烟气CO2捕集工艺过程关键问题探讨

烟气CO2捕集工艺过程关键问题探讨

祁成

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司陕西省西安市710075)

摘要：燃煤电厂作为国民经济发展的重要支撑，是目前我国电力资源的主要供应者，。燃煤电厂在发电的同时也产生巨大的污染，其中包括颗粒污染和气态污染两个重要方面，本文主要针对气态污染物中的二氧化碳脱除技术进行分析介绍，分析烟气二氧化碳捕集过程的影响因素及工艺主要控制点，利于有效保证二氧化碳的脱除率，保证烟气的纯净。

关键词：二氧化碳捕集技术燃煤烟气

1引言

在我国能源利用结构中，煤炭占一次能源利用的70%-80%。目前，我国电网中的电力资源绝大部分是通过燃煤电厂提供的，但是煤炭在燃烧过程中会产生大量的污染物，这些污染物主要分为固态和气态两种。固态污染物主要是烟尘颗粒，烟尘颗粒的排放会加重大气中PM2.5的含量，对人体健康产生较大的威胁。气态污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、CO、CO2等，主要造成环境的温室效应加重，形成酸雨等。其中，二氧化碳是温室效应的主要污染物，因此，必须对电厂排放的污染物进行治理和监测。目前，燃煤电厂都具有烟气处理装置，对排放烟气中的污染物进行处理，达标后再排放。本文主要针对烟气中二氧化碳的控制技术进行分析探讨。

控制燃煤电厂烟气中的二氧化碳含量的方式主要有两种：其一，通过调整电厂工艺和煤炭的分选技术实现燃煤过程中的二氧化碳生成量减少。其二，采取有效的方式对烟气中的二氧化碳进行吸附或反应脱除，使得排放的烟气能够满足环保的要求。目前，通过对烟气中的二氧化碳进行脱除是应用最广的方法。二氧化碳的捕集工艺是燃煤烟气二氧化碳捕集脱除技术的基础和关键，决定了该系统的有效性和可操作性。

2烟气预处理

以常规燃煤电厂为例介绍烟气的预处理过程。一般来说，按烟气流动方向，烟气要经过脱硝、除尘、脱硫、湿除等处理，在经过这些烟气处理设备后，烟气才能达到国家的环保标准而排放到大气中。按照目前的环保标准，烟气在经过一系列烟气处理设备后，其中的氮氧化物、硫氧化物、粉尘等的浓度能得到显著的降低，但仍会有部分残留的污染物进入到二氧化碳捕集系统内，这会使吸收剂的消耗大大增加，增加操作的复杂性和运行成本。另外，烟气中的氧还会引起碳钢的氧化，减少设备的运行寿命。

二氧化碳捕集工艺主要采取胺脱除法，烟气中的氮氧化物以一氧化氮为主，NO不与胺溶液发生反应，尽管二氧化氮与胺溶液发生化学反应，但由于该成分含量较低，因此基本可以不考虑氮氧化物对溶剂产生的影响。烟气的温度是影响二氧化碳捕集脱除的因素之一，温度过高不易使得脱除可逆反应向着正反应进行，影响脱除效率。一般来说，大多数电厂都采用的是湿法脱硫技术，吸收塔出口的烟气是饱和状态，含有大量的水，湿烟气如果进入CO2捕集系统会造成系统水不平衡。烟气中含有的残留粉尘颗粒会造成吸收塔填料的堵塞，在污染溶剂的同时，也会使传质发生恶化，设备的压降也会增加，最终会对捕集效率及溶剂寿命产生影响。二氧化硫对溶剂发生不可逆反应，对溶剂的消耗量较多，会加快溶剂的损失。据相关的经验，二氧化碳的捕集工艺对烟气的参数有以下要求，见表1。

表1胺法捕集工艺对烟气的要求

按照参数的主要差异，CO2捕集工艺首先要考虑的预处理措施是烟气冷却和精脱硫，对粉尘的处理可以根据各个电厂的实际情况采用不同方案。

烟气冷却：

烟气进入二氧化碳捕集系统前的冷却方法可以分为两种：直接冷却和间接冷却。直接冷却即利用烟气与冷却介质直接在填料塔或空冷塔中直接接触进行换热。间接换热即利用换热器，采用间接冷却可以回收部分热量，烟气冷却换热产生的低压蒸汽和热水能提供脱碳溶液再生所需热量的30%。

