华润锦州电厂年捕集量160万吨CCS.doc

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1、华润锦州电厂年捕集量160万吨CCS&U子系统项目 初步设计说明书目 录第1章 总论11.1 编制依据11.2 编制原则11.3 项目总述11.4 项目可行性分析21.5 项目审核21.6 厂区及生产概况21.7 原料来源21.8 设计工艺3第2章 总图运输42.1 厂址概况42.2 厂址的气候、交通运输条件52.3 厂区布置52.3.1 车间布置范围52.3.2 设计规范62.4 主要布置理念62.5 分区说明62.5.1 生产区布置62.5.2 辅助车间布置72.5.3 绿化布置72.5.4 车间布置82.6 合成车间布置图8第3章 工艺方案93.1 概述93.2 二氧化碳捕集方案设计93

2、.2.1 溶剂吸收分离法93.2.2 固体吸附法103.2.3 膜分离方法113.2.4 膜基吸收123.2.5 其它捕集方法133.2.6 工艺技术方案比较和选择133.2.7 双效精馏节能原理153.2.8 捕集工艺方案选择163.2.9 CO2捕集工艺方案流程173.3 二氧化碳的利用183.3.1 二氧化碳的直接利用183.3.2 二氧化碳的化学利用193.3.3 二氧化碳利用方案比较243.4 二氧化碳封存243.4.1 碳酸盐矿石固存253.4.2 海洋处置CO2253.4.3 CO2的地质储存253.4.4 生物封存273.4.5 二氧化碳封存方案比较283.5 CO2利用工艺方

3、案流程293.5.1 工艺流程示意图293.5.2 工艺条件选择293.6 物料衡算313.6.1 物料衡算原理313.6.2 物料衡算结果323.7 能量衡算323.7.1 能量衡算原理323.7.2 能量衡算结果333.8 初步设计结果333.8.1 工艺流程图333.8.2 物料衡算图333.8.3 带控制点的工艺流程图33第4章 设备设计和计算及选型344.1 膜接触器设计344.1.1 概述344.1.2 设计原则344.1.3 中空纤维膜组件选择344.1.4 膜接组合方式设计354.1.5 塔式膜接触器设计364.2 塔设备设计与选型374.2.1 概述374.2.2 T101低

4、压塔设计374.2.3 T102高压塔设计414.2.4 T202 精馏塔设计444.2.5 塔设备的制造474.3 反应器设计474.3.1 概述474.3.2 反应器的设计474.4 其它设备选型524.4.1 换热器选型524.4.2 压缩机设计与选型53第5章 自动控制555.1 自控水平和主要控制方案555.2 仪表类型的确定555.3 标准化555.3.1 泵的控制选择的标准。555.3.2 离心压缩机的控制选择565.3.3 换热器的控制选择575.4 工艺各单元自动控制585.4.1 膜接触塔Y101的控制585.4.2 解析塔低压塔T101的控制595.4.3 解析塔高压塔T

5、102的控制605.4.4 反应塔T201的控制615.4.5 反应塔T201的控制62第6章 设备布置及管道布置646.1 车间设备布置646.1.1 捕集车间设备646.1.2 合成车间设备布置646.1.3 合成车间布置图656.2 管道铺设656.2.1 管道铺设原则656.2.2 管道敷设666.3 管道轴测图67第7章 给水与排水687.1 给排水设计设计标准与依据687.2 给排水系统设计687.2.1 供水687.3 排水707.3.1 生产用水70第8章 节能与环保728.1 热量集成技术与节能工艺728.1.1 概述728.1.2 换热网络优化728.1.3 换热网络设计7

6、78.1.4 公用工程情况828.2 主要换热路线83第9章 空压站、氮站、冷冻站859.1 设计依据859.2 空压站859.2.1 工艺用压缩空气859.2.2 仪表空气869.3 氮站869.3.1 设计总则869.3.2 氮封装置879.4 冷冻站879.4.1 冷却水系统879.4.2 冷却塔设计88第10章 供热8910.1 蒸汽系统设计标准与依据8910.2 供热系统设计8910.2.1 蒸汽冷凝水系统8910.2.2 本分厂的用蒸汽项目90第11章 采暖通风与空气调节9111.1 采暖通风与空气调节设计标准与依据9111.2 采暖通风与空气调节系统设计9111.2.1 设计范围

