CO2吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬

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CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬1密 級(jí)學(xué) 號(hào) 070384畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬院 （ 系 、 部 ） ： 機(jī)械工程學(xué)院姓 名：年 級(jí)： 環(huán) 071 班專 業(yè)： 環(huán)境工程指 導(dǎo) 教 師 ： 朱玲教 師 職 稱 ： 副教授2011 年 6 月 10 日·北京CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬2北 京 石 油 化 工 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 任 務(wù) 書學(xué)院（系、部）機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè) 環(huán)境工程 班級(jí) 環(huán) 07-1 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師/職稱 朱玲/ 副教授 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬2.任務(wù)起止日期： 2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 10 日3.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容與要求（含課題簡介、任務(wù)與要求、預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)、原始數(shù)據(jù)及應(yīng)提交的成果）課題簡介：電廠燃煤煙氣所排放的 CO2 會(huì)造成溫室效應(yīng)和全球氣候 變化，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題?；瘜W(xué)吸收法處理煙氣中的 CO2 是一種簡單、高效的凈化技術(shù)，已經(jīng)逐步得到推廣應(yīng)用。本課題的內(nèi)容包括：對(duì) CO2 化學(xué)吸收工藝中主要設(shè)備 吸收塔，熱交換器、氣提塔進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)其泵和 風(fēng)機(jī)等輔助系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算選型。同時(shí)使用 UG 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行三維模擬。通過該設(shè)計(jì)可提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和解決問題的能力，提高學(xué)生的 綜合能力、科研水平和 創(chuàng) 新意識(shí)。原始數(shù)據(jù)：（1）處理量：150m 3/d（2）CO2濃度：9%（3）凈化效率：95%以上。應(yīng)提交的成果：1. 檢索資料：中文文獻(xiàn)不少于 12 篇，英文文獻(xiàn)不少于 4 篇；2. 開題報(bào)告或文獻(xiàn)綜述；3. 英文文獻(xiàn)原件及其翻譯后的文件； CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬34. 有關(guān)設(shè)計(jì)的至少 3 張 A0 圖紙或者相當(dāng)于 3 張 A0 圖紙的圖量；5. 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。4.主要參考文獻(xiàn)（1）有關(guān) CO2 脫除方面的書籍； （2）有關(guān)吸收塔、氣提塔設(shè)計(jì)方面的書籍； （3）有關(guān)熱交換器設(shè)計(jì)方面的書籍； （4）有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)和繪圖方面的書籍。（5）有關(guān) UG、CAD 繪圖方面的書籍； 5.進(jìn)度計(jì)劃及指導(dǎo)安排第 1 周 校內(nèi)外文獻(xiàn)查閱，撰寫文獻(xiàn)綜述；第 2-3 周 翻譯與本題目有關(guān)英文資料，撰寫開題報(bào)告；第 4 周 進(jìn)行化學(xué)吸收工藝的總體設(shè)計(jì)；第 5 周 CO2 吸收系統(tǒng)的物料平衡計(jì)算、吸收塔基本設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算；第 6 周 熱交換系統(tǒng)的計(jì)算；第 7 周 CO2 分離系統(tǒng)的物料平衡計(jì)算、 氣提塔基本設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算；第 8 周 管道、泵和風(fēng)機(jī)等輔助系統(tǒng)設(shè)備的選型與計(jì)算；儀器、儀表的選用；第 9 周 管路的設(shè)計(jì)；第 10-11 周 系統(tǒng)的三維模擬設(shè)計(jì)；第 12 周 按照標(biāo)準(zhǔn)繪 CAD 圖；第 13 周 手工繪制圖紙；第 14 周 撰寫論文； 檢查全部圖紙；第 15 周 整理資料，根據(jù)指導(dǎo)教師意見修改論文；根據(jù)評(píng)閱教師意見，進(jìn)一步修改論文，制作幻燈片，準(zhǔn)備答辯；第 16 周 答辯。