基于化学吸收法电厂烟气CO2捕集过程中热量的高效利用

刘晓琪,李亚楠,刘诺

摘要：目前国内外CO2捕集系统的CO2捕集量都不大，仍然处在研究试验阶段，工业应用还不成熟。以上电厂CO2捕集系统都存在着设备造价高、蒸汽耗量大、电耗量大、烟气处理量低等问题，这些是CO2捕集系统大规模工业运用的主要障碍。乙醇胺(MEA)化学吸收法是目前捕集CO2的主要方法，其主要制约瓶颈是能耗过高。本项目基于其过程中产生的热量进行高效利用，采用热泵技术充分利用吸收塔中的反应热提供解吸过程能耗，对系统低温余热利用至生活供暖及制造冷凝水。通过对系统能量的高效利用，节约能源，降低电厂烟气脱碳成本，提高经济性。

关键词：化学吸收法，热泵，热量利用

一、MEA化学吸收法工艺流程

电力生产是CO2的一个集中排放源,控制和减缓电力生产中CO2排放对于解决全球气候变暖和温室效应问题具有重要意义。对于已经存在的电站，增加CO2捕获系统，被视为短、中期时间内减少CO2排放行之有效的方法。人们明显认识到减少燃煤发电厂CO2排放可以通过两个途径来实现：一是提高电厂的能源利用效率；二是在烟道末端捕获来自于烟气中的CO2。在CO2燃烧后捕获工艺中，将CO2从烟气中分离出来，再将CO2体捕获。

CO2分离捕集技术一般包括化学溶剂吸收法、物理吸附法、膜系统法、低温分离法和CO2循环燃烧法等。化学吸收法是目前技术上最为成熟、工业上应用最广泛的烟气中CO2捕集的主要方法。化学吸收法利用CO2的酸性特点，采用碱性溶液进行酸碱化学反应吸收，然后借助逆反应实现溶剂的再生。现在关注最多的是醇胺法，该技术利用带有基和胺基的碱性水溶液作为溶剂，利用吸收塔和再生塔组成系统，对CO2进行捕集。工业中常用的几种醇胺的碱性如下：

MEA>DEA>DIPA>MDEA>TEA

其中，MEA的分子量小，吸收酸性气体能力强，所以在燃烧后捕集烟气中低浓度CO2最具优势，也是研究和运用最主要的技术。到目前为止，基于胺吸收（主要为 MEA 溶液）是对于来自低压、大体积气体流量的CO2捕获是最有效的技术。MEA 吸收液虽然具有反应迅速、可对CO2进行有效吸收和胺价格相对便宜等优点，但是用于胺吸收剂再生阶段的能量消耗很高，醇胺法进行二氧化碳捕集主要的问题是CO2解吸能耗大（或溶液再生耗能大）、吸收剂的降解和腐蚀设备，都会造成CO2捕集成本较高、存在棘手的经济效益问题，特别是化学吸收法的解吸能耗过高，已经成为化学吸收法的主要制约瓶颈。CO2分离和捕获工艺中，引起能量消耗的主要环节有以下四方面；（1）用于溶剂再生，大量的低压循环蒸汽的输出导致了电量输出的减少；（2）用于CO2捕获工艺的贫富溶剂泵和烟气送风机所需求的辅助电；（3）用于 CO2压缩工艺的 CO2压缩器和调压器单元的所需求的电；（4）用于CO2捕获和压缩单元的辅助冷却水所需求的电。

MEA水溶液与二氧化碳总化学反应如下：

CO2+2HOCH2CH2NH2+H2O→>(HOCH2CH2NH3) 2CO3

上述反应是可逆放热反应，在温度较低（20～40℃）时，反应向正反应方向进行，放出热量；温度较高时，反应逆反应方向进行，溶液再生。 工业上利用MEA与二氧化碳反应的特性，实现二氧化碳回收（或脱除）的目的。

