CO2吸收净化系统的设计及三维模拟

CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟1密 级学 号 070384毕 业 设 计 CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟院 （ 系 、 部 ） ： 机械工程学院姓 名：年 级： 环 071 班专 业： 环境工程指 导 教 师 ： 朱玲教 师 职 称 ： 副教授2011 年 6 月 10 日北京CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟2北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部）机械工程学院 专业 环境工程 班级 环 07-1 学生姓名 指导教师/职称 朱玲/ 副教授 1.毕业设计（论文）题目CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟2.任务起止日期： 2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 10 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果）课题简介：电厂燃煤烟气所排放的 CO2 会造成温室效应和全球气候 变化，引发严重的环境问题。化学吸收法处理烟气中的 CO2 是一种简单、高效的净化技术，已经逐步得到推广应用。本课题的内容包括：对 CO2 化学吸收工艺中主要设备 吸收塔，热交换器、气提塔进行设计计算，对其泵和 风机等辅助系统进行计算选型。同时使用 UG 软件对所设计的系统进行三维模拟。通过该设计可提高学生综合运用所学知识的能力，培养学生的独立思考和解决问题的能力，提高学生的 综合能力、科研水平和 创 新意识。原始数据：（1）处理量：150m 3/d（2）CO2浓度：9%（3）净化效率：95%以上。应提交的成果：1. 检索资料：中文文献不少于 12 篇，英文文献不少于 4 篇；2. 开题报告或文献综述；3. 英文文献原件及其翻译后的文件； CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟34. 有关设计的至少 3 张 A0 图纸或者相当于 3 张 A0 图纸的图量；5. 毕业设计论文。4.主要参考文献（1）有关 CO2 脱除方面的书籍； （2）有关吸收塔、气提塔设计方面的书籍； （3）有关热交换器设计方面的书籍； （4）有关机械设计和绘图方面的书籍。（5）有关 UG、CAD 绘图方面的书籍； 5.进度计划及指导安排第 1 周 校内外文献查阅，撰写文献综述；第 2-3 周 翻译与本题目有关英文资料，撰写开题报告；第 4 周 进行化学吸收工艺的总体设计；第 5 周 CO2 吸收系统的物料平衡计算、吸收塔基本设计参数计算；第 6 周 热交换系统的计算；第 7 周 CO2 分离系统的物料平衡计算、 气提塔基本设计参数计算；第 8 周 管道、泵和风机等辅助系统设备的选型与计算；仪器、仪表的选用；第 9 周 管路的设计；第 10-11 周 系统的三维模拟设计；第 12 周 按照标准绘 CAD 图；第 13 周 手工绘制图纸；第 14 周 撰写论文； 检查全部图纸；第 15 周 整理资料，根据指导教师意见修改论文；根据评阅教师意见，进一步修改论文，制作幻灯片，准备答辩；第 16 周 答辩。任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟4CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟I摘 要电厂燃煤烟气所排放的CO 2会造成温室效应和全球气候变化，引发严重的环境问题。因此控制CO 2的排放已成为应对气候变暖的最重要的技术路线之一。可以采取多种控制技术控制锅炉烟气中CO 2的排放，本文着重介绍了应用广泛的化学吸收工艺技术。本论文主要对CO 2化学吸收法的基本原理、反应机理、工艺流程、应用设备、存在的问题及解决措施作简要的介绍；对CO 2处理系统工艺进行了设计；对化学吸收主体设备进行计算设计，主要包括填料、筒体、塔内件（液体分布装置、填料支承装置、除沫器）；对辅助设备进行计算选型；通过UG（Unigraphics NX）对实验系统进行三维模拟。关键词：二氧化碳吸收，填料塔，设计，Unigraphics NXCO2 吸收净化系统的设计及三维模拟IIAbstractCarbon dioxide emission from coal-fired power plant flue would cause the greenhouse effect and global climate change and serious environmental problems. Therefore control the emissions of carbon dioxide has become the most important technical routes of response to climate warming. There are many technologies to control emissions of carbon dioxide. This text emphasizes to introduce the chemical absorption