摘要第1章緒論1.1研究的背景及意義隨著社會(huì)的不斷建設(shè)以及科學(xué)技術(shù)的不斷研發(fā)與應(yīng)用，隨之帶來的就是國民的生活品質(zhì)及對生活質(zhì)量的要求的提升，但是生活的環(huán)境卻遭到了嚴(yán)重的破壞，國家的建設(shè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得我國對能源的需求與消耗也日益增多。在全球范圍之中中國可以說是一個(gè)煤炭開采大國和資源消費(fèi)大國，隨著工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和開發(fā)，化工燃料的使用度逐漸上升，促使二氧化碳的排放量逐年增長，二氧化碳的排放問題也逐漸的受到了我國國民的關(guān)注。國家的進(jìn)步與發(fā)展促使各類能源的供應(yīng)日趨緊張，同時(shí)也導(dǎo)致地球的環(huán)境遭到污染，影響國民的生活與生產(chǎn)。根據(jù)相關(guān)調(diào)研報(bào)告可知，二氧化碳的過度排放是引起全球變暖的罪魁禍?zhǔn)?，這一點(diǎn)已經(jīng)獲得了世界范圍內(nèi)相關(guān)研究技術(shù)人員與學(xué)者的廣泛認(rèn)可[1]。由于人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長所導(dǎo)致的氣候變暖與大氣污染等環(huán)境問題，不僅嚴(yán)重破壞了生態(tài)系統(tǒng)，更嚴(yán)重影響了人們的身體健康以及生活質(zhì)量。自步入二十一世紀(jì)后發(fā)現(xiàn)溫室效應(yīng)以來，氣候的變暖對全世界的影響巨大，例如病蟲害以及洪水和干旱等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，導(dǎo)致了自然生態(tài)環(huán)境的破壞越發(fā)的嚴(yán)重。氣候的變化不但為農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)帶來影響，同時(shí)還引發(fā)了新型的病毒。導(dǎo)致發(fā)生氣候變暖變化的因素有很多，但大多數(shù)的原因都是因人類活動(dòng)所引發(fā)的氣候波動(dòng)，和過分使用化石燃料以及不合理不科學(xué)的開發(fā)土地等人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣當(dāng)中溫室氣體濃度的急劇增長。其實(shí)溫室效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因就是，太陽放射的短波射線穿透大氣層之后，直射地面使地面溫度急劇升高后地面放射出的長波射線被二氧化碳等溫室氣體吸收后，就會(huì)出現(xiàn)溫度升高這個(gè)現(xiàn)象就是溫室效應(yīng)。自發(fā)展以來，人類對于食物以及各種資源的需求不斷增加，促使對于資源的開采力度也不斷的隨著增長，從而導(dǎo)致大氣中存在的溫室氣體也在逐漸濃厚。目前我國正處在偏重于工業(yè)發(fā)展的階段，會(huì)需要大量的石油和天然氣，在開采和使用的過程當(dāng)中，肯定會(huì)散發(fā)出一定數(shù)量的二氧化碳，同時(shí)由于能源的消耗也導(dǎo)致溫室氣體的總排放量大幅度提升。因此我國未來的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)極為嚴(yán)峻，需要具備足夠的力量與技術(shù)控制溫室氣體的產(chǎn)生并對其加以處理。1.2二氧化碳的危害第1章緒論美國在1998年開始發(fā)生氣候變暖現(xiàn)象，自此，世界范圍內(nèi)開始廣泛發(fā)生氣候變暖現(xiàn)象，人們所生活的環(huán)境氣候逐漸開始變得異常，極端的自然現(xiàn)象頻繁發(fā)生，導(dǎo)致世界各國因極端的自然現(xiàn)象產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。在溫室效應(yīng)中二氧化碳可以說是其形成的主要?dú)怏w之一，在眾多工業(yè)氣體排放中二氧化碳的排放量也是最高的。此外，動(dòng)植物的生長與成才也離不開二氧化碳的支持，如果保溫的作用超出一定的范圍，就會(huì)導(dǎo)致地球的表面溫度增加，海平面也一同增長。促使溫室效應(yīng)形成的主要因素就是，人類在進(jìn)行資源的開采與使用時(shí)，所產(chǎn)生的二氧化碳直接排入到大氣中，并未進(jìn)行相應(yīng)的處理。大氣當(dāng)中存在的二氧化碳主要的來源有：動(dòng)植物的呼吸作用、傳統(tǒng)化石燃料的燃燒、火山的活動(dòng)、森林的砍伐等等。而后又被植物的光合作用與海洋兩個(gè)方面吸收。在這個(gè)過程中工業(yè)開采原料的燃燒后所排放的二氧化碳?xì)怏w最多，其排放量占據(jù)了世界范圍總排放量的80%左右，但借助其燃燒過程當(dāng)中產(chǎn)生的熱能而進(jìn)行的電力生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2也占據(jù)了世界范圍總排放量的40%左右。一個(gè)國家想要發(fā)展就必須使用大量的煤炭與石油以及天然氣等石化燃料，這些原料在使用的過程中肯定會(huì)排放出大量的二氧化碳，而且我國最大的發(fā)展中國家，目前我國國民每人年平均產(chǎn)生的二氧化碳已經(jīng)高達(dá)6噸，這個(gè)二氧化碳的排放數(shù)量僅次于美國，由此可見，減少二氧化碳的排放是我國目前需要重視的問題[3]。當(dāng)前能夠有效緩解全球氣候變暖的主要方法就是減少CO2的排放。減少CO2的排放主要可以通過控制能源的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行，盡可能的選擇可以再生的能源進(jìn)行使用，例如：太陽能、風(fēng)能、核能等等；或者也可以通過提高能源的利用率簡單生產(chǎn)單位由于耗能所產(chǎn)生的溫室氣體，實(shí)現(xiàn)對CO2排放量的減少；也可使用現(xiàn)如今較為流行的碳的捕集與封存技術(shù)。通過國際能源署所出示的研究報(bào)告表明，到2050年會(huì)有一半的二氧化碳會(huì)使用CO2的捕集與封存技術(shù)實(shí)現(xiàn)減排的目的[4]。目前我國的熱電廠是產(chǎn)生二氧化碳排放最多的主要產(chǎn)源之一，熱電廠的二氧化碳排放量已經(jīng)高達(dá)總排放量的60%以上。當(dāng)前我國應(yīng)控制燃煤燃?xì)獾然剂系氖褂茫@樣的切實(shí)管控才能有效的控制CO2的排放量，主要的途徑有：強(qiáng)化電廠的電力生產(chǎn)效率的同時(shí)再將直燃能源及核能等新型能源充分的利用方可減少二氧化碳的排放問題，也可將熱電廠的煙氣內(nèi)分離出來，進(jìn)而使用CO2捕集與封存技術(shù)。因此控制電廠煙氣當(dāng)中的二氧化碳的排放量成為我國當(dāng)前二氧化碳減排的主要研究對象。當(dāng)前各類資源的使用強(qiáng)度日益增長，而CO2作為潛在資源受到了社會(huì)各界人士的廣泛關(guān)注與重視，世界范圍內(nèi)很多國家也逐漸開展CO2的利用技術(shù)的研制與開發(fā)，來減輕為二氧化碳的過度排放問題，緩解生態(tài)破壞。以二氧化碳作為主要原料能夠制造出二氧化碳樹脂材料；以人二氧化碳作為主要原料可以制作成其他肥料，對農(nóng)作物施撒并進(jìn)行光合作用后，能夠達(dá)到農(nóng)作物增產(chǎn)的效果；二氧化碳能夠制作成干冰，以供食品、藥業(yè)、美容衛(wèi)生、電子工業(yè)、航天航空、船舶業(yè)、核工業(yè)以及汽車制作和娛樂餐飲等各行各業(yè)的應(yīng)用，另外二氧化碳也能夠作為人工降雨劑幫助旱災(zāi)地區(qū)進(jìn)行降雨，而且通過近幾年的不斷研究后發(fā)現(xiàn)，CO2可以注入到油井當(dāng)中，來推升石油的開采效率?；诖耍嚓P(guān)研究人員通過不斷的分析與實(shí)踐，最終利用二氧化碳的捕集與封存技術(shù)將電廠產(chǎn)生的煙氣內(nèi)存在的CO2進(jìn)行回收，并加以利用，能夠有效的緩解溫室效應(yīng)的危害，同時(shí)也為我國各行各業(yè)提供了有力的CO2資源[5]。1.3國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀在全球氣候變暖的背景下，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）頒布了一項(xiàng)《CCS技術(shù)特別報(bào)告》。自此以后，碳捕集與封存這項(xiàng)技術(shù)（CCS）就受到了全世界范圍的關(guān)注，這項(xiàng)技術(shù)也被全球多個(gè)國家廣泛的使用，同時(shí)也引起了更多人士的關(guān)注與重視。此后，我國在2009年的11月26日，制定了一套詳細(xì)的溫室氣體排標(biāo)準(zhǔn)，并且預(yù)計(jì)在將來的幾年里全國的二氧化碳排放量會(huì)下降40%-45%。曾經(jīng)在2011年的德班大會(huì)上，我國中國政府承諾過有條件的進(jìn)行2020年的量減排協(xié)議談判，CCS技術(shù)的切實(shí)應(yīng)用，可以有效地減少二氧化碳的排放量，并提高對化石能源的高效低碳利用。目前我國相關(guān)部門對CCS這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展極為重視，并在充分的了解我國的實(shí)際國情，在CCS技術(shù)的基礎(chǔ)之上提出了CCUS技術(shù)，也就是碳捕集與封存和利用。同時(shí)還增加了CO2的利用內(nèi)容，將捕集后的解吸也華為重點(diǎn)內(nèi)容。自2011年以來，我國政府頒布了一系列與CCUS技術(shù)發(fā)展有關(guān)的支持政策。如在2019年的5月，在北京召開的“第五屆中國CCUS技術(shù)國家論壇”，在論壇當(dāng)中，正式的頒布了《中國CCUS技術(shù)發(fā)展路線圖（2019版）》，根據(jù)相關(guān)政策的不斷制定、完善與出臺(tái)，充分證明了我國對CCUS減排和示范以及應(yīng)用的重視程度[6]。CCS技術(shù)在我國更多的被稱之為CCUS技術(shù)，就是將二氧化碳捕集、以便利于以及封存，在我國政府的大力支持下，CCUS技術(shù)已經(jīng)取得了十分顯著的成果。發(fā)電行業(yè)的二氧化碳來源較為穩(wěn)定并且集中，因此作為CCUS的主要示范區(qū)域。于2008年到2010年，我國相繼投運(yùn)了年捕獲能力3000t、10×104t、1×104t的華能北京電熱廠CO2的捕集示范工程、華能上海石洞口第二熱電廠CO2的捕集項(xiàng)目、中電投重慶合川雙維電廠CO2的捕集項(xiàng)目。