燃煤电厂尾气中CO2捕集技术研究

蒲 鹤梁光川何慧娟陈晓春

1.西南石油大学石油工程学院，四川 成都 6 1 0 5 0 0；

2.青岛泰能天然气有限公司，山东 青岛 2 6 6 0 0 0

0 前言

目前，我国大多数发电厂为燃煤电厂，电厂中含有大量CO2的尾气，进入大气严重影响了世界环境、人类健康。控制温室气体排放是我国积极应对全球气候变化、治理雾霾的重要任务，如何降低CO2排放并将其有效利用成为当前环境和能源领域的主要研究方向[1]。

燃烧后脱碳是目前常用的脱碳技术，按捕集原理划分，捕集方法可分为：物理吸收法、化学吸收法、物理-化学吸收法、膜吸收法及生物技术法。本文主要讨论物理类的MDEA法和化学类的NHD法[2]。

1 CO2捕集工艺

待处理烟囱尾气的主要成分见表1。

表1 电厂排放烟道气的主要成分

1.1 MDEA法

MDEA溶液为甲基二乙醇胺，属于乙醇胺类溶液。在处理CO2分压较低的气体时，MDEA溶液针对性强，处理量大，吸收过程发热量低，发泡倾向和腐蚀性均低于MEA，化学性质稳定不易变质[3]。工业上，MDEA溶液的质量浓度为50%。工艺原理流程见图1。

图1 MEDA法吸收CO2流程图

烟气进入吸收塔向上流动，在塔板上与自上而下的MDEA溶液（贫液）逆流接触，剩余的尾气中CO2含量降低至3%以下。富液出吸收塔后经过节流换热进入再生塔，加热后析出CO2变为贫液，补充的吸收剂跟贫液一起经溶液泵增压进入回收系统循环使用[4]。

在Aspen Plus中对MDEA法分离CO2流程进行模拟，模拟过程利用Radfrac模块，物性计算采用ELECNRTL方法，并假设：忽略反应动力学的影响；吸附和再生过程中压力保持不变；各部分气液混合均匀；气液平衡状态中，CO2、H2、CO、CH4、N2等气体均符合亨利定律。

MDEA法的主要参数设置：吸收塔压力为3 MPa，再生塔压力为0.1 MPa，闪蒸塔温度为28℃，吸收剂进口温度38℃，烟气进口温度40℃，溶液泵效率为0.78[5]。 通过模拟得到吸收塔出口烟气成分见表2。

表2 吸收塔出口烟气的主要成分

将原始烟道尾气与吸收塔出口烟气进行成分对比，得到MDEA法对CO2的吸收率达到91%，可以有效脱除烟道气中的CO2。

1.2 NHD法

NHD法类似于Selexol技术，以聚乙二醇二甲醚为主要的吸收溶剂。NHD溶液主要吸收COS、H2S、CO2等气体。NHD法具有较好的选择性，以CO2在NHD溶液中的溶解度为1表示，各种气体组分在NHD溶液中的相对溶解度见表3。NHD法分离CO2的工艺流程见图2。

表3 溶液中的相对溶解度

图2 NHD法分离CO2流程

烟气换热后进入吸收塔，与自上而下的NHD溶液充分接触，绝大部分的CO2被溶液吸收，净化的烟气从塔顶排出。富液进入缓冲罐后部分气体汽化，经压缩机压缩重新进入吸收塔，剩余的富液经过水力透平后逐级进入闪蒸罐，分离出CO2成为贫液。CO2经压缩机压缩得到高纯度CO2产品，贫液经过循环泵增压冷却回到吸收塔循环利用。