process technology of carbon dioxide which is applied extensively. The article introduces the basic principles of the chemical absorption process technology of carbon dioxide, reaction mechanism, process, application and the problems presented and solutions to them. The treatment system of carbon dioxide is designed. A detailed count and design to the chemical absorption of the carbon dioxide is made, mainly including packing, internals (liquid distribution device, packing supporting device, mist eliminator). The selection of auxiliary equipment is made by detailed calculated. Three-dimensional simulation of the experimental system is finished by UG (Unigraphics NX).Key words：Carbon dioxide absorption; Packed tower; Design; Unigraphics NXCO2 吸收净化系统的设计及三维模拟III目 录第一章 前 言 11.1 引言 .11.2 研究意义 .31.3 二氧化碳主要来源 .31.4 二氧化碳的应用 .41.5 二氧化碳的吸收方法 .51.6 化学吸收法在电厂中的运用 .14第二章 吸收塔的设计计算 172.1 确定塔设备的选型 .172.2 吸收剂的确定 .182.3 填料 .222.4 塔径的计算 .242.5 填料层高度的计算 .262.6 吸收塔附件的设计与选用 .262.7 塔高 .292.8 塔体材料 .30第三章 解吸塔的设计计算 313.1 平衡线 .313.2 解吸所需蒸汽量 .313.3 填料的选择 .333.4 塔径的计算 .333.5 填料层高度的计算 .343.6 解吸塔附件的设计与选用 .353.7 加热系统 .363.8 塔高 .41CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟IV3.9 塔体材料 .42第四章 辅助设备的设计选型 434.1 风机的选型 .434.2 泵的选择 .444.3 仪器仪表的选择 .45第五章 实验装置 的三维模拟造型 50第六章 结论 55参 考 文 献 56致 谢 58声 明 59CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟1第一章 前 言1.1 引言全球变暖是当今人类面临的严峻挑战，是国际社会公认的全球性环境问题。全球变暖的主要原因是大气中温室气体的急剧、持续增加。大量的观测和研究表明 1，大气中的 CO2 浓度已显著增加，目前已经远远超出工业化前几千年来的浓度值，其中 CO2 浓度从工业化前约 280mL/m3 增加到 2005 年的379mL/m3。由于 CO2 排放量很大且降解时间长，对全球温室气体的贡献最大。CO2 气体在大气中含量的急剧增加，正是工业时代以来全球变暖的主因。联合国政府间气候变化委员会曾经发布报告指出，如果全球气温上升幅度超过1.5C，则全球 20%30% 的动植物种将面临灭绝。如果气温上升 3.5C 以上，则有 40%70%的物种将面临灭绝。因此，防止全球气候变暖，刻不容缓，特别是要减少 CO2 气体的排放量。这些温室气体就像一张张开的塑料大棚罩在了大地上，阳光可以通过它们进入大地，但大地的热量却被它们隔绝，散发不到大气之中，因此造成气候变暖，而且这种温室气体越多，地球气候变暖就会更加加剧 2。IPCC 第三次评估报告指出，大气中 CO2 的浓度稳定在不同水平所造成的影响是不同的，见表 1-1。表 1-1 大气中不同 CO2 浓度所造成的影响 3减排情景CO2 浓度/（L/L）CO2 当前浓度/（L/L）CO2 浓度成峰年2050 年全球CO2 排放变化（相当于 2000年），%全球平均温度较工业革命前的增加量/C只考虑热膨胀条件下全球平均海平面较工业革命前的上升量/m1 350400 445490 20002015 -85-50 2.02.4 0.41.42 400440 490535 20002020 -60-30 2.42.8 0.51.73 440485 535590 20102030 -30+5 2.83.2 0.61.94 485570 590710 20202060 +10+60 3.24.0 0.62.45 570660 710855 20502080 +25+85 4.04.9 0.82.96 660790 8551130 20602090 +90+140 4.96.1 1.03.72005 年大气中温室气体浓度为 370L/L 左右，若要求 2050 年温度上升不超过 2C（与 2000 年相比），温室气体浓度必须控制在 450550L/L ，今后1020 年达到峰值，然后以每年 1%3%的速率下降。