CO2的脫除效率隨著入口氣體中CO2濃

19、度的增加而下降。其原 因主要是在氨水濃度和總氣體流量一定的情況下，氨水的吸收容量恒定，CO2濃度增加使得NH3/CO2摩爾比值相對減小，反應(yīng)的推動力減小，不利于 CO2的 吸收，導(dǎo)致脫除效率的下降13。相對于其他因素而言，CO2濃度并不是選擇越低越好，雖然低濃度的 CO2 可以獲得更高的脫除效率，但考慮到電廠燃煤煙氣的實(shí)際情況，綜合經(jīng)濟(jì)成本核 算，選取CO2濃度為12%較為適宜。3.1.2.3入口氣體流量與CO2脫除效率的關(guān)系CO2和N2氣混合分別配置成CO2濃度為12%的模擬煙氣，總氣體流量分別 控制在0.028、0.04、0.052、0.06、0.07m3/h。選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的氨水溶

20、液作 為吸收劑，圖6為入口氣體流量與CO2脫除效率的關(guān)系。00. 020.040. 060.08人口氣體流量m3/h100. 00%98. 00%96. 00%94. 00%92. 00%90.00%88. 00%86. 00%圖6入口氣體流量與CO2脫除效率的關(guān)系由圖6可知，隨著入口氣體體積流量的增大，CO2脫除效率呈下降趨勢。其 原因是入口氣體體積流量增大且 CO2濃度不變的情況下，氨水的吸收容量恒定， CO2的量增加促使NH3/CO2摩爾比值相對減小，反應(yīng)的推動力減小，脫除效率降 低14。而入口氣體中CO2最佳濃度受到發(fā)電廠煙氣實(shí)際狀況、經(jīng)濟(jì)效益、排放 標(biāo)準(zhǔn)等條件的限制，因此雖然低流量可

21、以產(chǎn)生高脫除效率，但綜合考慮，選擇 0.052m3/h相對比較適宜。3.1.2.4 pH值與CO2脫除效率的關(guān)系混合氣體中CO2濃度為12%,總氣體流量控制在0.052m3/ho選取質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為16%的氨水溶液作為吸收劑，測定其原始pH值為12.81,另外配制pH分別為 10.26、8.00、6.03、4.00、2.02的吸收劑。圖7為pH值與CO2脫除效率的關(guān)系。50.00%60.00%40.00%20.00%0246 S 101214pH值0- mloo. m圖7 pH值與CO2脫除效率的關(guān)系由圖7可以看出，隨著pH的減小，CO2脫除效率不斷降低。16%濃度的氨 水其原始pH值為12.81

22、,隨著pH的減小，CO2脫除效率急劇下降，pH值為2.02 時脫除效率降低到0.83%,而在相同條件下16%濃度的氨水月除效率為91.67%。 分析可知，CO2為酸性氣體，氨水為堿性溶液，所以隨著 pH值的增大，吸收效 率受電離平衡的影響，必然會降低15o3.1.2.5溫度與CO2脫除效率的關(guān)系CO2和N2氣混合分別配置成CO2濃度為12%的模擬煙氣，總氣體流量控制 在0.052m3/h。選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的氨水溶液作為吸收劑。控制反應(yīng)溫度從12c 到60C,平均每10c測定一個點(diǎn)。100. 00%1020304050607098. 00%96. 00%91 00%92. 00%90. 0

23、噩圖8溫度與CO2脫除效率的關(guān)系由圖8可知，溫度對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的氨水的脫碳效率有一定影響，在40c 左后脫除效率達(dá)到最高，可達(dá)到 98.03%。從12c到40c的升溫過程中，雖然脫 除效率有一定波動，但總體趨勢為逐漸升高，這是因為吸收劑中NH4HCO3尚未飽和，使總反應(yīng)向正方向進(jìn)行，不斷吸收CO2,溫度有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行1620o 從40c到45 C,由于NH4HCO3開始出現(xiàn)分解，使總反應(yīng)逆向進(jìn)行，不斷放出 CO2,脫除效率降低。從45c開始，隨著溫度增長，吸收效率呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。綜合上述實(shí)驗，根據(jù)燃煤電廠實(shí)際情況以及經(jīng)濟(jì)成本核算， 選取最佳條件為： 氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%, CO2濃