7、9111.2.2 设计目标9111.2.3 通风系统9111.2.4 采暖系统92第12章 储运设计9312.1 设计依据9312.2 原料和辅助原料9312.2.1 环氧丙烷9412.2.2 N-甲基二乙醇胺（MDEA）9412.2.3 乙醇胺（MEA）9512.2.4 二氧化碳9512.3 产品9512.4 厂内运输设计96第13章 维修9713.1 设计原则与依据9713.2 设备维护9713.2.1 压力容器定期检修9813.2.2 压力管道的操作与维护9913.3 维修人员的配备与管理10013.3.1 维修人员的主要任务10013.3.2 人员要求101第14章 技术安全与防火及卫

8、生10214.1 物料性质10214.2 工艺参数10214.2.1 设计规范10214.2.2 危险性分析10314.3 消防方案10314.3.1 消防措施10314.3.2 火警探测系统10314.3.3 自动报警系统104第15章 供电与电信10715.1 供电与电信系统设计标准与依据10715.1.1 设计依据10715.1.2 设计范围10715.1.3 用电负荷及负荷性质10715.1.4 供电电源10815.2 供电方案10815.2.1 变电所和配电间10815.2.2 总降压变电所设计10915.2.3 继电保护的选择与整定10915.2.4 生产车间环境特征11015.2

9、.5 工业建筑电气照明11015.2.6 防雷和接地111第16章 劳动安全与卫生11316.1 设计准则11316.2 设计中采用的主要安全卫生防护措施113第17章 土建11617.1 土建设计标准与依据11617.1.1 土建设计原则11617.1.2 土建设计所需工艺条件11717.2 建筑设计11817.2.1 建筑设计范围118附录I 物料衡算119附录II 热量衡算126附录III 化工用泵选型说明131附录IV 换热器选型说明137附录V 各捕集方案的模拟对比149附录VI 设备一览表165第1章 总论1.1 编制依据1、2010“三井化学杯”第四届大学生化工设计竞赛指导书。2

10、、现行相关设计标准、规定、规范。3、化工投资工程可行性研究报告编制办法。4、华润电力锦州电厂提供的相关基础资料。1.2 编制原则1、选用先进的生产工艺技术和设备运用高效节能技术减少捕集成本，降低再生能耗，提高经济效益。2、以生产安全性、经济性、环保性为前提，严格遵照相关章程和规定。3、厂区平面布置以安全合理、环境优美为目标，满足相关安全规定和细则，并充分考虑扩建的可能性。4、合理安排热集成，尽可能降低能耗。1.3 项目总述19世纪以来，在人类的生产力水平不断提升的同时，消耗了大量的矿石能源，大量的二氧化碳排放到空气中造成了气候变暖。到目前为止，气候变暖已经是一个涉及到人类社会和经济发展的重大问

11、题。减少二氧化碳排放是国际社会可持续发展所面临的一项重要任务。燃煤电厂烟气在工业二氧化碳排放总量中占了相当大的比例，从燃煤电厂的烟气中对二氧化碳进行捕集，在源头上减少CO2气体的排放，并实现绿色化利用，是人类目前解决气候变暖及能源枯竭的关键所在。膜基气体吸收是膜分离与溶剂吸收气体技术相结合的新型气体分离过程, 具有稳定的传质界面、高比表面积、高传质效率、能耗低、装置体积小、操作稳定和弹性大等优势，是目前最为理想、最为经济的二氧化碳捕集设备。膜接触器，能在两个互不混溶相之间产生非分散接触并且提供了更大的接触面积, 并克服了传统接触设备的液泛、雾沫夹带、沟流、鼓泡等缺点，是一种全新的、更加有效的接

12、触传质方法。在气体吸收时，膜接触器能提供比传统的吸收塔大30倍的接触面积；在液-液接触时，膜接触器能提供比传统的接触设备大500倍的接触面积。近20年，膜基气体吸收在分离和回收CO2方面得到了迅速发展，目前研究工作主要集中在高性能溶剂和膜材料的开发、传质模型的建立、高效率膜组件的设计。因此，膜基吸收法必将成为一种效率最高、成本最低的二氧化碳捕集方法。碳酸丙烯酯（Propylene Carbonate，简称PC）又称碳酸丙二醇酯，俗称丙碳，为无色或微黄色透明液体，可溶于水和四氯化碳，与乙醚、丙酮、苯等混溶。作为一种优良的极性溶剂，碳酸丙烯酯主要用于高分子作业、气体分离工艺、电化学以及纺织、印染等

13、领域，还可用作增塑剂、纺丝溶剂、烯烃和芳烃萃取剂等，是高能电池及电容器的优良介质，它也是一种重要的有机化学品, 是酯交换法生产碳酸二甲酯的重要原料。根据相关领域发展趋势，2012年国内PC消费总量将达22.5万吨，20092012年年均增长率在17%左右，项目具有广阔的市场前景。利用二氧化碳和环氧丙烷合成碳酸丙烯酯是一种较为成熟的工艺路线，是典型的原子经济性反应，符合绿色化学的发展方向。1.4 项目可行性分析通过可行性研究论证后，从经济利益角度上，本项目投资发电成本上浮可控制在30%以内。前提是能够保证国家相关优惠政策及时到位、产品的销售价格和足够的市场（包括出口）以及相关工业项目能够得到共同