到 2050 年，全球温室气体排放比 2000 年大约降低 25%，发达国家在 2050 年前绝对排放量减少CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟260% 80%（与 2000 年相比），发展中国家在 2050 年的排放量与 1990 年相比，增长幅度不应超过 25%。按现在的一些发展趋势，温室气体不断排放将带来一些不可避免的危害 4：1. 导致冰川融化，使海平面上升从 1978 年开始，美国科学家就开始利用卫星技术记录北极海冰覆盖的面积，科学家最先发现的是面积的变化。通过对比这些记录，科学家注意到，从1979 年到 2006 年间，一年的每个月份海冰覆盖的面积都呈下降趋势，其中最明显的是在 9 月份，平均每年减少约 10 万 m2。海冰的面积在 2007 年达到了最低点。除此之外，内陆一些长年积雪的山脉，也因温室效应，降雪量减少等原因，雪线面积不断的上升，有些长年积雪的冰川，也开始消融，河流因此而来水减少或枯竭，给下游人口的生产、生活和社会经济发展带来困难。2. 极端天气现象增多“全球变暖”会影响大气环流，继而改变全球的降水量分布。有些地区的降水量会增大，导致洪涝和风暴潮灾害增多。2008 年，南方持续了近一个月的冰雪灾害，使当地人民群众的生产、生活、社会经济发展受到严重影响，造成了巨大的经济损失。2009 年的 11 月份北方和南方的部分地区再次遭受到极端天气的影响，造成交通、生产、生活上的不便。3. 对全球农业的影响日益严重：由于“全球变暖 ”影响到了大气环流，使全球的水循环发生了变化，在有些地区的表现是降水量明显多于往年，甚至发生洪涝灾害，农作物受灾，发生地质灾害等；而在有些地区则表现为高温和干旱。高温蒸干了地表水，部分河流、湖泊干涸，就连人、畜的饮用水都得不到保证。在有些地区，冬季的气温较高形成“暖冬”，有些害虫在冬季得以 “安全过冬”，而在来年的农业生产中，害虫将大量繁殖，与人类争抢粮食等作物。近年来，中国也已经从科学和社会发展等多方面认识到了气候变化的巨大影响，并且开始进行着积极的应对。在 2009 年 12 月 7 日18 日召开的哥本哈根世界气候大会上，中国政府公布了中国控制温室气体排放具体行动目标。这些目标是在 11 月 25 日举行的国务院常务会议上通过的。会议决定， “到 2020 年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降 40%45%，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法。会议还决定，通过大力发展可再生能源、积极推进核电建设等行动，到2020 年我国非化石能源占一次能源消费的比重达到 15%左右；通过植树造林和CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟3加强森林管理，森林面积比 2005 年增加 4000 万公顷，森林蓄积量比 2005 年增加 13 亿立方米。这是我国根据国情采取的自主行动，是我国为全球应对气候变化做出的巨大努力” 。 目前，我国 CO2 排放总量占世界总排放量 13%，减排压力较大，为积极应对温室气体的形势，人类必须采取行动，减少温室气体排放。1.2 研究意义温室气体尤其是 CO2 的排放逐年上升，成为全球气候变化的罪魁祸首。如果不采取有效措施控制温室气体排放，那么人类的发展将因此而受到极大影响。我国 CO2 的排放量仅次于美国，居全球第二。导致这种状况的主要原因是我国能源资源的不均衡及消费结构的不合理，煤炭资源约占我国资源总量的 75%左右，煤炭消费占能源消费总量的 65%以上，而且以煤炭为主的能源消费结构短期内很难改变，加上我国的人口总数仍将继续增长，因此能源消费和温室气体排放的增长不可避免，能源供应和能源环境问题仍将是制约我国经济发展的突出问题之一。 由于人口、资源和环境的限制，我国的经济发展必须走低资源消耗、低能耗、低碳经济的发展道路，把节能减排与可再生能源的发展结合起来，大力发展高效、节能、清洁技术，依靠科技创新走低碳经济之路，大幅降低温室气体的排放，为我国经济的协调可持续发展提供保障 5。作为发展中国家，我国在温室气体减排上付出了实际行动，成立了应对控制温室气体排放的相关机构，制定了节能减排、应对气候变化的一系列政策。我们相信，只要全人类共同努力，减少温室气体排放，缓解全球气候变化的目标是可以实现的。1.3 二氧化碳主要来源CO2 被许多人认为是温室效应的元凶，是一种有害的废气，人为二氧化碳排放的主要来源是能源生产和交通运输中的化石燃料燃烧。土地用途的改变和森林采伐也释放更多 CO2 到环境。1. 发电：多数电厂使用的能源为化石燃料，使用化石燃料发电所排放的CO2，约占全球排放量的 36%。2. 运输：运输工具使用化石燃料所排放的 CO2 约占全球排放量的 24%，以汽车为主要来源。CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟43. 工业：若不包括电力的使用，工业在全球 CO2 排放量中约占 18%。未来，随着开发中国家的经济成长，CO 2 的排放量会大幅提升。4. 建筑物：建筑物使用电力和燃料来产生冷暖气、照明和动力，其中住宅CO2 排放量约占全球的 8%。5. 森林：根据联合国粮农组织报告显示，在 1980 年代砍伐掉的森林，所减少对大气中 CO2 的吸存能力，约占人为碳排放总量的四分之一。6. 