24、度為12%,入口氣體流量為0.052m3/h,較為適宜。 3.1.3小結(jié)通過研究表明：利用氨水溶液可以有效脫除 CO2,實(shí)現(xiàn)較高的脫碳效率和較 快的脫除速度。脫除效率與氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、CO2濃度、入口氣體流量、pH值和溫度各因素有著密切關(guān)系。對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：提高氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值均可增大脫除效率； 本實(shí)驗取氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%,而在相同條件下，若增大CO2濃度和入口 氣體流量，脫除效率則呈現(xiàn)下降趨勢； 溫度對氨水的脫除效率影響比較復(fù)雜，最佳溫度為 45C；3.2脫碳吸收液解吸CO2實(shí)驗研究3.2.1 實(shí)驗方案采用自組裝實(shí)驗系統(tǒng)進(jìn)行本實(shí)驗，實(shí)驗使用模擬脫碳吸收液比例的碳化氨溶 液

25、，。反應(yīng)器為定制的500mL玻璃容器，采用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器在一定 轉(zhuǎn)速下攪拌，解吸氣體先通過冷凝器冷凝，再經(jīng)過干燥管干燥，最后通過紅外 CO2煙氣分析儀測定CO2的濃度，實(shí)驗裝置圖如圖9所示。01分折儀料氣粒割位推氣JWT分析收想郵布?xì)饨油姛岷銣厮?，先用N2吹掃整個系統(tǒng)，啟動實(shí)時溫度、氣體濃度記錄，向反應(yīng)器內(nèi)注入一定體積的待測液。反應(yīng)開始進(jìn)行，解吸氣中 CO2經(jīng)通過冷凝 器冷凝，再經(jīng)過干燥管干燥，最后通過紅外 CO2煙氣分析儀實(shí)時測定 CO2的濃 度。根據(jù)CO2分析儀記錄數(shù)據(jù)和溶液產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步分析。本實(shí)驗采用的計算方法如下：CO2解吸比例反映碳化氨溶液解吸 CO2的程度。定義如下

26、：1000 <Mrn3二。/口其中，M CO2為解吸CO2總量，單位mol; C0為初始碳化氨溶液中的碳濃度, 單位mol/L ; Va0為初始溶液體積，單位 mLoCO2擔(dān)載程度溶液中的氨濃度和CO2擔(dān)載程度作為吸收劑或吸收液的特征參數(shù)。CO2擔(dān)載程度為溶液中的碳濃度與氨濃度之比， CO2擔(dān)載程度越低，可用來吸收 CO2 的能力越大。定義如下：CCO2CNH 3其中，C/A單位是molCO2/molNH3。以對于新鮮氨水溶液，CO2擔(dān)載程度為 0 molCO2/molNH3,而 NH4HCO3溶液的 CO2擔(dān)載程度為 1 molCO2/molNH3。3.2.2 實(shí)驗結(jié)果與分析3.2.2

27、.1 溫度對解吸的影響采用 100 mL 1 mol/L NH4HCO3溶液，N2流量 0.08 m3/h,磁力攪拌 200 rmp, 加熱恒溫為60、70、80、90 C條件下，溶液中CO2的解吸比例與溫度變化的關(guān) 系如圖10所示?？芍弘S著反應(yīng)溫度的升高 CO2體積濃度先增大后減小，前15 min反應(yīng)較劇烈，最后逐漸趨于平穩(wěn)。CO2體積濃度在5 min左右達(dá)到極值，且到達(dá)極值所需的時間隨溫度的升高而逐漸減少。由圖 11不同溫度下CO2解吸比 例可知，隨解吸溫度的升高，CO2解吸比例逐漸提高。在60 C CO2解吸比例較 低為32.82 %, 80 C和90 C時，解吸比例分別提高到 59.

28、04 %和67.94 %。NH4HCO3溶液解吸反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)，溫度的升高有利于反應(yīng)向正向移動。從 反應(yīng)的物理狀態(tài)分析，液相中組分的氣相平衡分壓隨溫度的升高而增大，逸出能力增強(qiáng)，液相進(jìn)入氣相的分子數(shù)目增多，從而引起CO2解吸速率加快，解吸比例提高。但是在提高解吸溫度的同時，需要考慮解吸過程中氨的揮發(fā)也會隨著溫 度的上升而增加。憐度濃積體2OCiiiiiiiiiii10102030405060時間/min2 0 8 6 4 2 0圖11不同溫度下 CO2解吸比例圖10不同溫度下CO2解吸隨時間變化關(guān)系3.2.2.3 濃度對解吸的影響由于NH4HCO3常溫下易分解，考慮其飽和溶解度（15c時飽和

