一种基于二氧化碳捕集吸收塔装置的系统优化设计

王伟健

（中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257000）

全球气候变暖问题非常严峻，已经成为威胁人类可持续发展的主要因素之一，控制温室气体排放以缓解气候变化成为目前国际社会关注的热点。2020年9月22日，第七十五届联合国大会一般性辩论上指出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和”。在众多温室气体减排技术方案中，二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）是一项可实现化石能源大规模低碳利用的技术，被称为实现碳中和的“兜底技术”。

电厂锅炉、钢铁厂、水泥厂、炼厂等均可产生低分压、低浓度CO2烟气；在中国，燃煤锅炉是CO2的主要排放源，同时，具有集中及固定的特点，是碳捕集的主要对象。目前，国内最大的碳捕集项目国华锦界电厂15万吨/年碳捕集项目已经投运成功，国电泰州电厂50万吨/年碳捕集项目已经启动建设，甘肃陇东能源公司150万吨/年二氧化碳捕集利用与封存研究及示范项目也在策划实施中。

对于我国，发电厂丰富的CO2资源对开展CCUS全产业链建设具有独特优势，加快建设百万吨级CCUS项目，打造系统CCUS大规模样板工程，对提高中国CCUS技术能力和“双碳”目标实现具有重要意义。

1 二氧化碳捕集吸收多功能塔

针对百万吨级低分压CO2捕集工程，水洗塔、吸收塔等大型塔器的设计和制造是一项难度大并且具有挑战性的工作。目前，国外仅有两个百万吨级低分压CO2捕集工程应用案例，其反应塔器都是分体设计和建造的，塔器系统庞大、烟道安装空间大，国内尚未有百万吨级低分压CO2捕集工程的应用案例。美国140万吨/年的新佩特拉碳捕集项目和加拿大100万吨/年的边界坝碳捕集项目则借鉴了脱硫塔和冷却塔的设计制造经验，将吸收塔设计为方塔形式。方塔较之圆塔主要优势在于，方便采用钢筋混凝土结构，填料加工难度小，造价相对经济，塔内件分块类型较少，同类型之间可替换，设计、制造及安装方便。

二氧化碳捕集吸收多功能塔是在二氧化碳捕集工程分塔模式基础上进行了优化设计，主要用于二氧化碳捕集系统，吸收CO2在二氧化碳捕集系统中是一个重要环节，包含水洗段、吸收段、冷洗段、热洗段。

以小试试验装置（5800mm×2400mm）为例，具体工艺流程为：来自界外的烟气由水洗段下部烟气进口a进入塔内，与水洗段的喷淋碱洗水接触；同时，温度降至45℃，然后，经百叶窗进入多功能塔吸收段，与从塔顶喷淋而下的贫液进行传质传热，脱除烟气中的CO2，然后依次进入冷洗段、热洗段洗涤后返回界外（图1）。

图1 二氧化碳捕集吸收多功能塔结构示意图

2 系统结构

2.1 水洗段

水洗段设置有水洗床、干床、捕雾床、碱洗水进口与碱洗水出口；水洗段作用为去除烟气中的SO2及部分NOX，为了保证脱硫效果，吸收多功能塔碱洗水呈碱性，可在洗涤水管线中加入少量氢氧化钠。水洗床作用为相当于气液分布器，是液体与烟气接触更加充分。

2.2 吸收段

吸收段设置有吸收床、干床、贫液进口与富液出口；吸收段作用为吸收烟气中的CO2,烟气从烟道进入多功能塔吸收段，与从塔顶喷淋而下的贫液进行传质传热，脱除烟气中的CO2，贫液为复合胺溶液，富液为吸收CO2后的复合胺溶液。

2.3 冷洗段

冷洗段设置有冷洗床、捕雾床、冷洗水进口与冷洗水出口；冷洗段作用为洗掉烟气中的胺溶液，有效控制了胺逃逸，减少了药剂损耗。

2.4 热洗段

热洗段设置有导流床、热洗床热洗水进口、热洗水出口与烟气出口；热洗段作用为脱除CO2的烟气经过热洗，可以带走系统内部水分，使系统内水分降低，有效减少药剂损耗。

3 设备特点

二氧化碳捕集吸收多功能塔器集原料气深度净化、CO2吸收反应、吸收溶剂逃逸控制、系统水平衡控制等功能于一体的新型二氧化碳捕集吸收多功能塔。相比传统分塔模式，新型多功能塔简化了工艺流程，降低了占地面积；并设置通过高温碱性热水洗涤，控制排烟温度和系统的水平衡的同时回收部分吸收剂，减少了吸收剂损耗。

4 结语

新型多功能塔虽然相比传统分塔模式，简化了工艺流程，降低了占地面积。但由于是首次采用此结构，且为特大型塔器，在进行工程应用前，需针对一些关键问题开展研究，以指导工程设计：一是多功能吸收塔存在诸多拐角，设置较多折流板可能会增加局部阻力，需优化塔内内部结构及通道，选取最佳填料布置位置和高度，降低烟气的全程流阻并确定流阻大小，便于风机选型；二是由于多功能吸收塔流动通道复杂，进料点较多，塔径较大，需开展气液分布器优化设计，实现气液均布从而有效传热传质，保证塔效；三是内构件支撑件跨度较大，需要进行结构设计及强度核算，确保长期稳定支撑。