呼吸作用：动植物的呼吸作用都会产生 CO2。其中，在所有排放 CO2 的行业中，电力工业是排放量最多的行业之一。减少电力工业 CO2 排放对控制总排放量的减少具有特殊的重要意义。1.4 二氧化碳的应用CO2 是很好的资源，是植物进行光和作用的必须原料，在工业、农业、化工等领域有很广泛的应用 6。1. 为农业提供服务作为一种廉价的原料CO 2在农业上可用于蔬菜、瓜果的保鲜贮藏，在现代化仓库里常充入CO 2，用CO 2贮藏的食品由于缺氧和CO 2本身的抑制作用， 可有效地防止食品中细菌、霉菌、虫子生长，避免变质和有害健康的过氧化物产生，并能保鲜和维持食品原有的风味和营养成分，CO 2不会造成谷物中药物残留和大气污染。用CO 2通入大米仓库24h，能使99% 的虫子死亡，延长了粮食和蔬菜的保存期。把CO 2引入蔬菜温室直接施用CO 2作肥料，利用植物根部吸收CO2，可以增进植物的光合作用，能增加蔬菜的生长速度，缩短其生长周期，促进农作物生长，增加产量，提高温室的经济效益。固态的CO 2即“干冰”，主要用作致冷剂，用飞机在高空喷撒“干冰” ，可以使空气中水蒸气冷凝，形成人工降雨，能解决久旱无雨，庄稼失收的问题。2. 为工业服务在轻工业上，生产碳酸饮料、啤酒、汽水等都需要CO 2。除此还可以用于有机合成各种化工原料，除了成熟的化工利用以外也可以生产甲醛、加氢合成二甲醚、或者利用环氧丙烷、CO 2和甲醇催化合成碳酸二甲酯等，现在又研究成功了许多新的工艺方法，例如合成甲酸及其衍生物，合成天然气、乙烯、丙烯等低级烃类， 合成甲醇、壬醇、草酸及其衍生物、丙酯及芳烃的烷基化，合成高分子单体及进行二元或三元共聚，制成了一系列高分子材料等，另外，利用CO 2代替传统的农药作杀虫剂，也在研究之中。在工业上CO 2是很好的致冷剂。它不仅冷却速度快，操作性能好，不浸湿CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟5产品， 不会造成二次污染，而且投资少，人力省。利用CO 2保护电弧焊接，既可避免金属表面氧化，又提高焊接速度。3. 其他用途（1）用于医疗：人体呼吸的有效刺激因素，它通过对人体外化学感受器的刺激，兴奋呼吸中抠。如果一个人长时间吸入纯氧，体内CO 2浓度过低，可导致呼吸停止。因此，临床上把5% CO2与95%氧气的混合气体应用于一氧化碳中毒、溺水、休克、碱中毒的治疗和麻醉上的应用。（2）用于实验室：在实验室里，“干冰” 与乙醚等易挥发液体混合，可以提供-77C左右的低温浴；同时国外普遍利用CO 2进行食品、饮料、油料、香料、药物等加工萃取。（3）用于地下开采：CO 2 作为油田注入剂，可有效地驱油和提高石油的采油率；也可用于注入地下难于开采的煤层，使煤层气化，获得化工所需的合成气体等。因此如何吸收净化 CO2 以及对其进行综合利用是现如今广大环境科技工作者面临的重要课题。1.5 二氧化碳的吸收方法CO2 的处理技术一般分可为从大气中分离固定和从燃放气中分离回收两大类。现阶段，从大气中分离固定 CO2 技术主要有生物法，而从燃放气中分离回收 CO2 技术主要有物理法、化学法和物理-化学法等。1.5.1 物理法物理法包括物理溶剂吸收法、膜分离法、低温蒸馏法和吸附法。1.5.2 物理吸收法采用水、甲醇、碳酸丙烯酸脂等作为吸收剂，利用 CO2 在这些溶剂中的溶解度随压力而变化的原理来吸收的方法 7。1. 水洗法应用最早，具有流程简单、运行可靠、溶剂水廉价易得等优点，但其设备庞大、电耗高、产品纯度低并造成污染等特点，一般不采用。2. 低温甲醇法应用较早，具有流程简单、运行可靠外，能耗比水洗法低，产品纯度较高，但是为获得吸收操作所需低温需设置制冷系统，设备材料需用低温钢材，因此装置投资较高。3. 碳酸丙烯酯法（简称 PC 法）是近年来中小型氨厂常用脱碳和回收 CO2CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟6的方法。它具有溶液无毒、浓溶液对碳钢腐蚀性小，能耗比甲醇法低等优点，缺点是 PC 溶剂循环量大，造成溶剂损耗大，操作费用较高。典型的物理吸收法有环丁砜法、N-甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法（Selexol 法） 、低温甲醇法（Rectisol 法） 、碳酸丙烯酯法（ Flour 法）等。其关键在于吸收剂的选择，要求吸收剂必须对 CO2 的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性以及性能稳定 8。1. 环丁砜法：由环丁砜一、二异丙醇胺水组成的溶液作为吸收剂，溶液的吸收压力从稍高于大气压至 7MPa，净化气中 CO2 含量可降低至 50mg/m3 以下，可用于脱除变换气中的 CO2。2. N-甲基吡咯烷酮法：用 N-2-甲基吡咯烷酮作为溶剂，吸收压力一般为3.67MPa ，该法可选择脱除硫化氢，用于从高压天然气或合成气中除去大量CO2。3. Selexol 法：用聚乙烯乙二醇二甲酯（DEPG）为吸收剂，操作温度为261K。4. Rectisol 法：以冷甲醇为吸收溶剂，操作温度 211272K，压力214810MPa， 该工艺气体净化度高、选择性好，气体的脱硫和脱碳可在同一塔内分段、选择性进行，被广泛应用于合成氨、合成甲醇和其他羰基合成和天然气脱硫等气体净化装置中。5. Flour 法：用碳酸丙烯酯为吸收剂，吸收压力一般在 1.3MPa 以上，净化气中 CO2 含量小于 1%，该法可同时脱除 H2S，可用于脱除天然气及变换气的CO2。