29、溶解度2.17 mlo/L）影響，分別取 1.0 mol/L、1.2 mol/L、1.4mol/L、1.6 mol/L、1.8 mol/L、 2.0 mol/L碳化氨溶液各100 mL,在水浴恒溫80 C, N2流量0.08 m3/h,磁力攪 拌200 rmp條件下進(jìn)行濃度對解吸過程的影響實(shí)驗研究，實(shí)驗結(jié)果見圖12和圖13。由圖可知，隨著溶液濃度的增加，CO2體積濃度先升高后降低。CO2的解吸 比例逐漸提高，但增速逐漸下降，升高的幅度在不斷減緩，逐漸趨于定值，解吸 比例為72.07 %（原溶液濃度為1.8 mol/L）和72.76 % （原溶液濃度為2.0 mol/L）。 由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)可知

30、，增加反應(yīng)物濃度可提高反應(yīng)正向進(jìn)行的推動力，其濃度越接近飽和濃度時，CO2的解吸能力越高，但這種能力增高的趨勢在變緩。sn 2.0 mol/L1.0 mol/L1.2 mol/L1.4 mol/L1.6 mol/L1.8 mol/L0102030405060時間/min0 5 0 5 02 11憐度濃積體o2c圖12不同濃度下CO2解吸隨時間變化關(guān)系|%|%|% o o O 6 5 4 例比析解o2cI%30I%201.01.21.41.61.82.0溶液濃度/mol/L圖13不同濃度下CO2解吸比例3.2.2.4 pH值對解吸的影響溶液中H2CO3、HCO3-和CO32-的含量受pH的影響，

31、隨pH的變化而變化， 見圖14和表221。分別取pH為4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0的碳化氨溶 液各100 mL,在水浴恒溫80 C, N2流量0.08 m3/h,磁力攪拌200 rmp條件下 進(jìn)行pH對解吸過程的影響實(shí)驗研究，實(shí)驗結(jié)果見圖 15和圖16。圖13全碳濃度分布與pH的關(guān)系表2全碳濃度分布與pH的關(guān)系pHH2CO3_ _ _HCO3CO32-2.01.0000一一3.00.99970.0003一4.00.99570.0043一5.00.95760.0424一6.00.70220.30780.00007.00.18650.81320.00038.00.024

32、50.97080.00479.00.00170.95350.044810.00.00010.68030.319611.0一0.17550.824512.0一0.02070.979313.0一0.00200.9980Table 2 The distribution of species concentrations as a function of pH由圖15可知，反應(yīng)過程中，CO2體積濃度先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。 隨著溶液pH的增加，CO2體積濃度最大值逐漸減小，且達(dá)到最大值的時間增長， 曲線的波動程度逐漸變緩。由圖10可知，碳化氨溶液反應(yīng)后pH隨反應(yīng)前pH的 增大而增大，除反應(yīng)前pH=

33、10.0溶液反應(yīng)后pH略有減小變?yōu)?.6之外，其它5 組溶液反應(yīng)后pH值均高于反應(yīng)前溶液pH值，且增幅逐漸減小。隨pH的增加， CO2解吸比例先增大后減小，pH=7時解吸比例最高約為60 %。加熱有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，由全碳濃度分布與pH的關(guān)系和反應(yīng)方程式（1） 可知，pH值越低溶液中H2CO3比例越高，所需反應(yīng)熱越小，相同溫度條件下 越易釋放出CO2,所以原pH=4溶液CO2體積濃度即時最大值最高。pH值越高 溶液中CO32-比例越高，H2CO3比例越低，反應(yīng)越不易放出CO2,所以原pH=10.0 溶液CO2體積濃度即時最大值最低。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液pH值隨反應(yīng)進(jìn)程不 斷上升，說明CO2解吸

34、出來后，使溶液堿性增強(qiáng)，即吸收 CO2的能力逐漸得到 恢復(fù)。因此，在適當(dāng)范圍內(nèi)調(diào)解溶液 pH值為78,有利于提高CO2解吸比例。252015105 O%度濃積體20cpH=4.0 pH=5.0 pH=6.0 pH=7.0 pH=8.0 pH=9.0pH=10.070圖16不同pH下解吸后pH 和解吸比例的變化值HP后應(yīng)反O1 5O102030時間/min4050圖15不同pH下CO2解吸隨時間變化關(guān)系3.2.2.5 CO2擔(dān)載程度對解吸的影響在水浴恒溫80 C, N2流量0.08 m3/h,磁力攪拌200 rmp條件下，用碳酸 氫俊、碳酸俊和氨水配制 CO2擔(dān)載程度為0.0、0.2、0.4、0