二、热泵工作原理

热泵能量转换，是利用压缩机的作用，通过消耗一定的辅助能量（如电能），在压缩机和换热系统内循环的制冷剂的共同作用下，由环境热源（如水、空气）中吸取较低温热能，然后转换为较高温热能释放至循环介质（如水、空气）中成为高温热源输出。在此因压缩机的运转做工而消耗了电能，压缩机的运转使不断循环的制冷剂在不同的系统中产生的不同的变化状态和不同的效果（即蒸发吸热和冷凝放热），从而达到了回收低温热源制取高温热源的作用和目的。

三、热量的具体利用方案

在整个MEA化学吸收法捕集CO2的过程中，存在频繁升降温导致能耗过大，捕集系统中的余热很多，例如塔顶气带走的热量、凝结水排放的热量、压缩机级间冷却热、制冷系统排热等，而本项目主要从两种技术出发对系统中的热量进行充分利用，其中采用热泵技术回收脱碳后的烟气热量至再生塔中用于贫液的吸热再生，回收经过贫富液换热器的贫液冷却前的低热量至生活供暖及制造冷凝水。下面是详细介绍：

1）利用贫液余热及吸收塔中的反应热提供解吸能耗；

利用热泵余热回收技术，回收捕集系统贫液余热及吸收塔中的反应热等余热，进一步加热富液、解吸塔补液，以降低捕集工艺解吸总能耗，从而减少CO2 捕集消耗的蒸汽量。图3为吸收塔进出口气流的相关焓差分析。捕集过程共放出反应热64.09 kW( 47.89+ 16.20)，其中塔顶排出的净烟气会带走近75%的反应热，因此将吸收塔放出的反应热利用热泵过程回收提质输送到解吸塔用于贫液的吸热再生，实现了系统内化学过程与热过程的耦合联用。换热后的贫液需降温才能进入吸收塔开始下一个循环，不仅增加了冷却负荷还造成热能浪费，因此可再应用热泵对贫液余热提质，将得到的高品位热能用于解吸。

2） 低温余热利用至生活供暖及制造冷凝水；

贫液冷却器将贫液从65℃降低到40℃，再生气冷凝器将再生气从98℃降低到40℃，这部分由冷却水带走的热能数量大，温位低，因此这部分热能温位低，工艺利用价值不大，可以用作生活取暖或者用作加热锅炉给水，以降低能耗，也可以起到节约能源的作用。目前，大部分供暖是采用热水进行供暖，可将由冷却水带走的低温位热能与城市热网供暖系统循环水进行间接换热，循环达到余热利用的目的。

四、项目创新特色概述

在传统化学吸收法捕集过程中进行能量分析可知，解吸塔冷凝器和再沸器之间存在能位差，蒸气冷凝相变能量不能用于再沸器中水的汽化，汽提会耗费大量的蒸气；吸收剂再生所需热量源自再沸器，虽然在吸收塔吸收CO2发生放热反应会产生等量的反应热，但由于吸收塔的温度低于解吸塔，热量难以用于解吸塔中吸收剂的再生。因此整个解吸过程对热能利用不充分，导致化学吸收CO2捕集过程的高能耗。

参考文献：

[1]李停停. 燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化系统节能优化技术研究[D].青岛科技大学,2010.

[2]李太星. 醇胺法捕集CO_2流程模拟与工艺改进[D].青岛科技大学,2010.

[3]何卉. 二氧化碳化学吸收系统的工艺流程改进和集成优化研究[D].浙江大学,2018.

[4]林吕荣,詹永乐.燃煤电厂余热回收利用及控白烟技术的应用[J].节能与环保,2020(Z1):92-94.

作者简介：

刘晓琪，女，生于2000年11月，汉族，福建莆田人，江苏大学，能源与动力方向

李亚楠，女，生于1998年5月，藏族，甘肃临夏人，江苏大学，能源与动力方向

刘诺，女，生于2001年1月，满族，吉林省白城人，江苏大学，能源与动力方向【基金项目】本文系江苏大学2020年度大学生实践创新训练计划项目，项目编号：202010299178Y