以 Selexol 法为例，Selexol 法的溶剂由美国 Norton 公司开发，一些商业应用的数据尚没有公开，方法在化工行业已得到了多年的应用。所使用的吸收剂具有无毒、热稳定性好、不分解及无腐蚀性等特点，整体设备采用碳钢设备，由于此吸收剂蒸汽压极低，因此挥发损失少。此法之操作条件为吸收温度-50C ，CO 2 回收率可达 95%。其主要缺点是工艺流程庞大，而且吸收过程中吸收剂蒸汽压较高，致使其溶剂损失较大。工艺流程如图 1-1 所示。物理吸收法的优点是吸收能力强，吸收剂用量少，吸收剂的再生不需要加热，通过降压即可实现，因此所需再生能量相当少，溶剂不起泡，不易腐蚀设备；但由于 CO2 在溶剂中的溶解服从亨利定律，因此这种方法只适用于 CO2 分压较高的条件，而且 CO2 的去除程度不高，成本相对也较高。CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟7图 1-1 Selexol 法脱 CO2 工艺流程 91.5.3 膜分离法膜分离法是利用某些聚合材料制成的薄膜，对不同气体的渗透率不同来分离气体的。膜是一种起分子级分离过滤作用的介质，驱动力是压差，当混合气体与膜接触，膜两边存在压力时，渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜，形成渗透气流， 渗透率低的气体则被选择性的拦截，绝大部分在薄膜进气一侧形成残留气流，两股气流分别引出，从而使混合气体的不同组分被分离，这种分离是分子级的分离。膜分离技术受到世界各技术先进国家的高度重视，近三十年来，美国、加拿大、日本和欧洲国家，一直把膜技术定位为高新技术，投入大量资金和人力，促进膜技术迅速发展, 使用范围日益扩大，为许多行业高质量地解决了分离、浓缩和纯化的问题，为循环经济、清洁生产提供依托技术 8。膜分离法包括分离膜和吸收膜两种类型。分离膜和吸收膜如图 1-2 所示。图 1-2 分离膜和吸收膜 10CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟8使用薄膜法处理含大量 CO2 废气时，无论使用哪类薄膜，除要对 CO2 具有高选择性外，CO 2 透过率亦需越高越好，只是排放气中主要成分氮气和 CO2 的分子大小十分接近，高选择性和高渗透率不易同时实现。工业上用于 CO2 分离的膜材质主要有：醋酸纤维、乙基纤维素、聚苯醚及聚砜等，近年来一些性能优异的新型膜材质正不断涌现，如聚酰亚胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜复合膜、含二胺的聚碳酸酯复合膜、丙烯酸酯的低分子含浸膜等，均表现出优异的 CO2 渗透性。膜分离法工艺流程如图 1-3 所示。图 1-3 膜分离法工艺流程 11膜分离法工艺的特点：膜分离法具有一次性投资较少、设备紧凑、占地面积小、能耗低、工艺简单操作方便等优点，是应用前景良好的 CO2 气体分离方法，但膜分离法的缺点是需要前级处理、脱水和过滤，且难以得到高纯度的CO2。1.5.4 低温蒸馏法低温蒸馏法利用天然 CO2 气源中主要组份甲烷和 CO2 间沸点的差异， 以蒸馏方法将 CO2 分离出来，主要应用于一些富含 60%90% 的天然 CO2 气源中回收 CO2，供二次采油用。因此，此法具有一定的局限性 7。低温蒸馏法工艺流程图如图 1-4 所示。CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟9图 1-4 低温蒸馏法工艺流程1.5.5 吸附法吸附法是采用固体吸附剂吸附混合气中的 CO2，其原理是根据 CO2 分子空间结构、分子极性等性质，选取对混合气体中 CO2 组分有强于其他组分吸附力的吸附剂，由于混合气体中各组分分子与吸附剂表面活性点的引力具有差异， 当混合气体在一定压力下通过吸附床所载的吸附剂时，吸附剂对 CO2 进行选择性吸收，进而实现对二氧化碳气体的分离、回收 6。吸附法主要包括变压吸附法（PSA） 和变温吸附法（TSA ） 。以变压吸附法（PSA）为例：变压吸附技术利用吸附剂对混合气体中的不同组分具有不同吸附容量的特性， 在较高压力下选择吸附混合气体中的 CO2，然后通过减压的方式使 CO2 解吸出来，从而实现 CO2 的分离与提纯。变压吸附法流程如图 1-5 所示。图 1-5 变压吸附法流程图 11现阶段，变压吸附法发展较为迅速，大型工业化吸附装置已投入使用，其CO2 分离效率可达 99%以上。在化肥、石化等工业中的应用极其广泛。在国内，西南化工研究院技术力量雄厚，在变压吸附研究、开发、设计、安装方面，处于领先地位。吸附法特点：吸附法原料适应性广，无设备腐蚀和环境污染，工艺简单，压力适应范围广（6.661.26MPa） ，产品纯度高，调节能力强，但解吸频繁，需要大量吸附剂，对自动化程度要求高，更适用于 CO2 浓度在 20%80%的工业气体，而且需要预处理烟气中的水和颗粒物，以免吸附剂吸附效果降低。CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟101.5.6 物理-化学法目前，物理-化学法主要有 CO2 分解法。该法是借助高能射线或电子射线等放射线，对排出的含有大量 CO2 的燃放气进行辐射，使其中的 CO2 分解为一氧化碳和氧气，一氧化碳在经过高能辐射，转而生成 C3O2 和 O2，其反应方程式为：一次辐射：CO 2 CO + 1/2O2；二次辐射：3CO C 3O2+ 1/2O2 和 3CO2 C 3O2 + 2O2。