14、开发。其中，原料供应是否充足、国家各项优惠政策是否及时到位是能否盈利的主要控制因素。1.5 项目审核经过可行性分析本项目从项目规划、产业布局、发展重点、水资源平衡、运输安全、环境保护、项目管理和风险防范等方面，基本符合国家有关对化工行业的规范和要求。1.6 厂区及生产概况厂区位于辽宁省锦州市华润电力锦州电厂旁，总占地面积32.1亩。厂区分为产前区、生产区、生产辅助区和储罐区。1.7 原料来源本项目为华润电力锦州电厂分厂，紧邻辽河油田，项目所需的原料环氧丙烷可全部由当地石化企业提供，由于短管路运输，可大大降低运输成本。二氧化碳完全由本厂捕集所得成本较低。同时该地交通便利，在特殊情况下，环氧丙烷可

15、通过海运、公路、铁路从国外或我国其它地区获得。1.8 设计工艺本项目捕集工艺采用膜接触器，解吸过程运用双效精馏技术，能有效降低能耗、减少捕集成本。以捕集到的二氧化碳为原料，利用锦州市丰富的石化产品环氧丙烷（PO），采用寿命较高的非均相催化剂，利用南京聚拓化工科技有限公司所研发的专利“多向侧流径向固定床反应器”生产附加值高的碳酸丙烯酯（PC）。产品市场需求量大，生产过程符合原子经济型绿色环保、原料成本低廉、利用率高。同时，将其余二氧化碳注入当地辽河油田进行封存同时提高石油产量。第2章 总图运输2.1 厂址概况锦州地处辽宁省西南部，北依松岭山脉，南临渤海辽东湾，与葫芦岛、锦州、朝阳、阜新构成一小时

16、经济圈。锦州市地貌结构为“三山一水三分田，二分道路和庄园”。地势西北高、东南低，从海拔400米的山区，向南逐渐降到海拔20米以下的海滨平原。山脉连绵起伏，东北部有医巫闾山脉，西北部有松岭山脉，大、小凌河、女儿河横贯境内。锦州市地理位置优越，区位优势独具特色。锦州南临渤海，北依松岭山脉，位于著名的“辽西走廊”东端，是连接中国东北地区和华北地区的交通枢纽。锦州物华天宝，地产丰饶，素有“海上锦州”的美誉。锦州市拥有海岸线总长97.7公里。近海水域面积12万公顷，沿海滩涂面积26.6万亩，25万亩近海渔场。锦州还是辽宁省主要产盐区之一。矿产资源有石油、天然气、煤炭、石灰石、膨润土、萤石、花岗岩等。全地

17、区目前已发现矿种有48个，已开发利用22个，膨润土储量为亚洲第一。图2-1 锦州市地貌图2.2 厂址的气候、交通运输条件锦州市位于中纬度地带，属于温带季风性气候，常年温差较大，全年平均气温8一9。年降水量平均为540一640mm，无霜期达180天。气候主要特征是：四季分明，各有特色，季风气候显著，大陆性较强。为发展农、林、牧、渔各业提供了良好的条件。2006年完成机耕面积513.5万亩，机播面积399.0万亩，机收面积127.2万亩。农田水利建设得到加强，有效灌溉面积175.5千公顷，其中节水灌溉面积43.5千公顷。锦州市地理位置优越，区位优势独具特色。锦州南临渤海，北依松岭山脉，位于著名的“

18、辽西走廊”东端，是连接中国东北地区和华北地区的重要交通枢纽。有“四省通锦”之说。京哈铁路、锦承铁路、秦沈铁路客运专线、京哈公路、京沈高速公路、辽宁滨海公路横贯全境。锦阜、锦朝高速公路及102线国道使锦州与周边城市形成了“一小时城市群”。锦州港是中国沿海最北部的一类开放商港，已跻身于中国港口二十强。锦州机场是辽宁省西部唯一一座达国际4C级标准的民航机场，已开通锦州北京中转联航，可飞往全国各地。优越的地理位置，发达的海陆空立体交通体系，大大增强了锦州的城市影响力和经济、文化的辐射力，也为锦州市建设区域性中心城市和现代物流中心城市奠定了天然的基础。2009年省政府批准修建辽宁锦州湾国际机场，辐射辽西