35、.6、0.8、1.0的碳化 氨溶液各100 mL,進(jìn)行CO2擔(dān)載程度對解吸過程影響的實(shí)驗研究，實(shí)驗結(jié)果見 圖17和圖18。由圖17可知，隨著溶液中CO2擔(dān)載程度的增加，CO2體積濃度 先升高后降低，最后逐漸趨于平穩(wěn)，曲線波動逐漸明顯。隨著CO2擔(dān)載程度增加，CO2體積濃度最大值增大，達(dá)到 CO2體積濃度最大值的時間增長。由圖 18 可知，隨著溶液CO2擔(dān)載程度增加，CO2解吸比例升高，但升高速率逐漸降低， CO2擔(dān)載程度為1.0時解吸比例為61.64 %。溶液反應(yīng)后pH值不隨CO2擔(dān)載程度 增加而變化，反應(yīng)后溶液pH均為10.1。一一一 C/A=0.0一 一 C/A=0.2一 一 C/A=0.

36、4一 一 C/A=0.6C/A=0.8- - C/A=1.001020304050時間/min244208 6 4 2 0 8 6 111114 2 0%度濃積體20c60%50%40%30%20%10%0%0.00.20.40.60.8CO2擔(dān)載程度HP液溶后應(yīng)反2 O118圖17不同擔(dān)載程度下 CO?解吸隨時間變化關(guān)系圖18不同擔(dān)載程度下解吸后 pH和解吸比例變化由于CO2擔(dān)載程度為溶液中的碳濃度與氨濃度之比，CO2擔(dān)載程度越低，可 用來吸收CO2的能力越大，可用來解吸 CO2的能力越小。因此，溶液 CO2解吸 比例隨擔(dān)載程度的增加而升高，增加反應(yīng)液的 CO2擔(dān)載程度有利于促進(jìn)CO2解 吸

37、，提高CO2解吸比例。3.2.2.6 小結(jié)(1)碳化氨溶液加熱解吸時，CO2的體積濃度和解吸比例受溫度控制，CO2解吸比例隨著溫度的上升而上升。在 60c CO2解吸比例較低為32.82 %, 80c和 90c時，解吸比例分別提高到59.04 %?口 67.94 %。但是在提高解吸溫度的同時， 需要考慮解吸過程中氨的揮發(fā)也會隨著溫度的上升而增加。(2)隨著碳化氨溶液濃度的升高，CO2的解吸比例逐漸提高，但增速逐漸下降， 升高的幅度在不斷減緩，逐漸趨于定值。解吸比例由59.04 %(原溶液濃度為1.80 mol/L)提高到72.07 % (原溶液濃度為1.8 mol/L )和72.76 % (原

38、溶液濃度為 2.0 mol/L)。其濃度越接近飽和濃度時，CO2的解吸能力越高，但這種能力增高 的趨勢在變緩。(3)碳化氨溶液隨pH的增加，CO2解吸比例先增大后減小，pH=7時解吸比例 最高約為60 %。反應(yīng)后pH隨反應(yīng)前pH的增大而增大，增幅逐漸減小。(4)CO2解吸比例隨著溶液CO2擔(dān)載程度的增加而升高，但升高速率逐漸降低， CO2擔(dān)載程度為1.0時解吸比例達(dá)到61.64 %。溶液CO2擔(dān)載程度越高，解吸CO2 的能力越大。溶液反應(yīng)后pH值不隨CO2擔(dān)載程度增加而變化，反應(yīng)后溶液 pH 均為10.1。4方案優(yōu)勢與工藝流程4.1方案優(yōu)勢(1)此方案應(yīng)用了氨水對 CO2具有強(qiáng)吸收性，吸收反應(yīng)