这种方法，尚处于基础研究阶段，要实现工业化，还有大量技术问题需要解决。1.5.7 化学法化学法分离处理 CO2 主要包括碳氢化合物转化法及化学吸收法等。1. 碳氢化合物转化法碳氢化合物转化法 11：碳氢化合物转化法是在催化剂作用下，将 CO2 转化为甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。日本东北电力公司以铑-镁为催化剂，可使 CO2 与氢按 14（体积比）的比例，在一定的温度与压力下混合，生成甲烷。日本东芝公司采用一种工程上更为可行的原料配合，直接用燃放气与以氢为基底的乙炔混合，利用电子束或激光束激励，生产甲醇和一氧化碳，一氧化碳作为原料，可进一步合成甲醇。碳氢化合物转化法还处于实验室研究阶段，距离工业大规模实用阶段尚远。CO 2作为一种潜在的巨大的资源，已引起世界众多国家有关科技人员的关注。2. 化学吸收法化学吸收法 12是使原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应，CO 2 被吸收至溶剂中成为富液，富液进入脱析塔加热分解出 CO2，从而达到分离回收CO2 的目的。该方法的关键是控制好吸收塔和解析塔的温度与压力。所选用的吸收剂应具有对溶质 CO2 具有选择性、吸收剂不易挥发，并避免在气体中引进新的杂质，腐蚀性小、粘度低、毒性小、不易燃。常用的吸收剂有醇胺、立体障碍醇胺及碳酸盐等水溶液，吸收剂浓度通常不超过 50%（因浓度过高时，会产生严重的腐蚀） 。在化学吸收法中，吸收剂性能的优劣是决定吸收效果好坏的关键因素。根据吸收剂种类的不同，化学吸收法可分为热钾碱法、氨水法、醇胺法 13。（1） 热钾碱法热钾碱法是以 K2CO3 为吸收剂，高温下吸收 CO2。 K2CO3 吸收 CO2 生成CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟11KHCO3-，在减压加热时放出 CO2，又形成 K2CO3。K 2CO3 溶液吸收 CO2 的速度比较慢，吸收和再生反应都在液相的主体完成，如此循环，完成富集 CO2 的过程。由于 K2CO3 吸收 CO2 速率较慢，且溶液对设备的腐蚀性较大，因此工业上应用较多的是改良的热碳酸钾法，即向溶液中添加氨基乙酸、硼酸、DEA 以及空间位阻胺等活化剂。按照添加的活化剂的不同，热钾碱法又分为 GV 法、Flexsoth 法、 SCCA 法、 Benfield（苯菲尔法）等。 GV 法起初使用 As2O3 活化，但因具有 As2O3 毒性，无法广泛应用，现采用无毒的氨基乙酸活化；Flexsoth 工艺采用空间位阻胺作为活化剂；SCC A 法是采用二乙烯三胺（DETA）活化； Benfield 法是近年来应用较多的方法，由新的活化剂 ACT1代替原来的二乙醇胺（DEA） ，含量为 1%3%，可以使净化气中 CO2 含量降低28% 85%，溶液循环量降低 5%25% ，再生热耗降低 5%15%，通气能力增加 5% 25%。（2） 氨水法氨水法即以氨水为吸收剂，该法脱碳吸收效率高。同时能够吸收绝大部分乃至全部的 HCl、HF 、SO 2 等酸性污染物。氨容易再生，并可得到高纯度的CO2，成本仅为一乙醇胺（MEA）溶液的 1/6（工业级） ；所得副产品 NH4HCO3是我国农业上广泛应用的氮肥，具有一定的经济效益。但氨水脱碳工艺中常常存在一些问题如 NH4HCO3 稳定性较差，作为肥料施加到土壤里以后，很快就会分解释放 CO2，使其重新返回到大气中。（3） 醇胺法醇胺法以其吸收速率快、吸收效率高等优点在近几十年得到了广泛的研究和应用，发展迅速。该工艺始于 20 世纪 30 年，最初主要以 MEA 为吸收剂。20 世纪 50 年代后期，二异丙醇胺（DIPA）开始应用于天然气和炼油厂气体净化。MEA 和 DEA 溶液回收 CO2 工艺起步早，已经比较成熟，但这两种溶剂容易降解，腐蚀性强，且再生能耗大。20 世纪 80 年代，甲基二乙醇胺（MDEA）回收 CO2 得到了广泛应用。MDEA 溶液法稳定性较好，再生热小，对设备基本无腐蚀。但吸收剂黏度较高，反应器内湍流程度小，不能与气体充分混和，吸收速率较小。胺法工艺中使用的醇胺，包括传统的链状取代基醇胺和带支链的空间位阻胺。依据 N 原子个数，醇胺分为伯胺（如一乙醇胺，简写为 MEA ） 、仲胺（如二乙醇胺，简写为 DEA；N-甲基二乙醇胺，简写为 DIPA）和叔胺（如三乙醇胺，简写为 TEA；二异丙醇胺，简写为 MDEA） ，它们的反应机理大致如CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟12下 14：（a）伯胺、仲胺对 CO2 的吸收首先生成两性离子：两性离子与溶液中的碱催化剂进行脱质子反应：溶液的碱催化剂 B 包括胺（R 1R2NH） 、OH -和 H2O 等。此法吸收速度快，但反应过程中易生成较稳定的氨基甲酸盐，使吸收量减小。（b） 叔胺对 CO2 的吸收由于叔胺的分子结构中无氢原子，所以它和 CO2 之间不能进行生成氨基甲酸盐的反应，这使叔胺与 CO2 的反应机理与伯胺、仲胺有明显不同。叔胺与 CO2 之间的反应按下式进行：此法吸收负荷有所提高,但吸收速度较伯胺、仲胺慢。（c） 空间位阻胺对 CO2 的吸收关于空间位阻胺对 CO2 的吸收，不同的研究者提出的反应机理并不一致，以研究最广泛的 AMP （2-氨-2 甲基-1-丙醇）为例，按两性机理进行主要反应如下：AMPCOO-为 AMP 的氨基甲酸盐阴离子，由于空间位阻的影响，又水解生成 AMP 和 HCO3-。