19、5市。锦州港拥有4油、3集、8杂15个生产性泊位和1个辅助性泊位，2005年港口吞吐量完成3000万吨，集装箱20.1万标箱。公路总里程达到3622公里，黑色路面铺装率、二级以上公路比重、高速公路里程都居辽西之首。全市拥有营运公共汽车537辆，运营线路网长度467公里，运营出租车3884辆。2.3 厂区布置2.3.1 车间布置范围根据本CCS&U系统工艺过程及相关设备的选择，进行总平面布置和各车间布置。CCS&U分厂分由五部分区域组成，包括二氧化碳捕集区、PC合成车间、原料与产品储运区、辅助生产区以及行政生活区。车间布置设计包括车间厂房布置和车间设备布置。其中，车间厂房布置的范围主要是五部分区

20、域的总平面布置以及的交通线路布置。车间设备布置用以确定各个设备在各车间的平面布置以及立面布置。2.3.2 设计规范 企业厂区总平面布置设计规范SHT3053-2002化工企业总图运输技术规定HG/T20649-98建筑设计防火规范GBJ16-87工业企业总平面设计规范GB50187-932.4 主要布置理念 工厂总平面图应在贯彻节约用地原则的基础上，满足工厂的生产、运输、安全要求； 按功能分区，功能分区内各项设施的布置应紧凑、合理；在符合生产流程、操作要求和使用功能的前提下，建筑物、构筑物等设施应联合多层布置，厂区、功能分区及建筑物、构筑物的外形宜规整；工厂总平面图布置应考虑工厂发展的可能性及

21、妥善处理工厂分期建设问题。2.5 分区说明 2.5.1 生产区布置生产区包括原料储罐区、捕集车间、合成车间、冷冻站以及生产过程控制室。 2.5.2 辅助车间布置 1）变电站 变电站位于厂区南侧边缘，靠近总厂大路，方便电线的进出。变电站周围设置围栏，构成了一个相对独立的区域，可以确保安全生产。 2）中心控制室 总控制室位于南侧边缘，与冷冻站相邻，并且与各个车间相邻。位于主导风向的上风向，是全场自动控制的中心，实时监控生产区、储罐区及各辅助生产设施的运行情况，同时负责与各部门的联系，调整生产指标。 3）中央化验室 化验室位于中部靠路边边缘区域，与储罐区生产区相近。检测原料、产品质量，保证生产的正常

22、进行，负责日常的检测与化验工作。 4）维修站 维修站位于厂区的中部区域靠西南侧，占地面积300m2，内部间隔有机修、仪修、电修等小车间，分区布置可以避免维修车间之间的相互干扰。同时，维修站与生产车间保持较远距离，可以防止维修车间产生的火星引起易燃易爆液体发生爆炸。5）消防站 主消防站位于厂区中部区域靠西南侧，对生产车间、行政区、辅助车间的辐射距离均小于100m。道路设置使厂区发生火灾时，车辆可迅速到达现场。 6）装卸台 装卸台设置在产品DMC储罐旁的空地，靠近工厂2号大门，负责产品的装卸运送，周围道路宽阔，交通便捷。2.5.3 绿化布置 厂区进行了充分的绿化，在办公大楼的前专设绿化地，可以美化

23、环境。在一些建筑物的四周植有草坪，消减生产过程中产生的污染物。罐区地面植有大量草坪，发展用地上也进行了充分的绿化。2.5.4 车间布置1）捕集车间布置为三层厂房，长为30m，宽为30m，高度为15m，总占地面积为900m2，主要包括Y101膜接触器1座、T101低压解析塔1座、T102高压解析塔1座、烟道气储气柜1座、鼓风机1台、离心泵18台、各塔的再沸器、离心泵区及换热器区组成，具体布置见图集。一层平台长宽均为15m，离心泵区摆放14台离心泵，以及9台换热用泵及6台备用泵。泵与泵之间的距离大于0.7m，泵列与泵列之间的距离大于2.0m，考虑到平台由方形柱体支撑，对泵体进行合理摆放。一层平台布

24、置图见图集。2）捕集车间布置图 1、车间平面图包括：各个平台俯视图共 3 张，装置区的范围、方位、尺寸和坐标；2、车间立面图包括：膜接触器解吸塔设备立面图1张，换热器位置，各层的相对标高，设备编号；详见工艺设计施工图内的捕集车间平面立面图。3）合成车间布置合成车间长为6.0m，宽为6.0m，由固定床反应器T201、T202精馏塔、各塔的再沸器、离心泵区及换热器区组成。合成车间采用室外露天布置，塔系与多层平台相连，便于流体的输送以及物流的换热，满足生产进行的同时节省空间，便于集中控制。合成车间在满足碳酸丙烯酯生产的工艺条件下，各塔以裙座支撑于地面基础上，按照塔与塔之间的距离为1.0-3.0m的要

