火电厂CO2捕集与纯化工艺的工程—经济模型

赵东亚，张 建，李清方，刘海丽，李兆敏，朱全民，4

（1.中国石油大学（华东）化工学院，山东青岛 266580；2.胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营 257026；3.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；4.西英格兰大学，英国布里斯托，BS16 1QY）

0 引言

众所周知，CO2是导致全球变暖、极端气候灾害频发的主要原因之一，火电厂是CO2释放的主要来源之一，据统计中国有近75%的电力供应来自火电厂，其排放的CO2约占全国排放量的三分之一。火电企业CO2排放相对集中，是理想的CO2供应源，将捕集、纯化后的CO2输送到油田进行驱油并封存在废弃油层中，即所谓的EOR技术，是理想的选择之一。本文在介绍了CO2捕集、纯化工艺流程的基础上建立了其工程—经济模型，可作为相关工程投资回报预算的重要手段。

1 CO2捕集、纯化工艺

CO2捕集与纯化工艺主要采用化学吸收法，溶剂为一乙醇胺 （MEA）。基于MEA的技术能够将CO2含量提纯到99%。国际上主要有Fluor Daniel公司的Econamine FG和ABB Lummus Crest公司的MEA两种CO2捕集技术[1-4]，由于Econamine FG的数据更容易获取，因此本文主要针对该技术开展工程—经济建模研究。

CO2捕集、纯化工艺流程见图1。该工艺流程主要包括两个过程，即CO2溶解和CO2释放。在吸收塔中，CO2与MEA发生化学反应，产生弱键连接的产物R-NH-COO-；在再生塔中发生吸热化学反应生成CO2和MEA。主要化学反应方程式如下[5-6]：

图1 火电厂烟气CO2捕集、纯化工艺流程

由于在吸收过程中产生了比较稳定的R-NHCOO-化学键，因此需要大量的热才能打开这个化学键，产生CO2和MEA。因CO2夹带和MEA蒸发等原因会损失一些MEA；此外烟气虽然经过水洗、脱硫等处理，但是其中仍然含有少量氧化物、硫化物和氮化物，它们会与MEA发生反应，产生热稳定的盐，也会损失一些MEA，因此在正常生产过程中，需要不断地补充新鲜的MEA。总体来说，除设备投资和人员工资外，生产所消耗的热量和MEA的损失也是生产成本的重要组成部分。

2 工程模型

由于我国火电厂CO2捕集、纯化技术尚处于起步阶段，缺乏相关数据用以建模与分析。使用诸如ASPEN-Plus等过程模拟软件对之进行模拟，针对模拟数据，运用回归分析方法，可建立工程模型。文献 [1-2]使用ProTreat软件对CO2捕集、纯化过程进行了模拟，经过对模拟数据回归分析，建立如下工艺性能模型：

式中L——吸收剂流量/（kmol/h）；

G——入口烟气流量/（kmol/h）；

Q——MEA再生需要的热量/（GJ/h）；

yCO2——烟气中CO2摩尔分数；

φlean——贫CO2溶剂负载/（molCO2/molMEA）；

C——MEA在溶剂中的质量分数；

Tfg，in——吸收塔入口烟气温度/℃；

Tfg，out——吸收塔出口烟气温度/℃；

PCO2——CO2产品期望压力 （表压）/kPa；

mwlean——贫CO2溶剂平均分子质量/（kg/kmol） ;

ecomp——单位CO2压缩需要的功/（kW·h/t）。

CO2捕集总量为：

式中nCO2——烟气中CO2摩尔流量/（kmol/h）；

wCO2——CO2摩尔质量/（0.044 t/kmol）。

假设火电厂烟气脱去绝大部分SOx和NOx后进入CO2吸收塔，新加入的MEA和CO2捕集总量成比例关系，设比例系数为K1，则MEA补充流量为：

式中 mMEA——MEA补充流量/（kmol/h）。

水的消耗量为：

式中mwater——用水总量/（t/h）；

mpw——过程用水总量/（t/h）；

mcw——冷却用水总量/（t/h）。

蒸汽消耗量为：

式中msteam——蒸汽消耗量/（kg/h）；

qsteam——蒸汽热焓/（kJ/kg）。

3 经济模型

经济模型主要包括设备投资模型和操作维护成本模型，它们与工程模型直接相关。设备投资模型可使用0.6次幂方法和工程模型输出数据建立，0.6次幂方法是化工过程中常用的工程成本建模方法[7]。