近十几年来，醇胺法吸收 CO2 发展迅速，出现了用多原子氮有机胺（如：二乙烯三胺、三乙烯四胺等）吸收 CO2 的研究，选用三乙烯四胺（简称TETA）进行实验。图 1-6 为相同条件下，TETA 、MEA、DEA、TEA 吸收 CO2 吸收效果的比较，曲线的斜率表示吸收速率，由图可知：TETA 具有最快的吸收速率，最大的吸收量。CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟13图 1-6 相同条件下 TETA、MEA 、DEA、TEA 对 CO2 吸收 14下面介绍一种典型的化学吸收法分离脱除烟气 CO2 的工艺流程，其流程图如图 1-7 所示。图 1-7 典型的胺化学吸收法分离回收烟气中 CO2 工艺 15经过除尘、脱硫等处理后的烟气经初步冷却和增压后，从吸收塔下部进入，在塔内与由塔顶喷射的吸收剂溶液逆相接触。烟气中的 CO2 与吸收剂发生化学反应而形成弱联结化合物，脱除了 CO2 的烟气从吸收塔上部被排出吸收塔。而吸收了 CO2 的吸收剂富 CO2 吸收液（简称富液）经富液泵抽离吸收塔，在贫富液热交换器中与贫 CO2 吸收液（简称贫液）进行热交换后，被送入再生塔中解吸再生。富液中结合的 CO2 在热的作用下被释放，释放的 CO2 气流经过冷凝和CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟14干燥后进行压缩，以便于输送和储存。再生塔底的贫液在贫液泵作用下，经过贫富液换热器换热、贫液冷却器冷却到所需的温度，从吸收塔顶喷入，进行下一次的吸收。化学吸收法有两个显著的优点：它能产生相对纯净的 CO2 气流；它的技术已经成熟，已实现商业化。采用化学吸收法进行燃烧后捕获技术将增加 70%的发电成本。改进的吸收剂能减少能量损失，并能降低化学吸收过程的成本。减少能量损失的目标在于降低再生过程所需的能量。通过对吸收器模块和其他主要零部件尺寸进行设计和技术改进，有可能降低成本 16。综上所述，化学吸收法捕获 CO2 是一项高效、节能、环保的新兴技术，现阶段对于火力发电厂 CO2 的减排具有广阔的应用前景。1.6 化学吸收法在电厂中的运用1.6.1 工艺简介燃煤电厂的废气中含有二氧化硫、氮氧化物、粉尘和 CO2 等，脱除这些污染物需要多种技术组合，如图 1-8 所示。首先，用 SCR 法脱除氮氧化物，其次，用除尘器去除粉尘，然后，用脱硫设备去除二氧化硫，最后处理 CO2。图 1-8 电厂烟气处理的工艺流程 171.6.2 国内火电厂化学吸收法应用现状化学吸收法因其工艺简单、技术较为成熟，近几十年在国外得到了广泛的研究和应用，目前，国内火电厂对 CO2 捕获技术的研究和应用尚处于起步阶段。2007 年底，国内首个“ 燃煤发电厂年捕集 CO23000t 试验示范工程项目” 在中国华能集团公司所属北京热电厂开工建设，并于 2008 年正式投产运行。该电厂每年约排放 400 万 t 的 CO2，项目使用醇胺吸收法，系统能够捕捉其中的CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟150.075%，CO 2 回收率大于 85%，约 3000t，而捕捉能耗占电厂能耗比例则在 30%以上。分离、提纯后的 CO2 纯度达到 99.5%以上，可用于食品行业 18。工艺流程图如图 1-9 所示。图 1-9 华能北京热电厂 CO2 捕集系统工艺流程图烟气 CO2 捕集系统由烟气预处理系统、填料吸收塔、填料再生塔、排气洗涤系统、溶液煮沸器、胺回收加热器、产品气处理系统（包括冷凝器、气液分离器、压缩机）以及系统水平衡维持系统组成。脱硫后的烟道气由引风机送入吸收塔，其中 CO2 被胺溶液吸收，尾气由塔顶排入大气。吸收 CO2 后的富液由塔底经泵送入换热器，回收热量后送入再生塔。解吸出的 CO2 气，经处理后送入精处理系统。经过压缩加压、除湿、脱硫、制冷等工序，得到最终产品液态 CO2。该项目的实施表明了，化学吸收法捕获火电厂烟气中 CO2 具有极大的实际应用价值和广阔的应用前景。华能上海石洞口第二电厂是全球最大的燃煤发电厂 CO2 捕捉项目，总投资1.5 亿元，2009 年 7 月份开工，预计年捕捉 10 万 t 的 CO2，2009 年底建成。另一个项目是中电投重庆合川双槐电厂，在一期两台 30 万千瓦的机组上建造碳捕集装置，由中电投远达环保工程有限公司自主研发设计，年处理烟气量CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟16为 5000 万标准立方米，年生产工业级 CO21 万吨。该碳捕集项目于 2010 年 1月 20 日投入运营。CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟17第二章 吸收塔的设计计算2.1 确定塔设备的选型处理量：150m 3/d =6.25m3/h（60 时）CO2 回收率：95% 吸收塔操作温度：3845 再生塔操作温度：110120吸收液（MEA 溶液）浓度：15%20%烟气组分见表 2-1。表 2-1 烟气成分及其含量成分 N2 CO2 O2含量 88.3% 9.0% 2.7%根据以上参数及吸收液的性质，将吸收塔和解吸塔均设计为填料塔。 填料塔具有结构简单、压力降小，且可用各种材料制造等优点。在处理容易产生泡沫的物料以及用于真空操作时，有其独特的优越性。