25、求，取塔之间的距离为3.0m。2.6 合成车间布置图 1、车间平面图包括：各个平台俯视图共2张，装置区的范围、方位、尺寸和坐标。2、车间立面图包括：反应器反应精馏塔设备立面图1张，换热器位置，各层的相对标高，设备编号。详见工艺设计施工图内的合成车间平面立面图。第3章 工艺方案3.1 概述工业设计主要说明本设计的具体情况，主要包括捕集工艺设计、产品工艺设计、工艺条件选择、封存方式设计、物料衡算书、能量衡算书等。3.2 二氧化碳捕集方案设计目前有很多技术都可以用于烟气中CO2的有效脱除，但没有哪种技术是普遍适用的。对于不同的捕集要求，应该选用不同的工艺过程和工艺条件。目前工业上采用的CO2分离方法

26、主要有：溶剂吸收法、变压吸附法、膜分离法、低温分离法、O2/CO2循环燃烧法和这些方法的组合应用等。以上这些方法在经济性、选择性以及适用性等方面都存在各自的特点，目前在工业上应用最为广泛的脱碳方法主要是溶剂吸收法和变压吸附法。3.2.1 溶剂吸收分离法1）胺类吸收法以乙醇胺类作吸收剂的方法有MEA（乙醇胺）法、DEA（二乙醇胺）法及MDEA（N-甲基二乙醇胺）法等。工业上最先使用的是三乙醇胺（TEA），但由于CO2的吸收效率低和溶剂的稳定性差，因而逐渐被MEA和DEA所取代。他们可以降低吸收液的腐蚀并提高其抗降解性，常常用来脱除酸性气体。胺基类溶剂的蒸汽压一般比较低，因此可以在较高的浓度下进行

27、操作，从而可以提高CO2的吸附负荷。MEA具有较强的碱性，与CO2反应速率较快，具有吸收速度快、吸收能力强的特点。MEA法存在的主要问题是装置的能耗较高，且MEA的氧化降解较严重。目前正准备通过优化吸收/再生工艺的结构及使用抗氧化添加剂等措施以降低操作成本 与常规醇胺法比，新工艺开发成功后约可降低捕集成本50%以上MEA适合在CO2分压力较低的情况下应用，吸收率受操作压力影响不大，既可在高压下操作，也可在常压下操作，操作温度与烟气温度相当。同时，MEA在醇胺类吸收剂中碱性最强，反应速度快，吸收能力在醇胺类溶剂中最强，因此，MEA法比较适合用于烟气中CO2回收。2）热钾碱法热钾碱法是一种极具发展

28、前景的吸收/再生脱碳工艺。它以哌嗪（piperazine）为活化剂，此法包括一个在加压下的吸收阶段和一个常压下再生阶段，吸收温度等于或接近再生温度。采用冷的支路，特别具有支路的两段再生流程可以得到高的再生效率，从而使净化尾气中的CO2分压很低。这种脱除CO2的方法在工业上得到了广泛的应用，其吸收能力为水洗法的5倍，热耗、电耗均大幅度下降。但是高温下K2CO3水溶液吸收法再生能耗大，选择性差，且CO2气体负荷容量大，需要很高的循环速度和大量的吸收塔，对设备的腐蚀也比较严重。3）氨法脱碳氨水喷淋法是化学吸收法的一种与MEA 法相比，氨水具有明显的优势：吸收容量高达1.2 kgCO2 / kg NH

29、3；溶液单价成本仅为MEA的1/6。缺点是普通碳铵不稳定，挥发损失大，吸收的碳易分解重返大气，削弱了CO2的吸收效率；吸收反应需要在较低温度下进行，低于10，烟气降温耗能较大。吸收工艺流程如下：图3-1 溶剂吸收工艺流程3.2.2 固体吸附法固体吸附分离是基于气体与吸附剂表面上活性点之间的分子间引力实现的。CO2的吸附剂一般为一些特殊的固体材料，如：沸石、活性碳、分子筛等。吸附过程又分为变压吸附（PSA）和变温吸附（TSA）。PSA法是基于固态吸附剂对原料其中的CO2有选择性吸附作用，高压时吸附量较大，降压后被解吸出来进行的。TSA法则是通过改变吸附剂的温度来吸附和解吸CO2。通常工业上较多采

