年捕集4萬噸二氧化碳工藝流程設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、畢業(yè)論文開題報(bào)告化學(xué)工程與工藝年捕集4萬噸二氧化碳工藝流程設(shè)計(jì)1選題的背景全球應(yīng)對(duì)氣候變化的核心是減少溫室氣體排放，其中主要是減少燃煤能源消耗產(chǎn)生的CO2氣體的排放。二氧化碳捕集、封存和利用（CCS&U）技術(shù)是減少CO2排放的一種有效措施。當(dāng)前，我國是全球CO2排放第二大國，2004年占世界CO2排放總量的17.8%1。20002004年間我國CO2排放的增長(zhǎng)量占世界同期CO2排放增長(zhǎng)量的一半以上，2010年前我國CO2排放量就有可能超過美國，成為世界第一排放大國。我國CO2排放量較快增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)將越來越受到國際社會(huì)的關(guān)注。在全球發(fā)展中心”的統(tǒng)計(jì)中盡管排在前十名的美國電廠有兩家，但是每年

2、的二氧化碳排放量目前是世界上最大的，將近28億噸。中國僅次于美國，二氧化碳年排放量為27億噸。不過，全球發(fā)展中心”預(yù)測(cè)，到2017年，中國燃煤電廠每年排出的二氧化碳數(shù)量將增加60%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國。目前，我國現(xiàn)有或者正在建設(shè)中的大型燃煤電廠數(shù)量為127家，另有72家燃煤電廠正在擴(kuò)建增加裝機(jī)容量，所以總數(shù)為199家。CO2是碳和含碳化合物氧化的最終產(chǎn)物，是主要的溫室氣體之一。同時(shí)CO2也是地球上最豐富的C資源之一，具有儲(chǔ)量大、安全無毒和價(jià)廉易得等優(yōu)點(diǎn)。因此，CO2資源利用具有重大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境意義。近幾十年來，許多化學(xué)家都在為CO2的資源化利用而努力。從CO2與環(huán)氧化合物出發(fā)合成環(huán)狀碳酸酯是目前CO

3、2資源化利用最典型的成功范例之一。如果在反應(yīng)過程中不使用有機(jī)溶劑，則該過程將是一個(gè)符合綠色化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)。環(huán)狀碳酸酯廣泛應(yīng)用于紡織、印染、高分子合成以及電化學(xué)領(lǐng)域，同時(shí)在藥物和精細(xì)化工中間體的合成中也占據(jù)重要的地位。本項(xiàng)目捕集燃煤電廠煙道氣的二氧化碳，并將其作為原料生產(chǎn)。利用最佳的捕集工藝能夠有效的提高資源的利用率。如果能夠普及將大大的減少我們的二氧化碳的排放，并且將創(chuàng)造極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2二氧化碳捕集工藝的相關(guān)動(dòng)態(tài)2.1 二氧化碳的捕集技術(shù)路線針對(duì)火電廠排放的二氧化碳，考慮到燃料主要由碳、氫、氧三種元素構(gòu)成，而空氣是助燃?xì)怏w從燃燒的不同階段劃分，二氧化碳的捕集技術(shù)路線主要可以分為4種:

4、燃燒后脫碳、燃燒前脫碳、富氧燃燒以及化學(xué)鏈燃燒技術(shù)。2.2 二氧化碳的分離捕集技術(shù)2.2.1 MEA法捕集二氧化碳MEA（乙醇胺）法捕集的基本原理：根據(jù)理論分析，MEA（乙醇胺）與CO2反應(yīng)生成比較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，在再生過程中需要較多的能量才能分解，導(dǎo)致再生能耗較大。同時(shí)氨基甲酸鹽對(duì)設(shè)備的腐蝕性較強(qiáng)，又易形成水垢。MEA與CO2的總反應(yīng)式如下：CO2+2HOCH2CH2NH2fHOCH2CH2NHCOO-+HOCH2CH2NH3+劉炳成，張煜等（勝利石油管理局，青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）根據(jù)勝利電廠煙道氣的實(shí)際數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的胺法捕集二氧化碳工藝流程。流程圖如下：圖1乙醇胺法脫碳工藝流程示意圖李