但是目前我國的電力碳捕集項(xiàng)目由于受到二氧化碳的去向問題所限，在項(xiàng)目投運(yùn)后又大部分都無法正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其與國際的項(xiàng)目發(fā)展差異較為明顯?？茖W(xué)技術(shù)部曾經(jīng)于2018年6月公布，目前我國已經(jīng)重點(diǎn)資助了11個(gè)CCS項(xiàng)目，政府資金的資助高達(dá)2.3億元人民幣，非政府資金的資助高達(dá)6.4億元人民幣[7]。其中11個(gè)項(xiàng)目所牽頭的主要單位包括：清華大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)以及中國科學(xué)院工程研究所、天津大學(xué)和四川大學(xué)等等，并且已經(jīng)取得了一定的成果，其中清華大學(xué)與浙江大學(xué)對于燃燒后捕集技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，同時(shí)還對氨水氨法燃燒后的捕集技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并研制出了一種能夠有效控制氨揮發(fā)的調(diào)節(jié)劑，通過仿真模擬出氨法燃燒后捕集技術(shù)當(dāng)中溶劑的再生過程。當(dāng)前世界范圍內(nèi)主要運(yùn)行的大型CCS項(xiàng)目，在每年能夠有效的減少1500×104t的二氧化碳排放，目前很多國家都在進(jìn)行CCUS的試驗(yàn)與研究，主要包括美國、英國以及中國等等，并開展工業(yè)規(guī)模的項(xiàng)目研究與示范，其發(fā)展一直呈上升趨勢。CCS的工業(yè)示范項(xiàng)目數(shù)量逐年增長，并且范圍也正在逐步擴(kuò)大。在2014年，全球首個(gè)全規(guī)模的捕集技術(shù)示范電廠在加拿大的邊界大壩BoundaryDam正式投入運(yùn)營，選取燃燒后捕集的方式，并在其過程當(dāng)中使用化學(xué)吸收技術(shù)，捕集量達(dá)到100萬t/a，用作驅(qū)油；在2017年，美國的PetraNova碳捕集項(xiàng)目也正式投入運(yùn)營，選取燃燒后捕集的方式，并在其過程當(dāng)中使用化學(xué)吸收技術(shù)，捕集量高達(dá)140萬t/a，用作驅(qū)油。根據(jù)相關(guān)資料表示，截止到1019年1月，世界范圍內(nèi)的大規(guī)模CCS項(xiàng)目已建設(shè)43個(gè)，其中北美處于領(lǐng)先地位，共有12個(gè)項(xiàng)目正在持續(xù)運(yùn)行，歐洲有2個(gè)項(xiàng)目正在持續(xù)運(yùn)行，其他國家的項(xiàng)目發(fā)展相對落后，但是CCS作為新興技術(shù)，其發(fā)展前景十分可觀。1.4二氧化碳捕集的方法目前被廣泛使用的二氧化碳的處理技術(shù)無非就是兩個(gè)方式，第一種就是將二氧化碳與大氣剝離并固定，第二種就是在燃放氣當(dāng)中分離回收。當(dāng)前煤基電站主要分為三種：第一種是傳統(tǒng)的燃煤熱電站；第二種是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站（IGCC）；第三種是富氧燃燒電站。目前我國大部分工業(yè)企業(yè)使用的發(fā)電系統(tǒng)就是傳統(tǒng)的燃煤熱電廠，IGCC電站與富氧燃燒電站在歐美等地區(qū)會(huì)被少數(shù)的企業(yè)選用。CO2的捕集主要是將濃度過低的CO2進(jìn)行富集，其主要目的是為了更好的將CO2加以利用與儲(chǔ)存，CO2的捕集技術(shù)的核心技術(shù)分為以下幾點(diǎn)：（1）燃燒前捕集。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在IGCC電站的系統(tǒng)的使用過程中，燃燒前捕集屬于高壓富氧氣化，在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的煤氣會(huì)經(jīng)過水煤氣轉(zhuǎn)換之后，就會(huì)產(chǎn)生巨量的H2和CO2，所產(chǎn)生H2的壓力與CO2的量及其自身的濃度都是非常高的。而在這時(shí)進(jìn)行CO2富集，捕集的難度與消耗的能量較小，并且還能夠有效控制其他的污染物提高效率，因此該項(xiàng)技術(shù)被廣泛的使用與關(guān)注。近幾年，少部分國家將部分國家將IGCC發(fā)電項(xiàng)目重新作出研究分析我國也是包含在其中，目前我國除了國家電網(wǎng)部門在煙臺(tái)設(shè)立了IGCC項(xiàng)目外，眾多發(fā)點(diǎn)集團(tuán)也將IGCC發(fā)電技術(shù)應(yīng)用，但在IGCC項(xiàng)目當(dāng)中還存在技術(shù)成本較高以及可靠性較低等問題亟待解決。（2）燃燒后捕集。指的是將燃燒后形成的煙氣內(nèi)存在的二氧化碳進(jìn)行捕集，并且在理論上說，這種二氧化碳捕集技術(shù)能夠應(yīng)用在各種火力的發(fā)電。但是因燃燒后產(chǎn)生的煙氣壓力與大氣的壓力接近，其中CO2的濃度偏低，氮?dú)獾暮枯^高，促使氣體的流量過大，因此構(gòu)建的捕集系統(tǒng)需要更大，隨之而來的就是消耗的能源也較大。圖1-1三種捕集CO2的技術(shù)路線示意圖（3）富氧燃燒技術(shù)。使用該項(xiàng)捕集技術(shù)需要依靠傳統(tǒng)的燃煤電站的支持，通過制氧技術(shù)脫除大氣內(nèi)存在量較高的N2，利用濃度較高的氧氣與部分抽取的煙氣混合體代替空氣，有利于捕集高濃度的CO2，同時(shí)也方面對其進(jìn)行處理與封存。現(xiàn)如今該項(xiàng)技術(shù)的最大阻礙就是制氧技術(shù)的成本過高與耗能過高的問題，到現(xiàn)在為止并沒有找到價(jià)格較低與耗能較低的能動(dòng)技術(shù)。1.4.1二氧化碳的吸收方法1.物理法物理法處理與分離二氧化碳的技術(shù)主要有物理吸收法與膜分離法以及物理吸附法等等。（1）物理吸收法通過二氧化碳與吸收劑二者之間存在的一定操作壓力與操作穩(wěn)定進(jìn)行交替變化，以此來完成吸收與解吸二氧化碳的目的，而在這個(gè)過程當(dāng)中不會(huì)發(fā)生任何的化學(xué)反應(yīng)，所以該方法的能力消耗也較低。通常來說，吸收劑吸收CO2的效率會(huì)因壓力的增強(qiáng)與溫度的降低而提高，若相反其吸收的能力則會(huì)降低，物理吸收法的優(yōu)勢是能夠明確有效的吸收劑。分離CO2的典型物理法是由Norton公司研究的聚乙二醇二甲醚法，也就是Se1exo1法，與Lurgi公司研究的低溫甲醇法，也就是Rectiso1法，以上兩種方式都屬于是低溫吸收。Se1exo1法的吸收溫度通常在零下10攝氏度—零上15攝氏度左右；而Rectiso1法的吸收溫度通常在零下75攝氏度—零度左右，并且這兩種物理法可以將CO2與H2S一同脫除，其凈化的能力較為強(qiáng)勁[8]。（2）膜分離法膜分離法的原理主要是通過使用聚合材料，例如醋酸纖維、聚酰亞胺等材質(zhì)制作而成的薄膜，這種膜可以對不同氣體的不同的滲透對氣體進(jìn)行分離，目前較為常用的膜有分離膜和吸收膜兩種。當(dāng)前適用在工業(yè)領(lǐng)域的分離二氧化碳的分離膜材料主要有：醋酸纖維、聚苯醚、乙基纖維素以及聚砜等等。而隨著現(xiàn)代科技與材料的不斷進(jìn)步與發(fā)展，新型的有效膜逐漸被研發(fā)并使用，例如聚酰亞胺膜、二胺基聚砜復(fù)合膜和聚苯氧改性膜以及具備二胺的聚碳酸酯復(fù)合膜與具有相對分子質(zhì)量較低的丙烯酸酯浸膜等等，都具備二氧化碳滲透性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。（3）物理吸附法物理吸附法主要是通過使用固態(tài)吸附劑對原料混合氣體內(nèi)存在的CO2進(jìn)行的選擇性、可逆吸附的作用，完成分離二氧化碳?xì)怏w的工作，常見的固態(tài)吸附劑主要包括：活性炭、天然沸石、分子篩與活性氧化鋁以及硅膠等等。在壓力較高的條件下，吸附劑會(huì)吸附二氧化碳，而在壓力較小的條件下，吸附劑則會(huì)解吸二氧化碳，因此合理利用周期性的壓力便能夠完成二氧化碳的分離。2.化學(xué)法二氧化碳的化學(xué)法分離技術(shù)主要包括：化學(xué)吸收法、碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法兩種。（1）化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法主要是利用二氧化碳具有的酸性特點(diǎn)，并通過堿性溶液來實(shí)現(xiàn)酸堿的化學(xué)反應(yīng)，最后通過逆反應(yīng)來完成溶劑再生CO2的目標(biāo)。通常會(huì)將有機(jī)胺類化合物作為主要的吸收劑，同時(shí)通過吸收塔與再生塔的系統(tǒng)來完成捕集CO2的目的，然后對吸收的液體進(jìn)行加熱，使其達(dá)到100攝氏度左右，便可釋放高濃度的CO2，最后重新進(jìn)行再生和利用。其反應(yīng)式為：RNH化學(xué)吸收法通過在吸收塔內(nèi)促使原料氣與化學(xué)溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)促使溶液將二氧化碳生成富液，當(dāng)富液進(jìn)入到吸脫塔內(nèi)，通過將其進(jìn)行加熱能夠完成二氧化碳的分解目的，同時(shí)吸收與吸脫不斷進(jìn)行交替，使其完成分離與回收二氧化碳的任務(wù)。在此過程當(dāng)中，穩(wěn)定吸收塔與脫吸塔的溫度與操作壓力較為重要，該吸收工藝具體如下圖1-2所示：圖1-2化學(xué)吸收工業(yè)的簡單流程示意圖煙氣進(jìn)入系統(tǒng)，化學(xué)吸收劑與CO2也進(jìn)入到吸收器內(nèi)，發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)后就會(huì)產(chǎn)生松散的中間化合物，其形態(tài)為液體，然后會(huì)傳送到再生容器當(dāng)中，通過加熱將其分解成為吸收劑和CO2。然后CO2會(huì)通過脫水、壓縮等一系列工序，最后進(jìn)行存儲(chǔ)，用于商業(yè)用途或者進(jìn)行封存?；瘜W(xué)吸收法有兩個(gè)較為顯著的特點(diǎn)，第一個(gè)是它能夠產(chǎn)生相對純凈的CO2氣流；第二個(gè)是它的技術(shù)到目前為止已然成熟，能夠被商業(yè)使用。