39、產(chǎn)物受熱易分解，且 分解產(chǎn)物中NH3可以循環(huán)利用、CO2可以儲存?zhèn)溆玫脑恚泻瞎?jié)能減排的主旨。(2)方案中氨水可以循環(huán)利用，提高了氨水的利用率，降低了生產(chǎn)成本。(3)在設(shè)計的過程中采用一體化脫除解吸控制，具有操作簡便，造價低廉， 能夠隨污染物的排放量快速調(diào)節(jié)藥品用量并且減少設(shè)備的維修及維護(hù)費(fèi)用。(4)此方案采用先脫除后解吸并儲存技術(shù)，適合我國節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略， 對大中型電力企業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。(5)本方案采用一體化系統(tǒng)，實(shí)驗結(jié)果相對來說比較精確，并能節(jié)約用地面 積。(6)脫除并解吸后得到的反應(yīng)產(chǎn)物為更純的CO2,其回收利用情況以及市場前景都有較好的發(fā)展目標(biāo)。(7)設(shè)備使用壽命長，構(gòu)造

40、方式及設(shè)計符合公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。4.2工藝流程（1）靜電除塵器（2）引風(fēng)機(jī)；（3）換熱器；（4）脫硫區(qū)；（5） 一層噴嘴；（6） 水平煙道；（7）二層噴嘴；（8）脫碳塔；（9）煙囪；（10）氧化風(fēng)機(jī)；（11）石灰 漿供給槽；（12）脫硫供漿泵；（13）脫硫循環(huán)泵；（14）固液分離系統(tǒng)；（15）脫 碳供氨泵；（16）脫碳循環(huán)泵；（17）脫碳后溶液抽出泵；（18）解析塔；（19）冷 凝器；（20）氨水返回泵；（21）氨水儲槽圖中，鍋爐煙氣（溫度 120c左右,含 CO212%, SO22000-6000mg/m3）經(jīng) 靜電除塵器（1）,通過引風(fēng)機(jī)（2）進(jìn)入煙氣余熱與脫碳后溶液熱能交換的換熱 器

41、（3）,由脫碳后溶液抽出泵（17）從脫碳塔（8）底部抽出的脫碳后溶液進(jìn)入 換熱器（3）被加熱到70c左右。接著脫碳后溶液進(jìn)入解析塔（18）進(jìn)行蒸汽加 熱解析，氨與CO2分離，少部分揮發(fā)逃逸的氨氣與解析后的 CO2一起進(jìn)入冷凝 器（19）脫除逃逸氨氣，分離后的 CO2待封存或轉(zhuǎn)化利用。冷凝器（19）冷凝 后的氨水與解析塔（18）解析后的氨水通過氨水返回泵（20）返回氨水儲槽（21） 循環(huán)利用。降溫后的煙氣（溫度70C）進(jìn)入脫硫區(qū)（4）被噴嘴（5）噴淋脫硫漿 液順流洗滌脫硫，接著進(jìn)入脫硫區(qū)（4）底端水平煙道（6）被二次洗滌。脫硫循 環(huán)泵（13）負(fù)責(zé)供應(yīng)脫硫漿液到脫硫噴嘴（5）。脫硫漿液在脫硫區(qū)（4

42、）底部的 持液槽內(nèi)被氧化風(fēng)機(jī)（10）提供的強(qiáng)制氧化空氣所氧化，生成的硫酸鈣被排出送 往固液分離系統(tǒng)（14）脫水，得到石膏。脫硫后的煙氣通過水平煙道（7）進(jìn)入 脫碳塔（8）,在脫碳塔（8）內(nèi)煙氣與二層噴嘴（7）噴淋氨水逆流接觸脫除其中 的CO2,清潔煙氣可采用煙囪（9）排煙。而脫碳塔（8）內(nèi)的脫碳漿液通過脫 碳循環(huán)泵（16）循環(huán)洗滌脫碳。整個過程中所需的氨水均由氨水儲槽（21）所提 供。本工藝流程是基于多數(shù)電廠現(xiàn)有設(shè)備布置設(shè)計，該流程保留電廠現(xiàn)有設(shè)備， 只對少部分設(shè)備進(jìn)行改造增添。利用煙氣余熱提供解析塔的大部分熱源，減少能 耗，降低了電廠成本。有學(xué)者22提出利用氨水同時脫硫脫碳，減少工藝流程，