3.1 设备投资成本模型

文献 [8]使用0.6次幂方法建立如下设备投资成本模型：

式中C1——冷却器投资成本/万元；

C10——参考冷却器成本/万元；

Vfg——烟气实际流量/（m3/h）；

Tfg——烟气入口温度/℃；

Vfg0——参考冷却器烟气流量/（m3/h）；

Tfg0——参考冷却器烟气入口温度/℃。

式中C2——烟气鼓风机投资成本/万元；

C20——参考烟气鼓风机成本/万元。

式中C3——吸收塔投资成本/万元；

C30——参考吸收塔成本/万元。

式中C4——换热器投资成本/万元；

C40——参考换热器成本/万元；

Vsol——溶剂实际流量/（m3/h）；

Vsol0——参考换热器溶剂流量/（m3/h）。

式中 C5——再生塔投资成本/万元；

C50——参考再生塔成本/万元；

Vsol——溶剂实际流量/（m3/h）；

Vsol0——参考再生塔溶剂流量/（m3/h）。

式中C6——再沸器投资成本/万元；

C60——参考再沸器成本/万元；

mste——蒸汽实际流量/（kg/h）；

mste0——蒸汽参考流量/（kg/h）。

式中C7——MEA回收器投资成本/万元；

C70——参考MEA回收器成本/万元；

mmak——MEA补充实际流量/（kg/h）；

mmak0——参考MEA补充流量/（kg/h）。

式中C8——CO2干燥、压缩设备投资成本/万元；

C80——CO2干燥、压缩设备参考投资成本/万元；

mCO2——CO2实际流量/（kg/h）；

mCO20——参考CO2流量/（kg/h）。

于是设备投资总成本模型为：

式中Cequi_tol——设备投资总成本/万元。

3.2 操作维护成本模型

固定操作维护成本为：

式中Cf——固定操作维护成本/万元；

Cope——操作人员人力成本/万元；

Cmaint——维修人员人力成本/万元；

Cadmin——管理人员人力成本/万元。

其他操作维护成本为：

式中Cv——其他操作维护成本/万元；

CMEA——MEA费用/万元；

Cwater——水的费用/万元；

Ctransport——CO2运输费用/万元。

4 结束语

本文针对CO2捕集、纯化工艺，根据国内外相关文献，建立了其工程—经济模型，能够为大型火电厂、油田等企业投资CO2捕集、纯化技术提供一定的参考依据。本文所得结果也可作为CO2定价的参考。我国目前正在加大对CO2捕集、运输及封存的研究与投资。随着我国大规模碳捕获、利用与封存 （CCUS）生产流程的建立，可利用越来越丰富的实际数据资源，建立更加符合我国国情的CO2捕集、纯化工艺的工程—经济模型。

[1]Rao A B， Rubin， E S.A technical， economic， and environment assessment of amine-based CO2capture technology for power plant greenhouse gas control[J].Environmental Science&Technology，2002， 36（20）:4 467-4 475.

[2]Rbuin E S，Chen C，Rao A B.Cost and performance of fossil fuel power plants with CO2capture and storage[J].Energy policy， 2007，35（9）:4 444-4 454.

[3]Klemes J， Bulatov I， Cockerill T.Techno-economic modeling and cost functions of CO2capture process[J].Computers and Chemical Engineering， 2007， 31（5-6）:445-455.

[4]Davvison J.Performance and costs of power plants with capture and storage of CO2[J].Energy， 2007， 32（7）:1 163-1 176.

[5]Maneeintr K，Idem R O，Tontiwachwuthikul P，et al.Comparative mass transfer performance studies of CO2absorption into aqueous solutions of DEAB and MEA [J].Industrial and Engineering Chemistry Research， 2010， 18（9）:875-880.

[6]Penttila A， Dell’Era C， Uusi-Kyyny P， et al.The Henry’s law constant of N2O and CO2in aqueous binary and ternary amine solutions（MEA，DEA，DIPA，MDEA，and AMP）[J].Fluid Phase Equilibria， 2011， 311（1）:59-66.

[7]Wittholz MK，O’Neill B K，Colby C B，et al.Estimating the cost of desalination plants using a cost database[J].Desalination，2008，229（1-3）:10-20.

[8]Rubin E S，Rao A B，Chen C.Understanding the cost of CO2capture and storage for fossil fuel power plants[A].Proceeding of 28th International Technical Conference on Coal Utilization&Fuel Systems[C].Clearwater， FL：ITCCUFS， 2003.