選用化學(xué)法進(jìn)行CO2的燃燒后捕集技術(shù)會(huì)增加70%的發(fā)電成本，而吸收劑則能夠在一定程度上降低能量的損傷，同時(shí)也能夠減少化學(xué)吸收過程的投入成本。（2）碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法該方法是通過利用催化劑將二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷、丙烷以及一氧化碳和甲醇與乙醇等基本的化工原料。日本東北電力公司曾將銠-鎂作為催化劑，將二氧化碳與氫按照體積比1:4比例[8]，在一定的溫度與壓力下進(jìn)行混合，形成甲烷。日本東芝公司發(fā)現(xiàn)了另一種更加可行的原料進(jìn)行配合，直接將燃放氣與氫作為基底的乙炔混合，并通過電子束或者激光束對其進(jìn)行激勵(lì)，使其形成甲醇和一氧化碳，并將一氧化碳作為主要原料能夠進(jìn)一步合成甲醇。目前碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法正處在實(shí)驗(yàn)室的研究階段，與工業(yè)大規(guī)模實(shí)用還相差甚遠(yuǎn)。3.物理-化學(xué)法物理-化學(xué)法主要是分解二氧化碳的方法。該方法主要是利用高能射線或者是電子射線等放射線，對含有大量二氧化碳的燃放氣進(jìn)行輻射，使其中的二氧化碳分解成為氧氣和一氧化碳，而一氧化碳通過輻射后又形成了C3O2和O2。目前該方法正處于研究階段，要想實(shí)現(xiàn)工業(yè)化使用，需要進(jìn)一步的研究與實(shí)驗(yàn)。1.5模擬軟件的介紹化工過程模擬是需要根據(jù)實(shí)際的物料流量、溫度和壓力以及組成等工藝操作參數(shù)和一些設(shè)備的參數(shù)通過相應(yīng)的平衡方程、能量平衡以及物理守恒等在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算求解，最后得到工藝操作的過程以及化學(xué)反應(yīng)的過程信息和數(shù)據(jù)的一種方式。化工過程模擬系統(tǒng)是一個(gè)準(zhǔn)確、快速的、綜合性較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)程序，使用該程序能夠節(jié)省大量的資金，同時(shí)還能提升產(chǎn)品的品質(zhì)。目前常用的化工過程模擬軟件主要有AspenPlus、AspenHysys、PRO/ＩＩ，其中、AspenHysys和PRO/ＩＩ常用于煉油工程當(dāng)中，而AspenPlus的應(yīng)用范圍較為廣泛，不僅能夠應(yīng)用在化工過程、聚合過程和煉油過程當(dāng)中，還可以對生物燃料和煤氣化以及電廠等進(jìn)行模擬并優(yōu)化。1.5.1AspenPlus軟件簡介AspenPlus是一款能夠進(jìn)行化工設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算的一種大型通用的流程模擬軟件[9]。其起源于20世紀(jì)70年代后期，由美國的麻省理工學(xué)院領(lǐng)先研究完成，后用于商業(yè)運(yùn)行。經(jīng)過長期不斷的優(yōu)化與改進(jìn)，并進(jìn)行擴(kuò)展提高，應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域和醫(yī)藥領(lǐng)域的工業(yè)流程模擬。該軟件有三個(gè)主要部分組成：（1）物性數(shù)據(jù)庫AspenPlus本身有用兩個(gè)通用的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)還具備幾個(gè)專用的數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫內(nèi)含有500多種氣體物料的數(shù)據(jù)參數(shù)，120多種固體物料的數(shù)據(jù)參數(shù)，還有一些有機(jī)物和無機(jī)物以及水溶電解等物質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)。這些參數(shù)大部分都可直接調(diào)用，進(jìn)行模擬和計(jì)算，以及優(yōu)化和成本的估算等等。使用該軟件可以進(jìn)行熱平衡、物料平衡、能力平衡等計(jì)算，同時(shí)還能夠?qū)に嚨倪^程優(yōu)化進(jìn)行相應(yīng)的模擬。（2）單元操作模塊AspenPlus具備50多種的單元操作模塊，例如塔和泵以及換熱器等等，并將這些的模塊與模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)⑺璧牧鞒棠M出來。而對于二氧化碳的捕集系統(tǒng)來說，更為重要的是能夠?qū)⑽账驮偕膬蓚€(gè)模塊進(jìn)行模擬。同時(shí)，AspenPlus還能夠提供出很多模型的分析工具，例如對靈敏度的分析以及工況的分析等等。（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略對于一個(gè)整體模擬系統(tǒng)的而言，除了必備的數(shù)據(jù)庫和操作單元以外，還應(yīng)具備相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入和結(jié)算策略以及結(jié)構(gòu)輸出等等。由于AspenPlus所具備的強(qiáng)大計(jì)算能力，其已成為國內(nèi)外的相關(guān)研究學(xué)者進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)的必備工具。1.5.2相關(guān)模型在化學(xué)吸收捕集CO2的系統(tǒng)當(dāng)中，E-NRTL是一種常見的物性方法，該方法多用于大量溶劑和溶解氣體的溶液當(dāng)中，使用在中低壓體系當(dāng)中。AspenPlus軟件當(dāng)中的，E-NRTL模型能夠有效的處理濃度不同的氨溶液和混合吸收劑的溶液，這種物性方法最早是Chen[10]等人員提出的，Augsten利用這個(gè)方法搭建了VLE的驗(yàn)證模型，它可以運(yùn)用在H2S和CO2的酸性水溶液，同時(shí)也可以運(yùn)用在氣體凈化的水和氨溶液以及NaC1，和KC1等鹽溶液上。而Soave-Reidlich-Kwong的狀態(tài)方程在化學(xué)吸收法捕集CO2當(dāng)中多用于氣相測。其能夠改進(jìn)R-K的方程，同時(shí)也強(qiáng)化了極性物質(zhì)的限制，而且還考慮到了溫度對常熟的影響，與R-K方程相比，SRK的方程增強(qiáng)了表達(dá)純物質(zhì)氣液的平衡能力，使其能夠進(jìn)行混合物的氣液平衡計(jì)算，其具體的方程式如下式1-2所示：P=RT此式當(dāng)中v所表示的是摩爾體積，T所表示的是體系溫度，R所表示的是理想的氣體常熟。傳統(tǒng)化學(xué)吸收CO2的系統(tǒng)不管是吸收塔的模型亦或是再生塔的模型都是利用平衡法進(jìn)行的技術(shù)，該計(jì)算方式是建立在平衡理論的的理性模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，該方法是假設(shè)氣液在離開塔板時(shí)正在處于熱力學(xué)的平衡狀態(tài)，因此在進(jìn)行模型的的計(jì)算時(shí)，需要保證每塊塔板的物料、相和能量處于平衡狀態(tài)，但是這種假設(shè)無法將塔內(nèi)的實(shí)際狀態(tài)真實(shí)的表現(xiàn)出來，特別是塔內(nèi)的溫度和壓力的分布情況。因此為了更加準(zhǔn)確的模擬出塔內(nèi)的真實(shí)反映情況，提出了Bate-based模型。該模型是建立在傳質(zhì)速率的基礎(chǔ)之上，并輸入它的類別與結(jié)構(gòu)的參數(shù)與停留的時(shí)間以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的參數(shù)等物理力量，來獲取更加精準(zhǔn)的塔內(nèi)狀態(tài)。1.6化學(xué)吸收法的研究現(xiàn)狀在CO2的燃燒后捕集技術(shù)當(dāng)中，其以吸收速度快、吸收的容量大以及CO2的脫除效率高而被廣泛的應(yīng)用在各項(xiàng)研究當(dāng)中。實(shí)際上化學(xué)吸收法不但可以進(jìn)行CO2的捕集，同時(shí)在其他工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中的脫酸性氣體的工藝上也被廣泛的應(yīng)用，并且其技術(shù)也相對成熟。1.6.1化學(xué)吸收法的反應(yīng)機(jī)理（1）氨水的吸收過程氨水作為主要的工業(yè)原料，同時(shí)它也是CO2化學(xué)吸收系統(tǒng)當(dāng)中的主要吸收劑，氨與CO2在無水蒸汽的參與也能夠正常發(fā)生反應(yīng)，生成NH2COONH4，其反應(yīng)為CO2+2NNH3+實(shí)際過程發(fā)生的反應(yīng)較為十分復(fù)雜，具體可以分為以下幾個(gè)步驟：2NH3+CNH2COONH4遇水之后會(huì)進(jìn)一步水解：NH2COON此時(shí)的H2O會(huì)與NH3發(fā)生一定的反應(yīng)過程，進(jìn)而形成NH4OH。體系當(dāng)中水解完成后所產(chǎn)生的NH4OH與NH4HCO3會(huì)進(jìn)一步通過反應(yīng)生成(NH4)2CO3：NH4HC而(NH4)2CO3則能夠進(jìn)行下一步吸收CO2生成2NH3HCO3：（NH4)在NH3-H2O-CO2進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，通過水解而生成的NH4HCO3的濃度也會(huì)隨著提升。在一定溫度條件下，NH4HCO3會(huì)在氨水溶液當(dāng)中飽和后析出晶體。在氨法脫碳的過程當(dāng)中，由于氨水具備較強(qiáng)的吸收負(fù)荷與吸收速率因此受到了很大研究學(xué)者的研究。美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)利用具有氨官能團(tuán)的弱堿性陰離子與樹脂進(jìn)行交換，互生成吸收劑，在50攝氏度到100攝氏度之間的環(huán)境下，對樹脂進(jìn)行加熱再生，可以進(jìn)行多次利用[11]。（2）有機(jī)胺的吸收過程有機(jī)胺作為主要的化學(xué)吸收劑，實(shí)際指的就是酸堿中和反應(yīng)。弱堿和弱酸產(chǎn)生反應(yīng)后會(huì)生成鹽，而且其反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)，也就是在指定條件下鹽還會(huì)重新形成酸和堿。