30、用PSA法。但该法的吸附容量有限，需要大量吸附剂，吸附解吸频繁，要求设备自动化程度高。目前正在研究开发应用PSA法回收烟道气中CO2的新技术。图3-2 变压吸附工艺流程3.2.3 膜分离方法膜法气体分离的基本原理是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同，从而达到分离目的。对不同结构的膜，气体通过膜的传递扩散方式不同，因而分离机理也各异。膜分离法在海水淡化，污水处理等方面都早已实现工业化，但在 CO2分离方面还处于试验阶段。迄今应用的CO2分离膜，其材质主要有：醋酸纤维、乙基纤维素、 聚苯醚及聚砜等。目前用于从烟气中回收CO2的膜材料的选择性不够好，因此要使回收的CO2达到理想的

31、纯度，必须使用多级分离系统。但是使用多级膜分离系统使压缩气体所需要的能量大大增加，因而导致分离技术成本远高于MEA湿法吸收。采用固体膜分离气体面临着难以解决的选择性高时通透性低，通透性高时选择性就差的矛盾。应用膜分离法分离烟道中的CO2目前还处于探索阶段。采用液体膜既可使通透性和选择性的矛盾得到较好的解决，又可保留膜分离固有的特点，是一项很有希望的分离技术。目前对于分离烟道气中CO2的液膜研究，主要集中在含流动载体的液膜。但用液膜分离气体时，溶剂会连续地在原料气体中挥发，载体和原料气体中的杂质常常产生不可逆反应，导致载体失效。因此，该工艺要实现工程应用，还要解决好溶剂的挥发性损失和载体失效问题

32、。图3-3 膜分离过程3.2.4 膜基吸收膜基气体吸收是膜分离与溶剂吸收气体技术相结合的新型气体分离过程，具有稳定的传质界面、高比表面积、高传质效率、能耗低、装置体积小、操作稳定和弹性大等优势。传统的气液、液液接触操作主要的挑战是通过增加两流体间的接触面积来提高传质速率。尽管几十年来这些传统的接触设备一直是化学工业的支柱，然而它们的一个主要缺点是两流体完全混合接触，因此导致了接触的两种流体的相互依赖性，而且有些接触设备还会产生液泛、雾沫夹带、沟流、鼓泡等现象。膜接触器克服了这些缺点，它能在两个互不混溶相之间产生非分散接触并且提供了更大的接触面积，是一种全新的、更加有效的接触传质方法。膜接触器可

33、提供15003000m2/m3的接触面积，而传统塔设备只能提供100800m2/m3。在气体吸收时，膜接触器能提供比传统的吸收塔大30倍的接触面积；在液液接触时，膜接触器能提供比传统的接触设备大500倍的接触面积。近20年，膜基气体吸收在分离和回收CO2方面得到了迅速发展，目前研究工作主要集中在高性能溶剂和膜材料的开发、传质模型的建立、高效率膜组件的设计。图3-4 膜基吸收工艺流程3.2.5 其它捕集方法低温分离法是通过低温冷凝分离CO2的一种物理过程，它利用CO2与其他气体组分沸点的差异，通过低温液化，然后蒸馏来实现CO2与其他气体的分离。低温分离包括直接蒸馏、双塔蒸馏、加添加剂和控制冻结等

34、方法。直接蒸馏会导致在蒸馏塔内形成CO2固体，这种工艺主要用于提高原油回收率，在石油开采过程中，向油层注入CO2可提高采油率。该方法设备庞大、投资大、工艺复杂、能耗较高、分离效果较差，限制了其用于化石燃料燃烧排放气中CO2的分离回收。目前，应用低温蒸馏法回收烟道气中的CO2尚处于理论研究阶段，在未来的整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）或者O2/CO2烟气循环系统中比较有前景。3.2.6 工艺技术方案比较和选择1）各种捕集工艺方案比较表3-1 各捕集工艺方案比较表捕集方法优点缺点现状溶剂吸收 吸收速率快；吸收能力强设备腐蚀大；再生能耗高；溶剂损失量大中试；工业化阶段膜分离 膜的堆砌密度高；

35、体积小； 设备费用低；能耗低 设备寿命短；清洗困难探索阶段膜基吸收 设备体积小； 传质面积大；传质速率快 传质阻力大；易被污染基础研究阶段变压（变温）吸附工艺过程简单；能耗低；投资少；吸附剂使用寿命长 操作复杂； 占地面积大；设备费用高中试阶段2）各种吸收剂性能比较表3-2 常用吸收剂性能吸收剂种类优点缺点一级醇胺（MEA） 吸收速率快；价格便宜腐蚀性强；热容量高； 解析能耗大；溶剂损失量大多级醇胺（MDEA、ATP） 吸收速率快；热容量低 吸收容量低； 腐蚀性强；再生能耗大复合溶液（PZ+MDEA等） 吸收速率快； 设备腐蚀小；再生能耗相对较低成本高氨水（NH3H2O） 再生能耗低； 价格便