烟气精脱硫：

目前，电厂应用最广的脱硫方式是湿法脱硫。为满足二氧化碳脱除工艺的要求，可以通过以下方式提升脱硫效率。(1)提升钙硫摩尔比、提升浆液的PH值来提升脱硫效率，该方法的优点是初投资和运行费用低，但不容易达到二氧化碳捕集要求。(2)提升液气比，即提升浆液循环量。该方式操作运行简单，但也较难满足二氧化碳捕集要求。(3)增加碱洗系统，在二氧化碳捕集系统的上游新建一套碱洗系统，可以进一步降低含硫量，同时也能进行烟气的冷却。该方法脱硫效果能够满足要求，但投资和运行费用相对较高。

3CO2吸收速率与捕集量

影响二氧化碳捕集量和吸收速率的因素主要可以分为以下几个：

(1)吸收推动力。二氧化碳吸收反应的推动力即二氧化碳在气相和液相中的浓度差，此值越高，推动力越大，脱除反应进行地越快。同类条件下，选择对二氧化碳溶解度较高的溶液、提升操作压力、降低操作温度等都有利于增强推动力。

(2)传质系数。二氧化碳的吸收反应是一个受速度控制的过程，化学反应进行的快，扩散阻力会减小，传质系数会增加。溶液的选取、温度、压力等都会影响传质系数。

(3)填料的有效接触面积。采取填料的目的是通过较大的比表面积来尽可能增加包括填料的有效湿润表面和可能存在的液滴和气泡表面在内的反应区域。设计或选择合适的填料，不仅要考虑比表面积这个重要参数，也要考虑填料的流体通道形式和走向是否利于溶液充分附着。

4CO2捕集工艺过程关键问题分析

在具体的工程应用中，需要对实际操作中的关键问题进行具体分析，形成工艺技术选择准则，具体包括：二氧化碳捕集效率、循环溶液量、再生度及再生温度、吸收温度等。

(1)二氧化碳捕集效率

从整个系统的经济性考虑，一般电厂将捕集效率设计为90%，因为在此捕集效率下，具有最佳的经济性，但也有电厂将捕集效率定为80%，以降低吸收塔的高度，并降低系统的能耗。一般情况下，项目初期较难确定最佳经济状态下的捕集效率，主要是由于初期电厂相关运行的经济性难以确定，另外，发电设备年发电小时数也不确定。

(2)再生度

再生度用以衡量溶液的再生程度，一般表示的是单位有效溶液中的二氧化碳含量多少。再生度高，溶液再生性好，二氧化碳含量低。溶液再生度高的条件下，在满足运行要求的情况下，一般都不追求太低的负荷因子，避免消耗过多的再生热。

(3)再生温度

再生塔中的工艺对溶剂的再生有关键性作用，一般情况下，高温低压有利于溶液的再生，但较低的再生压力不利于再生能耗的降低，温度过高容易导致溶剂的高温降解失效。以纯MEA溶剂为例，当再生压力维持在50~70kPa，MEA含量约15%~25%，维持再生塔底再生温度约为115℃时，有利于提高溶液的再生度。

(4)吸收温度

二氧化碳的吸收过程时一个放热过程，因此低温有利于二氧化碳的吸收，使得反应向着正方向进行。但反应温度下降使得反应速率降低，使得吸收过程变慢，不利于吸收过程有效进行。另外，吸收温度太高会加大吸收剂的逃逸损耗，造成二次污染。以MEA溶液为例，CO2捕集吸收塔内平均吸收温度以40℃为宜。

5结语

燃煤电厂在我国国民经济发展中具有重要的支撑地位，由于燃煤电厂发电过程中产生较多对于环境存在危害的污染物，因此需要对其烟气进行处理。为保证电厂运行能满足环保指标、减少对环境的污染，必须对相关污染物的处理技术展开分析和研究。通过本文对二氧化碳捕集脱除技术进行分析，对影响整个工艺过程的主要因素及工艺控制的关键点进行分析介绍，可以更好地促进相关技术的应用，保证排放烟气满足环保要求。

参考文献:

[1]李海涛,毛松柏,陈曦,等.燃煤电厂烟气CO2捕集过程中再生能耗的研究[J].应用化工,2017,46(10):1925-1928.

[2]殷俊.有机胺对烟气中二氧化碳的吸收及再生性能的研究[D].华东理工大学,2017.