在氨法工藝當(dāng)中，可以根據(jù)氨基的胺原子上面活躍的胺原子，可以具體分為伯胺（MEA）、仲胺（DEA）、叔胺（TEA）等，其中在化學(xué)吸收系統(tǒng)當(dāng)中較為常見的吸收劑是MEA，CO2與MEA的反應(yīng)機(jī)理是在1968年由Caplow首先提出，并在以后的發(fā)展當(dāng)中得到了業(yè)界的公認(rèn)。其具體反應(yīng)過程如下：CO2+H2COHCO3?RNH2+2RNH3+根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的過程可知，1mo1MEA最大可以吸收0.5mo1CO2所生成的氨基甲酸鹽，而且其中的氨基甲酸鹽容易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，最終形成水垢。CO2與一二三級胺的具體化學(xué)反應(yīng)如下表1-1所示：表1-1CO2與一二三級胺的具體化學(xué)反應(yīng)伯醇胺2RNRN2RNH仲醇胺2RR2R叔醇胺2RR3以上闡述的反應(yīng)都屬于可逆反應(yīng)，會(huì)在高壓或低溫、低壓或者高溫的的條件下，向正方向和反方向形進(jìn)行反應(yīng)。在這三級胺當(dāng)中，一級胺和二級胺的CO2的反應(yīng)速率會(huì)比三級胺的CO2反應(yīng)速率快，但是它的最大吸收容量卻比三級胺的最大吸收容量小，所以其存在一定的約束性。一級胺與二級胺與CO2發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)之后會(huì)生成氨基甲酸根離子，但是三級胺內(nèi)并沒有其他的氫原子，因此，三級胺在CO2發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)后，也就不會(huì)生成氨基甲酸根離子。1.7化學(xué)吸收劑的研究現(xiàn)狀進(jìn)行化學(xué)吸收劑的選擇時(shí)，主要可以根據(jù)幾個(gè)方面來進(jìn)行考慮：1.吸收劑的反應(yīng)速率；2.吸收CO2的容量大?。?.再生能耗以及其損失率；4.環(huán)保。即使吸收劑的種類不同，但是在這四方面都具備其獨(dú)有的特性。目前比較常見的化學(xué)吸收劑有：有機(jī)胺吸收劑和無機(jī)溶液吸收劑。而有機(jī)胺吸收劑又分為一級醇胺，例如MEA；二級醇胺，例如DEA；三級醇胺，例如MDEA，以及其的衍生物。而無機(jī)溶液吸收劑又分為氨水和碳酸鹽類吸收劑兩種[12]。這些吸收劑的優(yōu)缺點(diǎn)如下表1-2所示：表1-2常見的化學(xué)吸收劑的優(yōu)缺點(diǎn)吸收劑種類名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)有機(jī)胺溶液MEA吸收反應(yīng)速率快再生能耗大，易氧化降解DEA吸收反應(yīng)速率較快再生能耗較大，易氧化降解MDEA吸收容量大，再生能耗低吸收反應(yīng)速率小AMP吸收容量大，吸收速率較快工藝不成熟，成本較高PZ及其衍生物吸收速率快低CO2負(fù)荷下溶解度較小，有毒，腐蝕性大，價(jià)格高無機(jī)溶液碳酸鹽類無污染，腐蝕性低吸收效果較差氨水吸收速率快，再生能耗低，成本低揮發(fā)性大，結(jié)晶上述吸收劑各有各的特點(diǎn)，但到目前為止的脫酸工藝當(dāng)中，醇胺吸收劑一直都是使用的最為普遍和最為成熟的吸收劑。但是常規(guī)的醇胺類吸收劑卻一直在面對著一個(gè)困難，就是CO2吸收的速率較高，再生的過程較難；或者是再生的過程較為輕松而吸收速率卻與之相反。根據(jù)當(dāng)前已有的有機(jī)胺溶液吸收劑來看，難以滿足吸收速率與再生過程同時(shí)優(yōu)秀的條件。因此，很多相關(guān)研究學(xué)者根據(jù)不同吸收劑的不同特點(diǎn)，通過將兩種或者多種吸收劑進(jìn)行混合，以求尋找更高吸收速率、更高吸收容量、再生能耗低、損失率低的有效混合吸收劑，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一吸收劑。1.8化學(xué)吸收劑的工藝現(xiàn)狀除了傳統(tǒng)的化學(xué)吸收劑脫除CO2的工藝以外，還有已經(jīng)改進(jìn)和完善的化學(xué)吸收系統(tǒng)工藝，完成改進(jìn)的工藝能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)降低再生能耗的目的，但是改進(jìn)完成后的吸收工藝也會(huì)存在一些弊端，例如投資成本高和運(yùn)行效果差等問題，阻礙其無法應(yīng)用在工業(yè)當(dāng)中，致使其滯留在研究階段。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)當(dāng)中現(xiàn)有的化學(xué)吸收技術(shù)工藝，本章選取了幾個(gè)代表性的工藝對其的性能方面的特點(diǎn)進(jìn)行分析。1.8.1分段吸收再生CO2工藝Reddy等相關(guān)研究人員曾經(jīng)提出在吸收塔內(nèi)使用雙段吸收的設(shè)想。吸收塔內(nèi)的一段塔用于脫除NOx/SOx等污染物的工作，而二段塔則用于CO2的脫除工作，以此來完成NOx/SOx/CO2的聯(lián)合脫除工作，同時(shí)還能將設(shè)備整合，減少因設(shè)備過大導(dǎo)致的占地面積過大[13]。但是該系統(tǒng)無法對濃度較低的CO2煙氣進(jìn)行脫除工作，而且還存在亟待解決的廢液問題。該工藝能夠良好的完成SO2與CO2的聯(lián)合脫除工作，在該項(xiàng)工藝流程當(dāng)中，煙氣會(huì)進(jìn)入到水處理區(qū)域內(nèi)進(jìn)行水處理環(huán)節(jié)，降低煙氣入口的溫度，除此之外，此環(huán)節(jié)還能有效的消除煙氣當(dāng)中的粉塵等雜質(zhì)，之后的煙氣會(huì)通過脫除塔，進(jìn)而完成脫除SO2和CO2以及粉塵等雜質(zhì)消除的工作，最終使吸收劑的使用效率得到有效的提高。1.8.2再生塔預(yù)冷凝再生CO2工藝再生塔的預(yù)冷凝再生CO2的工藝是通過吸收塔內(nèi)低溫度的富液溫度低來完成再生塔出口氣體冷卻的目的。該工藝只能將部分再生塔的出口氣體冷卻，冷凝水會(huì)冷卻一部分的出口氣體，而富液則會(huì)冷卻另一部分的出口氣體。該工藝能夠有效的降低冷卻水的消耗量，同時(shí)也能夠縮小冷卻水在過程當(dāng)中所需的能耗，并且還能對富液進(jìn)行預(yù)熱，在一定程度上將富液進(jìn)入再生塔塔頂?shù)臏囟忍嵘?，從而?shí)現(xiàn)增加再生塔內(nèi)富液的CO2再生量。但由于該工藝是利用增加換熱器的方式進(jìn)行的，所以其在一定程度上增大了研究的成本投入。1.8.3富液分流再生CO2工藝富液分流再生CO2的工藝是將吸收塔出口的富液分為兩股物流，使其中的一股物流通過換熱器流入到再生塔的的塔中，而另一股物流則越過換熱器，直接流入到再生塔的塔頂.這個(gè)工藝最早由Eisenberg和IOHNSON提出的，該工藝的主要目的是通過換熱量來提高再生塔的溫度。而Cousinsetal和Lietal則又在此基礎(chǔ)之上將其進(jìn)行了完善[13]，并將其應(yīng)用早安再生的系統(tǒng)之內(nèi)，而且還發(fā)現(xiàn)它的再生耗能能夠降低10%—19.3%。1.8.4蒸汽直接吹掃再生CO2工藝圖1-6蒸汽直接吹掃再生CO2工藝流程示意圖該工藝具體的工藝流程如上圖1-6所示。該工藝會(huì)在本章中第4章進(jìn)行詳細(xì)的模擬與分析，而且這個(gè)工藝不但能夠使用在MEA吸收劑當(dāng)中，同時(shí)也適用在氨水吸收劑當(dāng)中。其最大的優(yōu)勢就是可以使再生塔當(dāng)中的潛熱部分耗能降低，同時(shí)也對不同品味的蒸汽也進(jìn)行了充分的利用。在該結(jié)構(gòu)當(dāng)中增加了蒸汽的回收再利用系統(tǒng)，因此節(jié)省了再沸器等加入設(shè)備的投入。該工藝可以使低熱再生能耗計(jì)算過程當(dāng)中水汽潛熱部分的潛能消耗得到有效降低，由此可見該工藝與傳統(tǒng)的再沸器加熱再生CO2的工藝相比，其能進(jìn)一步的到達(dá)節(jié)能的效果。1.8.5吸收塔中間的冷卻工藝吸收塔間的冷卻工藝是通過在吸收塔中間的部分或者是全部的吸收液引入到吸收塔內(nèi)對其進(jìn)行冷卻，然后在再將其重新注入到吸收塔內(nèi)的一種工藝。由于吸收塔內(nèi)的氣體與液體接觸后會(huì)促使塔內(nèi)的問題提高，但是卻存在溫度上限的問題，所以采取中間冷卻工藝能夠強(qiáng)化吸收塔的CO2傳質(zhì)的推動(dòng)力，使其吸收過程能夠順利進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)CO2脫除的效率。圖1-8吸收塔內(nèi)的溫度分布情況如上圖1-8所表示的在吸收塔內(nèi)不同部位冷卻吸收劑后吸收塔內(nèi)的溫度分別現(xiàn)狀。由此圖可知，在吸收塔的底部進(jìn)行冷卻的效果最佳。而吸收塔中部的吸收能力主要是根據(jù)CO2的傳質(zhì)推動(dòng)力以及反應(yīng)速率的大小來決定的。而在吸收塔的頂部，由于吸收劑的負(fù)荷程度比較小，因此其具備更大的傳質(zhì)推動(dòng)力，同時(shí)也具有較高的溫度并能夠保證其的反應(yīng)速率[14]。1.9本章小結(jié)本章主要對CO2的捕集技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并對現(xiàn)有的捕集技術(shù)進(jìn)行了總體的介紹，同時(shí)也對燃燒后捕集CO2的化學(xué)吸收法和物理吸收法等進(jìn)行了簡單介紹和分析，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。并對本文所使用的模擬軟件AspenPlus的應(yīng)用和模型以及物性方法進(jìn)行相應(yīng)的介紹。以及對化學(xué)吸收法的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并以氨作為主要的吸收劑原料進(jìn)行的研究，簡單的介紹了它的反應(yīng)過程，以及常見的吸收劑的優(yōu)缺點(diǎn)。最后分別介紹了幾個(gè)化學(xué)吸收工藝的流程，主要包括：分段吸收CO2的工藝流程、再生塔塔頂?shù)睦淠鼵O2的工藝流程、富液分流再生CO2的工藝流程、蒸汽直接吹掃再生CO2的工藝流程與吸收塔塔中間的冷卻工藝流程，其中蒸汽直接再生CO2的工藝會(huì)在下文中進(jìn)行詳細(xì)的介紹與計(jì)算分析。第2章氨水脫碳系統(tǒng)模擬第2章氨水脫碳系統(tǒng)模擬2.1氨水脫碳的系統(tǒng)介紹2.1.1氨水脫碳模擬系統(tǒng)圖由于氨水具備一定的高揮發(fā)性，所以氨水脫碳的系統(tǒng)會(huì)比其他的吸收系統(tǒng)多加一項(xiàng)氨脫系統(tǒng)，以求符合氨的排放要求。