5、青、余云松等3（西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）研究了一種采用化學(xué)吸收法的新型供熱技術(shù)。將熱泵技術(shù)與化學(xué)吸收法相結(jié)合，通過高溫?zé)岜锰峁┙馕鼰崮?，同時(shí)綜合利用廢熱。流程圖如下:MakeupRichsolvententgasH®1-Pressure-CO3圖2乙醇胺法吸收二氧化碳的流程葉寧等H5利用MEA法捕集煙道氣中的二氧化碳，利用收集到的數(shù)據(jù)，做出如下圖所示的工藝流程圖。1冷卻塔2風(fēng)機(jī)3收塔4富液泵5冷凝器6換熱器7再生塔8貧液泵9,10水冷器NnT11再沸器12分離器13地下槽，回流泵14胺回收加熱器15過濾器圖3MEA法回收二氧化碳的工藝流程圖2.2.2 ECO2法捕集

6、二氧化碳ECO2（氨水捕集法）捕集二氧化碳的基本原理9如下:由于電廠煙氣中CO2含量高達(dá)15%,這樣，脫除過程所需的氨氣濃度必然會(huì)很高，而氨氣的爆炸極限是15%28%,若設(shè)計(jì)不合理，則很容易引起爆炸，因此不推薦采用干法脫碳。一般都采用氨水噴淋的方法，脫碳效率可達(dá)95%-99%,不足之處是氨易揮發(fā)，損失大，總反應(yīng)如式下：CO2+NH3+H2O<=>NH4HCO3實(shí)際反應(yīng)比較復(fù)雜，可視為分步反應(yīng)：2NH3+CO2-NH2COONH4NH2COONH4+CO2+2H20f2NH4HCO3NH2COONH4+H20fNH4HCO3+NH3NH3+H2O+CO2fNH4HCO32NH3+H2

7、O+CO2一(NH4)2CO3(NH4)2CO3+H2O+CO2f2NH4HCO3氨水吸收CO2的反應(yīng)不是純放熱反應(yīng)；每kg氨可吸U高達(dá)1.2kg的CO2；氨水易于再生、可得到高純度的CO2；副產(chǎn)品NH4HCO3是氮肥，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。再生時(shí)的反應(yīng)為：2NH4HCO3(aq)一(N4)2CO3(aq)+H2O+CO2(g)NH4HCO3(aq)一2NH(aq)+H2O+CO2(g)(NH4)2CO3f2NH3(aq)+H2O+CO2(g)馬雙忱、孫云雪(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)等6XMEA法和ECO2技術(shù)的原理進(jìn)行了分析，得到的改進(jìn)的ECO2法捕集二氧化碳的新工藝流程圖如圖4所示。

8、作者對(duì)兩個(gè)吸收法的技術(shù)原理和費(fèi)用做了比較分析發(fā)現(xiàn)，ECO2技術(shù)費(fèi)用低，脫碳效率高，相比于MEA法更加適用于回收二氧化碳，具有廣泛的應(yīng)用前景。煙氣電I冉地嚼圖4氨水法回收二氧化碳工藝流程示意圖NiuZhenQi與GuoYinCheng等口利用噴霧洗滌氨水法進(jìn)一步改進(jìn)了ECO2工藝，其改進(jìn)后的工藝流程圖如下所示:Filterscreen1 .Purvip2 .Pressuregauge3 ,Flowmeteri.ElectricMcator5.Absorbentinlei0.Aljvrptiunreactor7.ThermocoLpJeH.AtannizingnozsieQRm門此口胃Rrlryp

9、r(loadingdestccantCaCiJ1O.Tr<Jii&fciilcJikjrsampinq11. Gawashingbottle(toadingaulfuncsoid>12. Gasdryer13. Gasinlet14.Gadistributor9IOutret圖5氨水法回收二氧化碳工藝流程圖2.2.3 膜分離法膜分離法的原理：膜分離法是利用某些聚合材料制成的薄膜對(duì)不同氣體的滲透率差異來分離氣體的。膜分離的驅(qū)動(dòng)力是壓差，當(dāng)膜兩邊存在壓差時(shí)，滲透率高的氣體組分以很高的速率透過薄膜，形成滲透氣流，滲透率低的氣體則絕大部分在薄膜進(jìn)氣側(cè)形成殘留氣流，兩股氣流分別引出從

10、而達(dá)到分離的目的。據(jù)對(duì)氣體分離的機(jī)理的不同，膜分離法可分為分離膜和吸收膜兩類。吸收膜是在薄膜的另一側(cè)有化學(xué)吸收液，并依靠吸收液來對(duì)CO2進(jìn)行選擇吸收，而微孔分離膜只起到隔離氣體與吸收液的作用。兩種膜的分離原理示意圖為1:分出騰技術(shù)二L二匚.膜多.披圖6兩種膜分離原理示意圖圖7膜分離流程示意圖5研究發(fā)現(xiàn)了水合物膜法捕叫回收，氣液分離朱玲、王金渠(大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)等集煙道氣中的二氧化碳的新技術(shù)。其工藝流程如下圖所示：煙氣，C%,N制除%物塞kt生番水池圖8水合物膜法捕集煙氣中二氧化碳工藝流程示意圖2.2.4 低溫蒸儲(chǔ)法低溫蒸儲(chǔ)法的原理：該法主要用于回收油田伴生氣中的CO2。較典