43、降低了設(shè)備的復(fù)雜性，生成副產(chǎn)物硫酸俊肥料，緩解目前濕式石膏法產(chǎn)物過剩累 積的局面。5技術(shù)創(chuàng)新性（1）本實(shí)驗首次提出利用煙氣余熱對脫碳后溶液進(jìn)行預(yù)加熱，解吸塔內(nèi)的蒸汽 只是起到輔助加熱作用，這極大地降低了碳捕集的能耗；最終可望形成一種具有 自主知識產(chǎn)權(quán)、符合現(xiàn)有燃煤電廠經(jīng)濟(jì)承受能力的碳捕集方法。(2)從我們的實(shí)驗室模擬實(shí)驗的結(jié)果來看，氨法脫除技術(shù)能帶來很好的脫除效果，并且從綜合評價來看，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性存在較大優(yōu)勢，而且設(shè)備費(fèi)用低，能達(dá)到理想 的節(jié)能減排目的。通用性強(qiáng)，為國家能源發(fā)展規(guī)劃起到推動的作用。(4)實(shí)驗中氨水可以循環(huán)再生、循環(huán)使用，這就減少了實(shí)驗中氨水的使用量，降 低了成本。6技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析6

44、.1 氨法脫除CO2的經(jīng)濟(jì)性分析目前世界上所有商業(yè)化脫除CO2的應(yīng)用方法都是以一乙醇胺(MEA)溶劑 為基礎(chǔ)的化學(xué)吸收法。但是MEA存在很多缺點(diǎn)，主要有：對碳鋼制作的熱交換 設(shè)備腐蝕嚴(yán)重；再生所需的熱量大；不適宜從氧含量較高的煙氣中回收CO2；溶液易發(fā)生氧化降解和高溫降解；損耗量較大23。比較而言，氨水吸收CO2有較高 的負(fù)荷能力，無腐蝕問題，在煙氣環(huán)境下不會降解，可使吸收劑補(bǔ)充量減少到最 小，再生所需能量很少，而且成本大大低于 MEA。氨水洗滌電廠煙氣以脫除CO2是一種全新的方法。研究表明，脫除電廠煙氣 中的CO2時，氨溶液吸收CO2不是純放熱反應(yīng)；吸收能力可達(dá)1.0kg(CO2)/kg(氨

45、) 以上；氨的再生容易(可以得到高純度的CO2);所得到的副產(chǎn)品碳酸氫錢是我國 農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用的氮肥，具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。眾多研究者和研究機(jī)構(gòu)對氨水脫 除煙氣中CO2的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了探索研究，指出利用氨法對電廠煙氣中 污染物聯(lián)合脫除有望實(shí)現(xiàn)較低程度降低電廠效率，并將電價上漲控制在20%以 2425 07推廣應(yīng)用可行性分析采用脫除具有可行性，能在一定程度上對 節(jié)能減排工作”有所推進(jìn)，有效的解 決我國燃煤造成的大氣污染物排放對環(huán)境帶來的諸多問題。該方案可以解決大多數(shù)電廠煙氣污染物脫除及排放標(biāo)準(zhǔn)的問題，且造價低，易施工，占地面積小，減輕電廠的經(jīng)濟(jì)壓力。符合節(jié)能減排設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、通用性強(qiáng)，為電廠的

46、建設(shè)和發(fā)展起到推動的作 用。每年能減少大量的二氧化碳、氮和硫氧化物、粉塵的排放，推廣性強(qiáng)。8創(chuàng)新點(diǎn)與應(yīng)用價值分析利用氨水先吸收煙氣中的CO2,同時也能吸收煙氣中的SO2和和NOx,最后通 過煙氣余熱和其他能量熱分解吸收液實(shí)現(xiàn) CO2高純度捕集，能耗小，占地面積小。(2)通過液氨的再生利用，降低了脫除成本，使該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用成為可能； 實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)的清潔生產(chǎn)，有效結(jié)合對節(jié)能綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展提供一種新思 路。(3)操作簡單方便，也有利于電力企業(yè)的人員結(jié)構(gòu)調(diào)整，一方面可以大幅度降 低設(shè)備設(shè)施所需的經(jīng)濟(jì)投入，另一方面還可以有效緩解我國大氣污染物排放量持 續(xù)增長的緊張的局面?？傮w而言，此技術(shù)存在巨大

47、的發(fā)展空間。參考文獻(xiàn)1IPCC.第四次評估報告氣候變化2007:自然科學(xué)基礎(chǔ)R. Paris:政府間氣候 變化專門委員會2Thomas, C. D., A. Cameron, R. E. Green. Extinction risk from climate changeJ. Nature. 2004,427: 1451483Muller, B. Equity in Climate Change. The Great DivideM. Oxford Institute for Energy Studies. 2002:38424 Gao Guangsheng. The essence and

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