NHD法的主要参数设置：CO2压缩机效率为0.84，水力透平效率为0.76，回流气压缩机效率为0.8，吸收剂压缩泵效率为0.79，冷凝介质蒸发温度为10F。

利用Aspen Plus对吸收过程进行模拟，利用PC-SAFT状态方程进行计算。处理的烟道气成分与表1所示的相同。通过模拟得到吸收塔出口烟气成分，见表4。

表4 吸收塔出口烟气的主要成分

将原始烟道尾气与吸收塔出口烟气进行成分对比，得到NHD法对CO2的吸收率达到93.4%，可以有效脱除烟道气中的CO2。

2 工艺比较

2.1 耗能比较

在相同的基础条件下对两种吸收方法进行能耗比较，基准气参数见表5（进口CO2的压力为1 MPa）。

表5 基准气体主要成分

假设进口气体均为表5所示的基准气体，MDEA法及NHD法吸收CO2过程的吸收率均为90%。脱除CO2的比较结果见表6，MDEA法吸收剂的流量约为NHD法的1/2，而过程的能耗约为MDEA法过程的329%[6]。

表6 MDEA及NHD法脱碳过程比较

2.2 CO2吸收率影响

本小节分析CO2吸收率与吸收剂流量的关系，见图3。吸收剂的相对流量均为对应吸收率下的吸收剂流量与最高吸收率对应数值的比值[7]。由图3可以看出，对于MDEA法，提高CO2吸收率，吸收剂的流量接近于线性变化，而对于NHD法，吸收率低于95%时，NHD法与MDEA法的变化规律相似，超过95%变化剧烈。CO2吸收率的降低对NHD法的吸收剂流量的影响更为明显。

图3 吸收剂的相对流量变化

3 结论

在相同的处理情况下，NHD法吸收CO2的能耗较MDEA法低得多，但NHD法吸收剂的流量约为MDEA法的2倍，且NHD法吸收的CO2量略小于MDEA法；提高CO2吸收率，两种方法的吸收剂流量都需提高。考虑到MDEA溶液吸收法脱碳工艺技术成熟，能耗适中，天然气发电装置余热可供应MDEA溶液吸收法所需的大量热量，所以，在处理燃煤电厂烟道尾气时，MDEA法优于NHD法。

[1]王开岳.天然气脱硫脱碳工艺发展进程的回顾[J].天然气与石油，2011，29（1）:15-21.Wang Kaiyue.Review on Development Process Of Gas Desulfurization And Decarburization Technique[J].Natural Gas and Oil,2011，29（1）：15-21.

[2]王 澎，毛 翔.天然气净化装置及主要设备[J].天然气与石油，2006，24（2）：55-58.Wang Peng,Mao Xiang.The Major Equipment of Natural Gas Purification[J].Natural Gas and Oil,2006，24（2）：55-58.

[3]黄 斌，刘练波，许世森.二氧化碳的捕获和封存技术进展[J].中国电力，2007，40（3）：14-17.Huang Bin,Liu Lianbo,Xu Shisen.Evolution of CO2Capture and Sequestration Technology[J].Electric Power,2007，40（3）：14-17.

[4]郑 志，韩永嘉，王树立.高含CO2气田水合物法脱碳工艺[J].油气田地面工程，2010，29（1）：68-69.Zheng Zhi,Han Yongjia,Wang Shuli.Hydrate Decarburization of High CO2Gas Fields[J].Oil-Gas Field Surface Engineering,2010， 29（1）：68-69.

[5]李亚萍，赵玉君，呼延念超，等.MDEA/DEA脱硫脱碳混合溶液在长庆气区的应用 [J]. 天然气工业，2009， 29（10）：107—110.Li Yaping,Zhao Yujun,Huyan Nianchao et al.The Application of MDEA/DEA Desulfurization and Decarbonization Mixed Solution in Changqing Gas Zone[J].Natural Gas Industry,2009，29（10）：107—110.

[6]Hendriks C A.Carbon Dioxide Removal from Coal-Fired Power Plants[M].Dordrecht：Kluwer Academic Publishers,1994.1-233.

[7]Brunette A,Scura F,Barnieri G,et al.Membrane Technologies for CO2Separation[J].Journal of Membrane Science,2010,359（1-2）:115-125.