11、型的工藝是美國KochProcess(KPS)公司的RyanHolmes三塔和四塔工藝，整個(gè)流程包括乙烷回收、甲烷脫除、添加劑和CO2回收。低溫蒸儲(chǔ)法能耗高，分離效果較差，只適用于油田伴生氣中CO2的回收。在未來的IGCC設(shè)計(jì)或CO2再循環(huán)系統(tǒng)中，由于煙氣中含有高濃度CO2,低溫蒸儲(chǔ)法值得考慮，其優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生用管道輸送的液體CO2?，F(xiàn)在沒有成型的二氧化碳捕集工藝流程圖。2.2.5 吸附法吸附法原理8:吸附法是利用吸附劑對(duì)混合氣中CO2的選擇性可逆吸附來分離回收CO2的。吸附法又分為變溫吸附法（TSA）和變壓吸附法（PSA）。吸附劑在高溫或高壓時(shí)吸附CO2,降溫或降壓后將CO2解析出來，通過周

12、期性的溫度或壓力變化，從而使CO2分離出來。該法的關(guān)鍵是吸附劑的載荷能力，其主要決定因素是溫差或壓差。吸附法工藝過程簡(jiǎn)單、能耗低，但吸附劑容量有限，用量很大，且吸附、解吸頻繁，要求自動(dòng)化程度高。舉例：吸附法原理：吸附法是利用吸附劑對(duì)混合氣中CO2的選擇性可逆吸附來分離回收CO2的。吸附法又分為變溫吸附法（TSA）和變壓吸附法（PSA）。吸附劑在高溫或高壓時(shí)吸附CO2,降溫或降壓后將CO2解析出來，通過周期性的溫度或壓力變化，從而使CO2分離出來。該法的關(guān)鍵是吸附劑的載荷能力，其主要決定因素是溫差或壓差。吸附法工藝過程簡(jiǎn)單、能耗低，但吸附劑容量有限用量很大，且吸附、解吸頻繁，要求自動(dòng)化程度高。劉

13、應(yīng)書、鄭新港等8（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）在對(duì)吸附法的研究中，建立了3塔變壓吸附分離裝置，對(duì)煙道氣中的低濃度二氧化碳（體積分?jǐn)?shù)12%左右）的富集進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了吸附壓力和吸附時(shí)間、置換壓力和置換時(shí)間及解吸壓力對(duì)產(chǎn)品氣濃度和回收率的影響。工藝流程圖如下：1一壓縮機(jī)；2冷干機(jī)；3一真空緩沖罐；4一真空泵；5產(chǎn)品氣緩沖罐；QI流量變送器;TI變送器；PI力變送器；P一壓力表；程控閥；D圈一球閥；N一單向閥圖8吸附分離系統(tǒng)工藝圖2.2.6 電化學(xué)法電化學(xué)法原理：熔融碳酸鹽燃料電池是在閉合電路（應(yīng)用一個(gè)外部電動(dòng)勢(shì)）下通過膜傳輸CO2,其反應(yīng)原理如下：陰極：O2+2CO2+4e=2CO32-陽極：

14、H2+2CO32-=2CO2+2H2O+4e熔融碳酸鹽在燃料電池方面的應(yīng)用有廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)；隨著溫度的升高，約100%的熔融碳酸鹽對(duì)CO32-進(jìn)行了傳輸；在600c顯示了高約1s/cm的電導(dǎo)率，CO32-的擴(kuò)散率相當(dāng)于10.5cm2/s；從電廠煙氣中分離CO2的附加電力費(fèi)用較低。熔融碳酸鹽在高溫下具有極強(qiáng)的腐蝕性，其制作和操作都很困難；煙氣中的SO2也會(huì)毒化電池；在高溫?zé)煔猸h(huán)境下，還存在電解質(zhì)隔離和電極退化問題。日本大阪研究社(OsakaResearchInstituteinJapan)英國石油公司(BritishPetroleumintheUK)和意大利Ansaldo公司(AnsaldoFu