过去由于填料本体及塔内构件的不够完善，填料塔大多局限于处理腐蚀性介质或不适宜安装塔板的小直径塔。近年来由于填料结构的改进，新型的高效、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效果，又保持了压力降小及性能稳定的特点，因此填料塔已被推广到所有大型气液操作中。在某些场合，还代替了传统的板式塔。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔已大量地用于工业生产中。填料塔结构如图 2-1 所示。CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟18图 2-1 填料塔结构2.2 吸收剂的确定根据文献和工程实际，此设计选用工业最常用的MEA （一乙醇胺）作为吸收剂，浓度15%。确定吸收塔操作条件为： 温度： 40 压力： 1atm2.2.1 平衡线缺少 CO2 在 15%MEA 溶液、40时的溶解度数据，现近似取 40下 CO2在 15 %浓度的 MEA 溶液中的溶解度，并把分压转化为操作压力下的气相摩尔分数 y，经验数据见表 2-219。CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟19表 2-2 不同压力下 CO2 气相、液相摩尔分数的变化p， mmHg 1 5 10 30 50 70 100 200 y 0.00132 0.00662 0.0133 0.0411 0.0704 0.101 0.152 0.357 x 0.383 0.438 0.471 0.518 0.542 0.558 0.576 0.614 由上表可得所需的平衡曲线。图 2-2 平衡曲线2.2.2 吸收量的确定 1y 9.0%（2-1）21y ()(5) .4 （2-2）1Y/ ./09 （2-3）22 (y)04(1.).5 式中：Y 1进口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比； Y2出口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比； y1进口气相溶质的摩尔分数； y2出口气相溶质的摩尔分数； x1出口液相溶质的摩尔分数； x2进口液相溶质的摩尔分数。 MEA贫液含有0.050.2 mol CO2/mol MEA，使用低压解吸塔，则来自解吸塔的MEA贫液一般由0.15 mol CO 2/mol MEA，故可取： 。20.15xCO2 吸收净化系统的设计及三维模拟20吸收塔温度：313K15%MEA溶液的比重： =0.96g/mLL运动粘度： 0.82cStMEA分子量：M=61.1 ，MEA 溶液的粘度： 0.8296 cPLL质量浓度： 39615% 49. kg/m摩尔浓度： 149./6 2.4 ol/L烟气的摩尔质量：入塔烟气密度： 1G332.40795 2.1. kg/mTM烟气摩尔流量： G327n6.54102.mol/hQVT（2-4）（2-5）（2-6）2222%80.34.093.795NCOOMmmCO2 吸收净化系统的设计及三维模拟21烟气质量流量： 3G=n 1024.69.5 7kg/hM惰性气体流量： MG1243.60.9 mol/hny（ ）查平衡曲线，y 1=0.099时，x 1*=0.556。最小气液比为： *M12maxG()LY0.56.94 .3式中：x 1*与气相溶质摩尔分数成平衡的液相溶质摩尔分数液体最小流量： Mmin21.46(L)5.0ol/h3 Mmin.(L)（ ）取实际气液比为最小气液比的1.5倍，则 Mmin() 1.5()0 7.2ol/hMEA溶液量：（2-7）（2-8）（2-9）（2-10 ）CO2 吸收净化系统的设计及三维模拟2223L 7.561.0= 34kg/hMxM112Gx (Y) xL2.46 0.9.45 0.175.（ ）2.3 填料2.3.1 填料的种类填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。规 整 填 料 是 按 一 定 的 几 何 构 形 排 列 ， 整 齐 堆 砌 的 填 料 。 规 整 填 料 种 类 很多 ， 根 据 其 几 何 结 构 可 分 为 格 栅 填 料 、 波 纹 填 料 、 脉 冲 填 料 等 。2.3.2 填料的选择填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。1填料种类的选择 填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：（1）传质效率要高一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料。（2）通量要大在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。（3）填料层的压降要低。（4）填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。2填料规格的选择填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。（1）散装填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离（2-11 ）（2-12 ）