選擇下圖2-1所示的系統(tǒng)，作為本文使用的氨水脫碳系統(tǒng)。圖2-1氨水脫碳系統(tǒng)示意圖完成脫硫脫硝工藝后的煙氣溫度大概在40攝氏度到50攝氏度左右，煙氣從下到上會(huì)通過氨水吸收塔后被吸收劑吸收將CO2脫除，由于排出的煙氣內(nèi)含有一定濃度的氨，所以排出的煙氣還需要在經(jīng)過洗氨塔的水處理環(huán)節(jié)，洗氨系統(tǒng)與CO2的捕集系統(tǒng)相似。煙氣經(jīng)過水洗后被之間排入到大氣內(nèi)，而氨水在吸收完CO2后則會(huì)變成富液，當(dāng)富液加壓后，貧富液通過換熱器后進(jìn)入到再生塔內(nèi)。富液在再生塔內(nèi)通過再沸器的加熱處理后，再生的CO2會(huì)變出貧液，貧液再經(jīng)過貧富液換熱器的處理加壓和冷凝等，在流入到吸收塔內(nèi)進(jìn)行重復(fù)利用。此過程便是一個(gè)完整的氨水脫除CO2的工藝流程。2.1.2氨水脫碳模擬各模塊介紹該系統(tǒng)主要使用了三個(gè)模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，主要有：吸收塔吸收煙氣當(dāng)中的CO2過程模擬優(yōu)化；再生塔再生CO2的過程模擬優(yōu)化；脫氨洗滌系統(tǒng)的模擬優(yōu)化。其中，吸收塔將脫除CO2的效率和氨發(fā)揮量作為主要衡量吸收性能的標(biāo)準(zhǔn)，再生塔是將再生的能耗和按發(fā)揮量作為主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，脫氨系統(tǒng)則是將是否能夠完成系統(tǒng)的出口氨濃度作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)。2.1.3模擬流程原理本文在進(jìn)行系統(tǒng)的模擬計(jì)算時(shí)，根據(jù)NH3-H2O-CO2體系的特點(diǎn)，選擇了ENRTL-PK的物性方法來進(jìn)行的系統(tǒng)模擬。利用AspenPlus系統(tǒng)當(dāng)中的NH3-H2O-CO2體系數(shù)據(jù)包來進(jìn)行的計(jì)算。由于Rate-based的模型計(jì)算更加準(zhǔn)確，所以選取了該模型進(jìn)行計(jì)算。在模擬過程當(dāng)中所涉及到的反應(yīng)方程具體如下表2-1所示：表2-1模擬當(dāng)中所使用的反應(yīng)方程序號反應(yīng)類型化學(xué)反應(yīng)方程1平衡反應(yīng)N2平衡反應(yīng)23平衡反應(yīng)HC4動(dòng)力學(xué)反應(yīng)O5動(dòng)力學(xué)反應(yīng)HC6動(dòng)力學(xué)反應(yīng)N7動(dòng)力學(xué)反應(yīng)N8成鹽反應(yīng)N通過利用Rate-based模型可以精確的模擬出塔板上的氣液傳質(zhì)過程。上述反應(yīng)方程式所涉及到的反應(yīng)速率r可以通過公式2-1進(jìn)行確定：r=k(T此式當(dāng)中的r所代表的是反應(yīng)速率；E所表示的是活化能；n所表示的是溫度指數(shù)；K所表示的是指前因子。根據(jù)Pinsent等人員[15]發(fā)表文獻(xiàn)當(dāng)中的具體數(shù)據(jù)，在NH3-H2O-CO2體系當(dāng)中的四個(gè)參數(shù)具體的數(shù)值如下表2-2所示：表2-2反應(yīng)參數(shù)反應(yīng)序號KnE，cal/mol44.32×101301324952.38×101702945161.35×101101158574.75×1020016529第2章氨水脫碳系統(tǒng)模擬2.2脫碳過程的模擬由上述可知，由于氨的高發(fā)揮問題，導(dǎo)致吸收塔在吸收完成后的煙氣當(dāng)中還存在一定濃度的氨。本文通過模擬計(jì)算后得到的吸收塔出口煙氣的具體參數(shù)如下表2-3所示：表2-3吸收塔出口煙氣組分煙氣流量（t/h）壓力（bar）溫度（攝氏度）體積分?jǐn)?shù)（%V/V）CO2N2H2ONH310611301.5589.533.925.00化學(xué)吸收的捕集系統(tǒng)當(dāng)中的脫碳設(shè)備與CO2的捕集系統(tǒng)相似，具體結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示：圖2-2捕集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)帶有一定濃度NH3的煙氣進(jìn)入到捕集系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)在捕集的系統(tǒng)當(dāng)中選擇較低濃度的、CO2負(fù)荷較高的氨水溶液作為吸收劑，能夠更高效的吸收煙氣當(dāng)中的氨。氨氣通過洗氨塔處理后使煙氣達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后可直接排放到大氣當(dāng)中，但是在這個(gè)過程中，會(huì)有部分的CO2逃逸，需要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充。通過洗氨塔吸收氨后的吸收劑會(huì)重新經(jīng)過貧富液換熱器，再進(jìn)入到再生塔內(nèi)進(jìn)行再生，再生出的氨能夠?qū)θ笔У陌边M(jìn)行補(bǔ)充，這兩個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)行連接。經(jīng)過該系統(tǒng)排放出的煙氣通過檢測出口氨的濃度，來調(diào)節(jié)循環(huán)吸收劑的用量以保證其符合排放的要求。2.3本章小結(jié)本章主要對氨水脫碳的系統(tǒng)圖進(jìn)行了模擬與介紹，包括模塊和各參數(shù)的設(shè)置以及脫碳過程的模擬。并將過程當(dāng)中的反應(yīng)方程與出口煙氣當(dāng)中的組分進(jìn)行了表述。第3章氨水與MEA吸收劑脫碳特性的比較第3章氨水與MEA吸收劑脫碳特性的比較3.1前言在化學(xué)吸收的整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，MEA吸收劑是氨法脫碳系統(tǒng)吸收電廠煙氣當(dāng)中的CO2是較為典型的，同時(shí)也是最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)。但是在大型的燃煤發(fā)電廠內(nèi)使用以MEA吸收劑為主的化學(xué)吸收系統(tǒng)卻會(huì)影響發(fā)電廠的發(fā)電效率。CSIRO、IEA和DOE的相關(guān)研究部門曾對此進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在大型燃煤電廠內(nèi)使用這項(xiàng)技術(shù)會(huì)降低電廠的凈效率，而捕集CO2的技術(shù)成本也會(huì)增加40-50美元/噸，若是想提高電廠的凈效率以及減少成本的投入，相關(guān)研究學(xué)者不斷進(jìn)行更多的深入研究，尋找更加有效的吸收劑。目前研制出的MDEA、AMP的吸收劑的吸收效率是MEA吸收劑吸收效率的兩倍之多，并且它的再生耗能也相對較低，因此其也也引起了廣泛的關(guān)注，但是它的反應(yīng)速率卻偏慢。Cifernoeral[16]使用7%濃度的氨水與30%分?jǐn)?shù)的MEA進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其耗能與成本的投入都十分理想，而且以氨水作為主要的吸收劑還能對NOX、SOX等不同污染物進(jìn)行脫除。本章主要對氨水與MEA兩種吸收劑進(jìn)行吸收時(shí)的吸收效率進(jìn)行對比，同時(shí)也對二者的吸收特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)敘述與分析。將這二者作為吸收劑時(shí)，它們的吸收工藝與操作過程大致相同。但是氨水與CO2的反應(yīng)過程相對復(fù)雜，它的主要產(chǎn)物包括NH4HCO3、（NH4）2CO3、NH2COONH4等等，其中有種化學(xué)反應(yīng)機(jī)理認(rèn)為NH3會(huì)先行與CO2發(fā)生反應(yīng)，并生成NH2COONH4。CO而后NH2COONH4會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，其過程為：NH當(dāng)水解反應(yīng)生成的氣態(tài)氨會(huì)與液相水發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而生成NH4OH，其過程為：NH在3-2式當(dāng)中，水解產(chǎn)生的NH4HCO3與3-3式當(dāng)中的NH4OH(1)發(fā)生反應(yīng)后會(huì)生成（NH4）2CO3，其過程為：NH最后碳酸銨會(huì)與二氧化碳產(chǎn)生反應(yīng)形成碳酸氫銨，其過程為：(NH上述的反應(yīng)式都屬于可逆反應(yīng)[17]。由于氨水吸收CO2時(shí)，所發(fā)生的的反應(yīng)熱對于MEA吸收CO2時(shí)所發(fā)的反應(yīng)熱，所以在一定程度上，氨水吸收劑能夠良好的降低能耗的消耗。而且氨水在進(jìn)行吸收CO2時(shí)，促使富液內(nèi)存在的CO2負(fù)荷達(dá)到1，而MEA溶液當(dāng)中CO2的最大負(fù)荷是0.5，由此可見氨水吸收劑所具備的吸收CO2的能力更高。同時(shí)若是以氨水溶液作為主要的吸收劑，還能對SOX和NOX等污染物進(jìn)行聯(lián)合脫除，但是氨水吸收劑也存在著一定的缺陷，那就是發(fā)揮性較大的缺點(diǎn)，而這也是導(dǎo)致氨水吸收劑成為主要吸收CO2的關(guān)鍵因素之一。為改進(jìn)氨水吸收劑發(fā)揮性較高的缺陷，A1stom公司研究出了冷氨法工藝[18]。該工藝是將煙氣進(jìn)入到吸收塔之前便將其進(jìn)行冷卻，并將冷卻設(shè)備的溫度控制在0攝氏度到零上10攝氏度左右，以此來實(shí)現(xiàn)降低氨的高發(fā)揮性，而這也是該項(xiàng)技術(shù)所需要的突破的瓶頸。而研制出可以低能耗、低揮發(fā)的化學(xué)吸收劑成為當(dāng)前相關(guān)研究學(xué)者的主要研究方向。