15、elCellsinItaly)也對(duì)用熔融碳酸鹽電化學(xué)系統(tǒng)分離捕集煙道氣中CO2進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究9,熔融碳酸鹽電化學(xué)法還需要在具有更高傳導(dǎo)性的碳酸鹽離子固態(tài)電解質(zhì)研制方面取得突破并進(jìn)一步優(yōu)化工藝，所以現(xiàn)在國內(nèi)沒有現(xiàn)成的流程工藝，但這種方法仍可望成為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的CO2分離捕集技術(shù)。3擬選擇或設(shè)計(jì)的工藝流程及預(yù)期達(dá)到的目的3.1 各種工藝路線的評(píng)比MEA(乙醇胺)法已經(jīng)過了廣泛的研究，并成功地應(yīng)用于化工廠的CO2回收。但是，MEA技術(shù)具有成本較高、吸收慢、吸收容量小、吸收劑用量大、設(shè)備腐蝕率高、胺類會(huì)被其他煙氣成分降解、吸收劑再生時(shí)能耗高等不足。因此，有必要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以降低成本，提高吸收劑的

16、利用效率。氨水洗滌法工藝的優(yōu)點(diǎn)是蒸汽負(fù)荷小、產(chǎn)生較濃的CO2攜帶物、較低的化學(xué)品成本、副產(chǎn)品可供銷售，可實(shí)現(xiàn)多污染物控制。同時(shí)，因?yàn)樵S多電廠用氨水來脫除NOx,所以該法占用設(shè)備及場(chǎng)地很少，十分經(jīng)濟(jì)。不足之處在于工藝過程中氨的損失大，一次循環(huán)后吸收劑的脫碳能力下降嚴(yán)重。膜分離法回收CO2裝置簡(jiǎn)單、操作方便，是當(dāng)今世界上發(fā)展迅速的一項(xiàng)節(jié)能型CO2分離回收技術(shù)，但是一般的膜分離法難以得到高純度CO2。膜分離法回收CO2成本高，長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性有待進(jìn)一步解決。低溫蒸儲(chǔ)法能耗高，分離效果較差，只適用于油田伴生氣中CO2的回收。吸附法藝過程簡(jiǎn)單、能耗低，但吸附劑容量有限，用量很大且吸附、解吸頻繁，要求自動(dòng)

17、化程度高。表1脫碳工藝路線比較表脫碳方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)MEA法技術(shù)成熟；脫碳效率圖；已工業(yè)化。成本高；吸收慢；設(shè)備腐蝕率高；再生能耗高ECO2法原料價(jià)廉；脫碳效率高；反應(yīng)低壓進(jìn)行，安全性好；再生能耗較MEA大大降低。氨損失大；再生吸收劑吸收能力降低膜分離法裝置簡(jiǎn)單；操作方便；能耗低。得到CO2的純度低；分離回收CO2成本高低溫蒸儲(chǔ)法可以產(chǎn)生用管道輸送的液體CO2能耗高；分離效果較差。吸附法工藝過程簡(jiǎn)單；能耗低。吸附劑容量有限，用量很大；且吸附；解吸頻繁；要求自動(dòng)化程度高電化學(xué)法電廠煙氣中分離CO2的附加電力費(fèi)用較低。熔融碳酸鹽在高溫下具有極強(qiáng)的腐蝕性，其制作和操作都很困；存在電解質(zhì)隔離和電極退化問題

18、3.2 擬選擇的工藝流程本次設(shè)計(jì)是針對(duì)CO2的捕集與利用，在工藝的選擇上，我們首先注重的是安全、可靠、綠色、環(huán)保。其次，結(jié)合各工藝的成本及工藝路線的繁瑣程度及各工藝的經(jīng)濟(jì)性考慮，我們選擇氨水洗滌法（ECO2）來實(shí)行對(duì)電廠煙道氣的脫碳。3.3 預(yù)期達(dá)到的目的利用aspe散件等在所選擇的工藝基礎(chǔ)上做進(jìn)一步改進(jìn)，比如對(duì)煙道氣里的大量的熱能更加充分的應(yīng)用，對(duì)全廠做一個(gè)熱集成，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，再如設(shè)計(jì)回收吸收塔最好能增加氨的回收率，減少氨成本的損失等。4設(shè)計(jì)詳細(xì)工作及其安排2010年11月-2011年1月：查閱文獻(xiàn)，撰寫文獻(xiàn)綜述;2011年2月-2011年3月：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，撰寫可行性(開題)報(bào)告；開題報(bào)告答辯；2011年3月-2011年5月：工藝流程設(shè)計(jì)探索，完成英文翻譯；2011年5月-2011年6月：補(bǔ)充