36、宜；吸收速度快 设备腐蚀严重； 挥发性大； 溶剂损失量大；产品纯度低热钾碱（K2CO3）吸收容量高 热容量高； 再生能耗大；腐蚀性强强碱（NaOH、KOH）脱碳效率高 价格昂贵；无法再生3）各种捕集方案经济性比较国际能源署温室气体研究和开发计划组织(GHGR&D)和世界上一些机构共同对几种典型电力生产系统采用各种烟气分离CO2的方法进行了分析。表3-3给出了亚临界煤粉电站锅炉采用化学吸收法、膜吸收法，膜分离法和变压吸附法的经济性分析数据，对于变温(变压)吸附法和低温蒸馏法，由于过高的烟气压缩、脱水和CO2脱除费用，都没有考虑在内。表3-3 各分离方法经济性比较方案发电效率%电力成本$/kwh脱

37、碳成本$/tCO2PF+FGD39.90.049-膜分离31.10.07847膜分离+MEA29.70.07545MEA29.10.07735PSA28.50.11484TSA29.50.117-由表3-3可见，膜分离法对电厂效率的影响最小，但是脱除CO2费用最高，发电成本也最高，使电力生产成本增长了59，膜吸收法和化学吸收法对电厂发电效率的比膜分离法稍大，但是两法仅使电力生产成本增长53左右。化学吸收法脱除CO2的费用最低仅$355/tCO2，膜吸收法脱除CO2的费用为$45/tCO2，两者均低于膜分离法，从长远来看膜吸收法和化学吸收法更有潜力。而膜吸收法与MEA化学吸收法相比，也有一定的优

38、越性。目前，很多研究者对燃煤火电机组分离回收烟气中CO2进行了技术经济性比较，都认为膜吸收法和化学分离法是两种最经济的分离回收方法。3.2.7 双效精馏节能原理双效精馏的原理是重复利用给定数量的能量来提高精馏设备的热力效率。精馏系统由不同操作压强的塔组成，利用较高压力的塔顶蒸气作为相邻压力较低的精馏塔再沸器的热源，此较低压力精馏塔的再沸器即为较高压力精馏塔的冷凝器，塔顶蒸气的汽化潜热被系统本身回收利用。因此在较大程度上降低了精馏装置的能耗。双效精馏按照加热蒸气与物流的流向，分为顺流法、平流法和逆流法等工艺流程，其中双效平流精馏节能效果最好。双效平流精馏操作流程是物料在高低压塔分别进料，高、低压

39、塔顶和塔底分别得到相当纯的再生气和冷凝液，工作蒸气只输入高压塔的再沸器，高压塔产生的塔顶蒸气作为低压塔再沸器的热源，如图3-5所示。对于双效平流的精馏流程，由于低压塔塔底排出的是水溶液，即使是常压精馏，低压塔塔底的温度也较高，而作为低压塔再沸器和加热热源的高压塔塔顶蒸气的温度必须高温。这样就使高压塔在较高压力下工作。同时，高压塔再沸器工作蒸气压力要求更高。图3-5 双效平流精馏操作流程3.2.8 捕集工艺方案选择目前工业上采用的CO2分离方法中溶剂吸收法较为成熟，但能耗加大，捕集经济成本较高而难以大规模应用；膜分离方法占地面积小、能耗低、是一种较为经济的方法，但是膜自身的选择性和透过性本身就是

40、一对矛盾，所以尽管近年来膜分离方法研究比较多，但由于膜分离自身的局限性仍然难以在二氧化碳捕集中得到广泛的应用；变压吸附操作复杂且该方法的吸附容量有限，需要大量吸附剂，吸附解吸频繁，要求设备自动化程度高，其在工业上应用还需要进一步探索。膜基吸收方法，是目前所有的方法中最经济的方法，它具有传质界面稳定、比表面积高、传质效率高、耗低能、装置体积小等优势，各种理论研究也均较为成熟。和其它吸收剂相比复合溶液是一种吸收速率快、设备腐蚀小、再生能耗较低的优良吸收剂。因此，我们选择了以复合溶剂为吸收剂的膜基吸收方法，解析过程运用双效平流精馏方案以降低解析能耗。3.2.9 CO2捕集工艺方案流程1）工艺流程示意