MEA溶液吸收劑在吸收CO2的過程當(dāng)中會(huì)發(fā)生以下幾個(gè)反應(yīng)，其具體過程如下所示：2HHCOMEAHCOMEA+H由于MEA溶液吸收劑與氨水溶液吸收劑各自具備其特有的特點(diǎn)，因此在進(jìn)行吸收CO2時(shí)也變會(huì)產(chǎn)生不同的影響，在本章中，會(huì)將氨水與MEA兩種吸收劑在煙氣當(dāng)中吸收CO2的再生效果進(jìn)行分析與比較，并分析這兩種吸收劑的獨(dú)有特點(diǎn)。3.2氨水與MEA的基礎(chǔ)物性參數(shù)比較3.2.1MEA與氨水吸收劑VLE數(shù)據(jù)的對比保證氣液數(shù)據(jù)平衡的精準(zhǔn)度是進(jìn)行化學(xué)吸收系統(tǒng)模擬和計(jì)算的前提，通過將模擬得到的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果進(jìn)行對比，也能夠進(jìn)一步保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確率。氨水溶液與MEA溶液其各自的特點(diǎn)具備不同的VLE平衡數(shù)據(jù)圖，根據(jù)Lee[19]與Muller[20]的試驗(yàn)得出相關(guān)數(shù)據(jù)表3-1。該表表示出了在120攝氏度的條件下，MEA溶液與氨水溶液在不同的CO2的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)的CO2分壓，由該表可知，在相同的CO2負(fù)荷下，氨水的平衡分壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出MEA的CO2平衡分壓，但是這兩種溶液的CO2分壓卻都會(huì)跟著CO2的負(fù)荷增加而增加，而且其趨勢還會(huì)越發(fā)明顯。與此同時(shí)，模擬計(jì)算的結(jié)果也會(huì)隨之CO2的負(fù)荷增加而增加，因此，在利用AspenPlus軟件進(jìn)行模擬時(shí)，需要選取最低的CO2負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行模擬，能夠保證其具備更高的準(zhǔn)確率[21]。表3-1120攝氏度下MEA溶液與氨水溶液的VLE數(shù)據(jù)對比CO2負(fù)荷(molCO2/mol吸收劑)CO2分壓，kPaNH3MEA0.11200.1510500.215750.25251200.3502000.35953100.44500.456253.3氨水與MEA在吸收塔內(nèi)吸收CO2的特性比較3.3.1再生塔內(nèi)溫度分布比較如下表3-2所示，在吸收的煙氣量相同，而且CO2脫除的效率在85%的條件下，將氨水吸收劑與MEA吸收劑作為主要的吸收劑在吸收塔內(nèi)的具體溫度布局圖。這兩種吸收劑在吸收的時(shí)，其溫度的走向趨勢呈現(xiàn)為先上升后下降的狀態(tài)。但氨水溶液在吸收塔的頂端到中間部位，塔內(nèi)的氣液兩相溫度卻是呈現(xiàn)平緩上升的狀態(tài)。但是在再生塔中間到底部的部位，吸收塔內(nèi)的溫度分布情況呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，但是吸收塔塔底部位的液相溫度卻呈現(xiàn)出快速降低的狀態(tài)。當(dāng)以MEA作為主要的吸收劑時(shí)，吸收塔塔內(nèi)的溫度呈上升趨勢，直到到達(dá)最高點(diǎn)后會(huì)急速下降，直到塔間的位置后其溫度會(huì)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。在吸收塔內(nèi)，MEA吸收劑的平均溫度會(huì)高出氨水吸收劑的平均溫度，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因包括下述幾點(diǎn)：MEA在吸收CO2時(shí)所產(chǎn)生的反應(yīng)熱要比NH3吸收CO2時(shí)的反應(yīng)熱要高出許多，所以以MEA作為主要的吸收劑時(shí)，吸收塔塔頂?shù)臏囟葧?huì)超過以氨水作為主要吸收劑時(shí)的吸收溫度；還有就是MEA吸收劑的反應(yīng)速率高出氨水吸收劑的反應(yīng)速率，因此以MEA作為主要的吸收劑時(shí)，吸收塔內(nèi)的溫度提高的較為迅速，然后由于反應(yīng)完全發(fā)生而導(dǎo)致的散熱大于放熱，促使吸收塔內(nèi)的溫度急速下降；氨水與CO2的反應(yīng)過程較為緩慢，所以導(dǎo)致塔內(nèi)的溫度變化也較為平緩，整體呈現(xiàn)出先緩慢上升然后保持平緩的狀態(tài)。表3-2MEA和氨水作為吸收劑時(shí)吸收塔內(nèi)的溫度分布離塔頂距離（m）液相溫度（MEA）氣相溫度（MEA）液相溫度（NH3）氣相溫度（NH3）057583130564643432.5105857.54037.51550504543204444464625404046463037.537.546473536364647.54035.535.54749453535445350353535353.3.2CO2吸收反應(yīng)速率的比較圖3-1MEA與氨水吸收劑傳質(zhì)速率的比較在比較不同的吸收劑的性能時(shí)，比較其CO2的反應(yīng)速率是一種較為有利并較較為基礎(chǔ)且重要的內(nèi)容，反應(yīng)速率與吸收塔的大小有直接的連續(xù)。比如MEA在進(jìn)行吸收時(shí)，其反應(yīng)速率若是降低50%，要想能夠達(dá)到相同的反應(yīng)結(jié)果，就要將反應(yīng)接觸的面積擴(kuò)大一倍，而這就需要將吸收塔的徑塔高加大。上圖3-1所表示的是在不同的負(fù)荷狀態(tài)下，濕塔壁對MEA和氨水吸收劑的與CO2的反應(yīng)速率的測定結(jié)果[22]?？梢钥闯鯟O2吸收反應(yīng)速率受溶液中CO2負(fù)荷、吸收劑溫度和濃度三個(gè)方面影響?？偟膩碚f，氨水的反應(yīng)速率比MEA的反應(yīng)速率低。3.3.3貧液CO2負(fù)荷對液氣比的影響比較使用7wt%的氨水與30wt%的MEA溶液來吸收相同的煙氣量，能夠得到在不同負(fù)荷下兩種不同吸收劑的液氣比—L/G，即液體摩爾流量與氣體摩爾流量。液氣比主要用途是對液體吸收劑的吸收能力進(jìn)行衡量的，如果液氣比較大就說明吸收劑的吸收能力較低，如果液氣比較小那就說明吸收劑的吸收能力較強(qiáng)。如下表3-3所示，在CO2負(fù)荷小的的狀態(tài)下，MEA的液氣明顯要比氨水氣液高，而當(dāng)CO2的負(fù)荷不斷進(jìn)行提高后，MEA的液氣比開始比氨水的液氣比小。從總體上來講，氨水溶液的吸收能力更強(qiáng)。下表當(dāng)中的MEA溶液的液氣比比氨水溶液的液氣比上升迅速的原因是，從理論上來講，MEA溶液的CO2負(fù)荷只能達(dá)到0.5，而氨水溶液的CO2負(fù)荷卻能夠達(dá)到1[23]。表3-3貧液CO2負(fù)荷對液氣比的影響CO2負(fù)荷(molCO2/mol吸收劑)L/G(mol液/mol氣)MEANH53.3.4貧液溫度的影響比較下表3-4表示出了貧液溫度的變化對脫除CO2的效率影響。當(dāng)貧液的溫度增高后，MEA溶液與氨水溶液對CO2的脫除效率就會(huì)產(chǎn)生一定下降的現(xiàn)象。當(dāng)貧液的溫度從10攝氏度上升至60攝氏度后，MEA溶液脫除CO2的效率就會(huì)從99%下降到92%，其降低的幅度在7%，而出口氣體的CO2濃度也會(huì)在0.04上升到0.8%，該變化較小。而氨水溶液的CO2脫除效率卻呈先小幅度上升，然后急速下降的狀態(tài)，會(huì)先在90%上升到99.7%，然后下降至51%，該變化的最大降低幅度達(dá)到了48.7%，而此時(shí)的出口氣體當(dāng)中的CO2濃度也由0.3%上升到5.2%。此現(xiàn)象充分的表明了氨水吸收劑度貧液溫度的影響程度，在溫度升高時(shí)，一方面能夠增加其反應(yīng)速率，而另一方面因按時(shí)吸收的過程屬于可逆過程，所以溫度升高會(huì)強(qiáng)化反應(yīng)向逆方向發(fā)展。表3-4貧液溫度對CO2脫除效率的影響貧液溫度，℃CO2脫除效率，%出口氣體中CO2濃度，%NH3MEANH3MEA1090990.30.12090961.10.63082942.40.84071933.50.95061924.40.760519.5煙氣溫度的影響比較下圖3-2所表示的是在不同的煙氣溫度下，不同貧液的溫度對MEA溶液與氨水溶液脫除CO2的效率影響。實(shí)際上，降低煙氣的溫度能夠有效的提高脫除CO2的效率。貧液溫度處于20、30、40、50攝氏度時(shí)，MEA溶液脫除CO2的效率會(huì)隨著溫度的降低而提升。在相同煙氣溫度的條件下，貧液溫度的下降能夠強(qiáng)化脫除CO2的效率。而在MEA溶液當(dāng)中，煙氣溫度對CO2脫除的效率影響高于貧液溫度對CO2脫除效率的影響。而煙氣的溫度變化對于20和30攝氏度的氨水溶液脫除CO2的影響較低，但是對于40和50攝氏度的氨水溶液脫除CO2的影響較強(qiáng)。同時(shí)，氨水溶液對于貧液溫度變化影響大于煙氣溫度變化的影響，由此可見以氨水溶液作為主要的吸收劑時(shí)，需要加強(qiáng)對溫度的控制。圖3-2煙氣溫度對MEA于氨水吸收劑的脫除CO2效率的影響3.4氨水與MEA在再生塔內(nèi)再生CO2的特性比較3.4.1再沸器熱負(fù)荷對再生效果的影響比較衡量吸收劑性能的有效辦法之一就是利用再生能耗，再生能耗的核心部分就是再沸器的熱耗，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中低再生能耗的吸收劑可以有效的減輕運(yùn)行成本，MEA溶液與氨水溶液是完全兩個(gè)不同的物質(zhì)，其自身也有不同的優(yōu)點(diǎn)，總體來講分辨物質(zhì)之間的再生優(yōu)勢主要要從再生能耗的高低來看。在實(shí)驗(yàn)中將負(fù)荷為0.8的CO?和7wt%氨水與負(fù)荷為0.5的CO?與30wt%的MEA融合并作為富液，來比較出完全不同的富液在再生塔中產(chǎn)生的不同的吸收效果。如下表3-5所示，兩個(gè)吸收劑在完全不同的熱沸器里發(fā)生的熱負(fù)荷情況下，先后通過各自的冷凝器后產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生其各自CO?的量，如表3-5所示，MEA溶液與氨水溶液各自產(chǎn)生的CO?的量,與再沸器熱負(fù)荷的變化有關(guān)，變化大則產(chǎn)生的CO?的量就多，反之則相反，其根本原理就在于當(dāng)熱沸器的負(fù)荷增大時(shí)，再生塔中富液會(huì)出現(xiàn)劇烈的變化，同時(shí)其自身的溫度也會(huì)提高，這種現(xiàn)象會(huì)讓CO?的壓力升高將原本為液體形態(tài)的CO?轉(zhuǎn)化為氣體形態(tài)，大大的增多了CO?的行成量。如表3-5所示，用氨水作為富液的吸收劑通過冷凝之后，再生塔口的CO?的變化是先多后少，甚至在特定的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)CO?產(chǎn)量為零的情況；反觀來看以MEA作為富液的吸收劑的再生塔口的情況沒有太大的變化，其具體表現(xiàn)就是CO?在通過冷凝后的量相比于冷凝之前的量會(huì)減少。兩種不同的吸收劑出現(xiàn)這種差異情況的根本就在于兩種吸收液自身本質(zhì)的不同所帶來的最后效果也會(huì)不同，氨水富液在實(shí)驗(yàn)的過程中會(huì)出現(xiàn)熱負(fù)荷升高的情況，而隨著負(fù)荷的升高CO?則會(huì)出現(xiàn)分壓的現(xiàn)象，CO?分壓的同時(shí)氨水也會(huì)出現(xiàn)同樣的狀況，這個(gè)時(shí)候氨水就會(huì)出現(xiàn)液相倒流氣相的情況。另一種情況就是冷凝過后，會(huì)導(dǎo)致水中附帶的NH?、H?O以及CO?出現(xiàn)重新發(fā)生化合反應(yīng)的情況，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致CO?的產(chǎn)量急劇下降，嚴(yán)重的甚至可能會(huì)出現(xiàn)完全被反應(yīng)的情況。表3-5再沸器熱負(fù)荷對CO2產(chǎn)量的影響再沸器熱負(fù)荷影響WCO2產(chǎn)量kg/h未冷凝，NH3冷凝后，NH3未冷凝，MEA冷凝后，MEA2000.710.620.350.354000.920.790.50.58001.150.650.590.5916001.500.610.613.4.2冷凝溫度對再生效果的影響比較再生塔內(nèi)的吸收劑會(huì)在解吸后進(jìn)入到冷凝器進(jìn)行降溫冷凝，完成冷凝的部分液體會(huì)在流入到再生塔內(nèi)進(jìn)行循環(huán)利用。而完成冷凝后的氣體則會(huì)進(jìn)入到壓縮的系統(tǒng)當(dāng)中，通過將其加壓推進(jìn)液化的CO2進(jìn)行下一步驟。下表3-6所表示的是MEA溶液與氨水溶液吸收劑在不同的冷凝溫度下所產(chǎn)生的CO2量。當(dāng)以MEA溶液作為吸收劑時(shí)的再生系統(tǒng)，出口氣體當(dāng)中的CO2濃度會(huì)隨著冷凝溫度的降低而提升。當(dāng)冷凝的溫度在20攝氏度時(shí)，出口氣體當(dāng)中的CO2濃度會(huì)達(dá)到98%，而其產(chǎn)量卻并沒有發(fā)生變化。主要原因就是在進(jìn)行冷凝時(shí)，將再生塔的出口氣體當(dāng)中存在的水蒸氣轉(zhuǎn)化成了液體，而液態(tài)的CO2其本身的溶液度較低。當(dāng)以氨水作為主要吸收劑的再生系統(tǒng)當(dāng)中，冷凝溫度在70攝氏度時(shí)，水蒸氣無法被正在的冷凝下來，冷凝器的出口部分會(huì)出現(xiàn)完全是氣體組分的現(xiàn)象。而當(dāng)冷凝溫度在20攝氏度時(shí)，冷凝器的出口氣體當(dāng)中存在的CO2濃度會(huì)高達(dá)98%，甚至以上，而氨氣的濃度也會(huì)維持在100ppm之內(nèi)。當(dāng)冷凝的溫度正在降低時(shí)，雖然再生塔出口氣體當(dāng)中的CO2濃度有所增強(qiáng)，但實(shí)際上其產(chǎn)量并不理想。主要的原因在于，隨著冷凝溫度不斷的下降，越來越多的水蒸氣會(huì)被冷凝。此時(shí)，由于氨的發(fā)揮性，再生塔的出口氣體當(dāng)中還會(huì)存在一定程度的氨氣。在冷凝溫度較低的情況下，冷凝后的水蒸氣會(huì)與氨氣和CO2發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，并生成碳酸氫銨一類的晶體或者是液滴，因此導(dǎo)致了再生塔出口CO2的產(chǎn)量低下的現(xiàn)象發(fā)生[24]。表3-6冷凝溫度對CO2產(chǎn)量的影響冷凝溫度，℃CO2產(chǎn)量，kg/hCO2濃度，%MEANH3MEANH300.650.9499.599.5100.650.949999200.650.9459898300.650.959595400.650.9559191500.651.018885600.651.128071700.651.1769603.4.3再生壓力對再生效果的影響比較控制再生塔操作的另一個(gè)關(guān)鍵就是再生塔內(nèi)的再生壓力，同時(shí)它也對再生的效果起著至關(guān)重要的作用。再生塔內(nèi)的壓力提升會(huì)使再沸器內(nèi)吸收劑的溫度提升，而吸收劑溫度在提高同時(shí)也促使液相當(dāng)中的CO2分壓提升，而這也就促使了液相與氣相的傳質(zhì)推動(dòng)力得到增強(qiáng)。表3-7再生壓力對再生效果的影響再生塔壓力，bar再生能耗，MJ/kgCO2塔底溫度，℃MEANH3MEANH886914.82.41058424.52.4512710034.42.514011144.52.615011855.12.715512065.52.815912375.92.916112586.4316312697.13.051641271083.1165128上表3-7所表示的是在不同的再生壓力下，MEA與氨水吸收劑在塔底的溫度以及再生塔的能耗情況。在以MEA為吸收劑時(shí)，一旦再生壓力增強(qiáng)，再生的能耗就會(huì)表現(xiàn)出先減小在增強(qiáng)的狀態(tài)，當(dāng)其處于3bar時(shí)，再生能耗的消耗最低。同時(shí)該圖也反應(yīng)處理再生塔的壓力變化對氨水吸收劑在效果的影響。再生塔壓力的變化對氨水吸收劑的影響并沒有MEA吸收劑的影響敏感，在1-3bar之間幾乎保持不變的狀態(tài)。但是壓力一旦超出3bar后，隨著壓力的增加，再生能耗也會(huì)隨之提高[25]3.4.4再生能耗的比較化學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中的自身能耗主要由：富液溫度提高過程當(dāng)中需要吸收的顯熱、CO2再生過程當(dāng)中的再生反應(yīng)熱、水蒸氣的汽化潛能等三個(gè)部分組成的。在這三個(gè)部分的再生能耗當(dāng)中，再生反應(yīng)熱占據(jù)主導(dǎo)地位。但是由于不同吸收劑的不同特點(diǎn)，使得這三部分的再生能耗的占據(jù)比例也有所不同。下圖3-3顯示了7wt%，CO2負(fù)荷為0.8氨水溶液與30wt%，CO2負(fù)荷為0.5的MEA溶液的再生過程當(dāng)中的吸收劑吸收的顯熱占比。圖3-3氨水溶液與MEA吸收劑的反應(yīng)熱與顯熱以及潛熱占比3.5本章小結(jié)本章以7wt%的氨水溶液與30wt%的MEA溶液作為實(shí)驗(yàn)所用的吸收劑進(jìn)行分析，并針對這兩種吸收劑的吸收與再生的性進(jìn)行了比較與分析。并展示出MEA吸收劑與氨水吸收劑的VLE數(shù)據(jù)，和MEA吸收劑和氨水吸收劑在吸收塔的實(shí)際溫度，并對煙氣和貧液溫度對兩種吸收吸收效果的影響以及再沸比和冷凝溫度與再生壓力對兩種吸收劑的再生效果的影響進(jìn)行了分析與比較。第4章蒸汽直接再生CO2系統(tǒng)模擬第4章蒸汽直接再生CO2系統(tǒng)模擬4.1前言進(jìn)行傳統(tǒng)的CO2再生時(shí)，需要較大的蒸汽量才能進(jìn)行CO2的再生，而且還要使用再沸器對所需要的蒸汽進(jìn)行加熱當(dāng)再生塔內(nèi)的溫度達(dá)到一定程度時(shí)，富液就會(huì)解吸CO2。這種再生CO2的方法與過程因其結(jié)構(gòu)較為簡單，且操作方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的使用。但是這種發(fā)生因其需要大量的水蒸氣，而且其換熱的效率也偏低，會(huì)導(dǎo)致燃煤電廠的熱效率嚴(yán)重低下。而且該生產(chǎn)方式的再生能耗也相對較大，根據(jù)相關(guān)研究證明，將30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MEA溶液作為吸收劑，利用傳統(tǒng)的再沸器再生CO2的方式，其最理想的再生能耗也需要3.2-4MJ/kgCO2，并且還會(huì)有效的降低燃煤電廠的機(jī)組供電效率下降。因此，相關(guān)研究人員應(yīng)對吸收再生等工藝方面進(jìn)行深入研究，還需要對再生塔的塔內(nèi)結(jié)構(gòu)和再生工藝的方式以及進(jìn)料的位置等全方面進(jìn)行研究與改進(jìn)[26]。傳統(tǒng)的再生塔的再生能耗計(jì)算是由水汽化潛熱和吸收劑反應(yīng)熱以及顯熱等三個(gè)主要部分組成的。通過有關(guān)研究資料證明，反應(yīng)熱的能耗大概占據(jù)了51%、顯熱的能耗大概占據(jù)了26%，汽化潛熱大概占據(jù)了23%。根據(jù)此項(xiàng)資料可知，汽化潛熱的能耗要比其他部分的能耗要多。根據(jù)傳統(tǒng)再生系統(tǒng)的缺點(diǎn)，法國的電力集團(tuán)曾提出了蒸汽直接吹掃的再生CO2系統(tǒng)，該方式通過將燃煤電廠的過熱蒸汽抽取，并將其直接引入到再生塔內(nèi)進(jìn)行吹掃再生CO2。該方法能夠有效的增強(qiáng)CO2的傳質(zhì)推動(dòng)力，而且還能夠降低再生過程當(dāng)中的水汽化潛熱能耗。另外，該方法與傳統(tǒng)的再生塔相比，該方法的系統(tǒng)并不需要過高的過熱度，并且其對電廠的運(yùn)行效率影響的程度也較小。4.2蒸汽再生CO2系統(tǒng)模擬過程4.2.1模擬過程設(shè)置利用AspenPlus模擬軟件進(jìn)行蒸汽直接吹掃再生CO2系統(tǒng)的模擬與分析，其中主要用到的系統(tǒng)模塊有Column，Heater，Pump，F(xiàn)lash，Cooler等幾個(gè)主要模塊，具體的模擬流程結(jié)構(gòu)如下圖4-1所示：第4章蒸汽直接再生CO2系統(tǒng)模擬圖4-1蒸汽直接吹掃再生CO2流程模擬結(jié)構(gòu)示意圖富液吸收劑會(huì)從吸收塔的塔頂進(jìn)入，而吹掃蒸汽會(huì)直接從再生塔塔底的最后一塊塔板進(jìn)入塔內(nèi)，再生過程當(dāng)中的出口氣體會(huì)通過塔頂?shù)睦鋮s環(huán)節(jié)后，進(jìn)入到閃蒸分離的設(shè)備內(nèi)進(jìn)行氣液兩相的分離[27]。其中液相的部分會(huì)以液態(tài)的形態(tài)重新進(jìn)入到再生塔內(nèi)完成再利用，而氣相的部分則會(huì)以最終的出口氣體排出塔內(nèi)。模擬計(jì)算的結(jié)果會(huì)根據(jù)出口氣體當(dāng)中的CO2再生率進(jìn)行計(jì)算，并查看再生塔內(nèi)的溫度分布以及液氣兩相的濃度分布狀態(tài)等數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比對分析。