41、图图3-6 CO2捕集工艺流程示意图2）各工艺方案能耗比较为了便于和其它工艺方案比较，我们对其它常规方法进行了模拟，对比可以发现本项目捕集方案具有能耗低、吸收剂用量少、设备费用小等明显优势。换热网络优化后各种捕集方法循环吸收剂用量及公用工程消耗如表3-4。表3-4 各种CO2捕集工艺公用工程用量对比捕集工艺工艺A工艺B工艺C工艺D工艺特点溶剂种类MEAMEA+MDEAMEA+MDEAMEA+MDEA吸收工艺塔式吸收塔式吸收膜基吸收膜基吸收再生工艺单塔精馏单塔精馏单塔精馏双效精馏吸收剂循环量（tonnes/h）2815.591809.481214.881212.38热公用工程用量（MW）857.

42、2515.9384.9202.8冷公用工程用量（MW）78.9783.03199.8200.5总公用工程用量（MW）936.17598.93584.7403.33.3 二氧化碳的利用CO2是一种重要的工业气体，食品业、化学工业、机械工业、农业、商业、运输、石油开采、国防、消防等部门都有广泛的应用。近年来，全球CO2市场一直吃紧，出现供不应求的局面。回收的CO2中约40%用于生产其它化学品，35%用于提高油采收率，10%用于制冷，5%用于饮料碳酸化，其他应用领域占10%。3.3.1 二氧化碳的直接利用1）工业方面CO2保护焊接是一种公认的效率高、成本低、省时省力的焊接方法，并具有可变形小、油锈敏

43、感性低、抗裂、致密性好。与手工电弧焊相比，自动CO2气体保护焊接的功效可提高25倍，半自动可提高12倍，能耗下降50%。我国CO2焊接保护气仅占全部焊接的5%，发达国家67%，全球平均水平为23%，发展前景十分乐观。利用CO2超临界萃取。目前国内有关研究部门已经利用该技术提纯100多种生物的精素，尤其是在生物制药领域和食品保健等品方面，国内已经有几套工业装置。我国国内现有7套用CO2作烟丝膨胀剂，烟草行业如果全部用CO2作烟丝膨胀剂，按我国目前烟草产销规模，每年所需消耗CO2约30104吨。CO2在使烟丝膨化中降低焦油和尼古丁的含量，提高香烟等级，还可节省烟5%6%，降低了成本。烟丝膨胀技术已

44、成为卷烟厂技术改造重点，应用于我国多家大型卷烟厂。在其他方面，CO2保鲜是国际上广泛应用的较现代化的方法；CO2用作泡沫塑料发泡剂比氟氮烃类发泡剂对环境污染小、用量小、易于回收利用、无毒等优点。2）食品方面目前我国饮料和啤酒消费量远远低于发达国家，人均只有5kg/a，而美国等发达国家人均达到150kg/a以上。据文献报道, 美国在20世纪80年代CO2的需求量已达到400104t/a。随着我国人民生活水平的日益提高，预计对食品级CO2的需求量也将大幅、增加。若按美国现行人均消费水平，我国在5年内对食品级CO2的需求量将达到1000104t以上。近年来，CO2作为饮料添加剂已得到广泛的应用。随着

45、国外饮料企业集团在中国安家落户及国内饮料迅速发展，食品级CO2用量逐年上升，其生产方法也成为热门话题。3）农业方面植物叶绿素在光合作用下吸收CO2产生植物淀粉，这是植物生长的自然规律。用CO2制成气肥，加大植物生产空间中CO2浓度，可增加植物的干物质从而达到增产的目的。由山东农科院、大连人工公司研制成的CO2气体肥，在山东、河北、河南、辽宁、吉林、黑龙江等省大面积推广，根据推广使用情况，每菜大棚的增产幅度在20%60%之间。建设35kt/aCO2气肥装置(有高纯度的CO2气源)，设备投资仅十几万元，年利润可达百万元，所以潜在着巨大的发展市场。3.3.2 二氧化碳的化学利用CO2的化学利用是实现CO2循环利用的重要手段之一，尤其是规模较大的化工生产中大量利用CO2对其减排起到了举足轻重的作用。目前，已经开发和研究出了以CO2为原料的多种化学产品，如图3-7所示。其中非常成熟的工艺包括合成尿素、合成水杨酸、生产纯碱、碳酸钙等无机碳酸盐等过程。此外，还开发了利用CO2生产可降解塑料工艺等。目前，正在开发的化学产品生产技术，包括甲醇、合成气、合成低碳烯烃、合成二甲醚、合成各种有机碳酸酯以及合成聚碳酸酯等。1）生产无机化工产品以CO2为原料已工业化生产的无机化工产品有尿素、碳酸盐类白炭黑和硼砂等。尿素的