富液吸收劑在再生塔模型當(dāng)中模擬再生過程當(dāng)中所涉及到的化學(xué)反應(yīng)如下表4-1所示：表4-1模擬過程當(dāng)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)序號反應(yīng)類型反應(yīng)方程式1平衡反應(yīng)MEA2平衡反應(yīng)HCO3平衡反應(yīng)2H4動(dòng)力學(xué)反應(yīng)CO5動(dòng)力學(xué)反應(yīng)HCO6動(dòng)力學(xué)反應(yīng)MEA+7動(dòng)力學(xué)反應(yīng)MEACOO在表4-1當(dāng)中的1、2、3屬于電力平衡反應(yīng)，4、5、6、7則屬于動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)速率r由下列公式4-8得到確定：r=k(T此式當(dāng)中的r所表示的是反應(yīng)速率常數(shù)；K所表示的指前因子；n所表示的溫度指數(shù)；E所表示的活化能，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)如下表4-2所示：表4-2反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)反應(yīng)序號KnE，cal/mol44.32e+1301324952.38e+1702945169.77e+1009855.872.18e+18014138.44.3蒸汽直接吹掃再生CO2模擬結(jié)果分析4.3.1再沸器熱功率對傳統(tǒng)再生效果的影響如下表4-3所示，在不同的再沸器負(fù)荷下，出口氣體的再生速率和貧液當(dāng)中CO2的負(fù)荷變化狀態(tài)?？偟膩碚f，再沸器的負(fù)荷增大會(huì)促進(jìn)CO2的再生速率。此模擬結(jié)果所顯示再沸器熱負(fù)荷在50W-200W區(qū)間，再生的速率和貧液當(dāng)中的CO2負(fù)荷的變化反應(yīng)較大。而當(dāng)再沸器的熱負(fù)荷大于200W-400W時(shí)，再沸器的熱負(fù)荷提高對CO2的再生速率促進(jìn)作用逐漸降低。此現(xiàn)象說明貧液當(dāng)中的CO2負(fù)荷與CO2的再生速率相反，其會(huì)隨著再沸器的加熱功率的增強(qiáng)而降低。表4-3不同再沸器熱負(fù)荷下CO2的再生速率，貧液CO2的負(fù)荷模擬值再沸器熱負(fù)荷(KW)CO2再生速率(mol/min)貧液CO2負(fù)荷(mol/mol)1000.1150.362000.130.343000.1650.314000.180.285000.20.276000.220.2657000.2250.268000.230.264.3.2蒸汽過熱溫度對CO2再生效果的影響表4-4蒸汽過熱溫度對CO2的再生速率和貧液當(dāng)中的CO2負(fù)荷影響過熱溫度℃CO2再生速率(mol/min)貧液CO2負(fù)荷(mol/mol)100.190.27200.1910.268300.1920.266400.1930.264500.1940.262蒸汽吹掃的過熱溫度是衡量蒸汽特性的重要指標(biāo)之一，上表4-4表示了吹掃蒸汽過熱溫度在10攝氏度上升到50攝氏度的過程當(dāng)中CO2的再生速率與貧液當(dāng)中CO2的負(fù)荷變化形態(tài)，該結(jié)果表明特定的過熱蒸汽的溫度改變，不能大幅度影響到CO2的再生速率與貧液當(dāng)中的CO2負(fù)荷。4.3.3再生塔壓力對CO2再生效果的影響決定吸收劑的最大再生溫度的主要因素就是再生塔的再生壓力。下表4-5所示，在0.3kg/h、0.6kg/h、0.9kg/h、1.2kg/h、1.5kg/h、2.0kg/h蒸汽吹掃量的條件下，再生塔的壓力從1bar上升到5bar過程當(dāng)中的CO2再生速率的變化形態(tài)。結(jié)果表明，在前三組的蒸汽吹掃量的工況下，CO2的再生速率會(huì)隨著再生塔壓力的提高而下降。而在1.2kg/h的吹掃量條件下，再生塔的壓力在增加時(shí)，CO2的再生速率會(huì)想提升然后下降，此時(shí)的再生壓力值達(dá)到3bar。而在1.5kg/h與2.0kg/h的蒸汽吹掃量的工況下，CO2的再生速率會(huì)隨著再生塔壓力的增強(qiáng)而出現(xiàn)平緩上升的形態(tài)[29]。表4-5再生塔壓力對CO2再生速率的影響再生塔壓力barCO2再生速率(mol/min)蒸汽流量0.3kg/h蒸汽流量0.6kg/h蒸汽流量0.9kg/h蒸汽流量1.2kg/h蒸汽流量1.5kg/h蒸汽流量2.0kg/h10.13250.230.2350.2350.2450.25130.090.13510.2640.070.1550.26550.050.090.140.1950.260.2744.3.4蒸汽吹掃量對CO2再生效果的影響在蒸汽直接吹掃再生CO2的系統(tǒng)當(dāng)中，蒸汽吹掃量決定了加熱的功率，同時(shí)也決定了再生CO2的效果，是一個(gè)較為重要的操作量。下表4-6所示的，蒸汽吹掃量在0.25kg/h上升到2.5kg/h的變化過程當(dāng)中，再生CO2速率與貧液CO2的變化。當(dāng)吹掃量增加后，再生速率也開始提高，當(dāng)吹掃量到達(dá)1kg/h時(shí)，CO2的再生速率開始平穩(wěn)。當(dāng)蒸汽吹掃量從1kg/h上升到2.5kg/h時(shí)，CO2再生速率開始呈現(xiàn)緩慢上升的形態(tài)。

表4-6蒸汽吹掃量對CO2再生速率的影響蒸汽流量(kg/h)CO2再生速率(mol/min)貧液CO2負(fù)荷(mol/mol)0.250.1350.350.500.1750.290.750.20.261.00.220.2451.250.2350.23251.750.2420.222.00.2450.2152.250.2450.2054.3.5不同填料對CO2再生效果的影響化學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中的吸收與再生的朗格反應(yīng)過程都涉及到了氣液兩相的傳熱傳質(zhì)過程。該過程當(dāng)中的傳質(zhì)速率主要涉及到了系數(shù)H，和擴(kuò)散系數(shù)D以及化學(xué)反應(yīng)速率r等等。不同種類的填料其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也不相同，同時(shí)它對液氣兩相的接觸過程當(dāng)中的傳染傳質(zhì)效率的影響也不一樣。下表4-7所示的是，使用Aspenplus軟件模擬的CY，IMTP，SuperPak，MellaPak，MellaPakplus等五種不同的填料，蒸汽對再生CO2的再生效果影響。根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)吹掃蒸汽的流量提高時(shí)，CO2的再生速率會(huì)呈現(xiàn)出先提速后平穩(wěn)的形態(tài)。但是，在相同的蒸汽吹掃量的條件下，填料種類的不同使CO2的再生速率也會(huì)不同。當(dāng)在相同的再生條件下，對這物種填料進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在再生塔內(nèi)以CY為填料時(shí)，它的再生速率與其他填料相比要高。而MellaPak和MellaPakplus填料在再生塔內(nèi)的CO2再生速率貼近，SuperPak和IMTP填料再生CO2的速率貼近，而且都低于CY，MellaPak，MellaPakplusCO2的再生速率。另外，模擬結(jié)構(gòu)還顯示出在吹掃量小的情況下，這五種填料對再生CO2的再生速率影響基本相同。表4-7不同填料對CO2再生速率的影響蒸汽流量(kg/h)CO2再生速率(mol/min)CYIMTPSuperPakMellaPakMellaPakPlus650.1650.1690.1690.750.200.210.2290.2080.2090.2240.2231.250.2360.2140.2150.2310.22190.220.2350.2321.750.2440.2230.2240.2360.23520.2470.2250.2250.2390.2392.250.2490.2270.220.25420.2424.4蒸汽回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)蒸汽直接吹掃再生CO2系統(tǒng)的最大優(yōu)勢就是，再生塔的出口蒸汽能夠通過回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)回收再利用，蒸汽回收系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)如下圖4-2所示：圖4-2蒸汽回收系統(tǒng)的利用系統(tǒng)再生塔的出口氣體主要是H2O與CO2的混合物。其經(jīng)過換熱器進(jìn)行冷卻，然后用過閃蒸汽將氣相的CO2分離并進(jìn)入到壓縮系統(tǒng)，而水蒸氣的部分則被回收，并通過加熱器完成加熱后重新被利用此過程能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵因素就是分離器當(dāng)中的水蒸氣回收率對換熱器傳熱端差的作用能否滿足換熱器的換熱要求[31]。4.5本章小結(jié)本章主要對蒸汽直接吹掃再生CO2的過程進(jìn)行的有關(guān)模擬，并對其結(jié)果進(jìn)行分析。通過對CO2再生速率的一些影響因素進(jìn)行分析，包括再沸器熱負(fù)荷、蒸汽過熱溫度、再生塔壓力、蒸汽流量和不同填料。發(fā)現(xiàn)蒸汽流量對再生速率影響較大，蒸汽過熱溫度對再生速率影響較小。填料因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)不同所以對再生速率影響也不同，總的來說CY填料表現(xiàn)最好。結(jié)論結(jié)論隨著幾百年的發(fā)展，煤炭、石油、天然氣等石化燃料成為主要的能源消耗品，在對其進(jìn)行使用和利用的過程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了過去的排放水平。人類的亂砍亂伐、胡亂開采、大批的農(nóng)田以及森林被改造成城市或者工廠，使植被的生存環(huán)境被嚴(yán)重破壞，同時(shí)也使得CO2被轉(zhuǎn)化成有機(jī)物的能力被影響。再加上地球表面的水域面積不斷的減小，降水量不斷減少，也導(dǎo)致CO2的溶解條件被不斷的減弱。因此，將CO2捕集，吸收并解吸將其加以利用成為當(dāng)今社會(huì)相關(guān)研究工作人員的首要任務(wù)。基于此，本文主要將MEA與氨水吸收劑作為主要的研究對象進(jìn)行的相關(guān)研究，主要包括以下幾個(gè)方面：第一，以氨水作為主要的吸收劑，模擬300MW的燃煤電廠煙氣當(dāng)中的CO2進(jìn)行吸收，并