任務(wù)書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教學(xué)院（系、部）院長（簽字） 任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽字） 計(jì)劃完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽字） CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬4CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬I摘 要電廠燃煤煙氣所排放的CO 2會(huì)造成溫室效應(yīng)和全球氣候變化，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此控制CO 2的排放已成為應(yīng)對(duì)氣候變暖的最重要的技術(shù)路線之一。可以采取多種控制技術(shù)控制鍋爐煙氣中CO 2的排放，本文著重介紹了應(yīng)用廣泛的化學(xué)吸收工藝技術(shù)。本論文主要對(duì)CO 2化學(xué)吸收法的基本原理、反應(yīng)機(jī)理、工藝流程、應(yīng)用設(shè)備、存在的問題及解決措施作簡要的介紹；對(duì)CO 2處理系統(tǒng)工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)；對(duì)化學(xué)吸收主體設(shè)備進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，主要包括填料、筒體、塔內(nèi)件（液體分布裝置、填料支承裝置、除沫器）；對(duì)輔助設(shè)備進(jìn)行計(jì)算選型；通過UG（Unigraphics NX）對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三維模擬。關(guān)鍵詞：二氧化碳吸收，填料塔，設(shè)計(jì)，Unigraphics NXCO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬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 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬III目 錄第一章 前 言 11.1 引言 .11.2 研究意義 .31.3 二氧化碳主要來源 .31.4 二氧化碳的應(yīng)用 .41.5 二氧化碳的吸收方法 .51.6 化學(xué)吸收法在電廠中的運(yùn)用 .14第二章 吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算 172.1 確定塔設(shè)備的選型 .172.2 吸收劑的確定 .182.3 填料 .222.4 塔徑的計(jì)算 .242.5 填料層高度的計(jì)算 .262.6 吸收塔附件的設(shè)計(jì)與選用 .262.7 塔高 .292.8 塔體材料 .30第三章 解吸塔的設(shè)計(jì)計(jì)算 313.1 平衡線 .313.2 解吸所需蒸汽量 .313.3 填料的選擇 .333.4 塔徑的計(jì)算 .333.5 填料層高度的計(jì)算 .343.6 解吸塔附件的設(shè)計(jì)與選用 .353.7 加熱系統(tǒng) .363.8 塔高 .41CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬IV3.9 塔體材料 .42第四章 輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)選型 434.1 風(fēng)機(jī)的選型 .434.2 泵的選擇 .444.3 儀器儀表的選擇 .45第五章 實(shí)驗(yàn)裝置 的三維模擬造型 50第六章 結(jié)論 55參 考 文 獻(xiàn) 56致 謝 58聲 明 59CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬1第一章 前 言1.1 引言全球變暖是當(dāng)今人類面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，是國際社會(huì)公認(rèn)的全球性環(huán)境問題。全球變暖的主要原因是大氣中溫室氣體的急劇、持續(xù)增加。大量的觀測和研究表明 [1]，大氣中的 CO2 濃度已顯著增加，目前已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工業(yè)化前幾千年來的濃度值，其中 CO2 濃度從工業(yè)化前約 280mL/m3 增加到 2005 年的379mL/m3。由于 CO2 排放量很大且降解時(shí)間長，對(duì)全球溫室氣體的貢獻(xiàn)最大。CO2 氣體在大氣中含量的急劇增加，正是工業(yè)時(shí)代以來全球變暖的主因。聯(lián)合國政府間氣候變化委員會(huì)曾經(jīng)發(fā)布報(bào)告指出，如果全球氣溫上升幅度超過1.5°C，則全球 20%～30% 的動(dòng)植物種將面臨滅絕。如果氣溫上升 3.5°C 以上，則有 40%～70%的物種將面臨滅絕。因此，防止全球氣候變暖，刻不容緩，特別是要減少 CO2 氣體的排放量。這些溫室氣體就像一張張開的塑料大棚罩在了大地上，陽光可以通過它們進(jìn)入大地，但大地的熱量卻被它們隔絕，散發(fā)不到大氣之中，因此造成氣候變暖，而且這種溫室氣體越多，地球氣候變暖就會(huì)更加加劇 [2]。IPCC 第三次評(píng)估報(bào)告指出，大氣中 CO2 的濃度穩(wěn)定在不同水平所造成的影響是不同的，見表 1-1。表 1-1 大氣中不同 CO2 濃度所造成的影響 [3]減排情景CO2 濃度/（μL/L）CO2 當(dāng)前濃度/（μL/L）CO2 濃度成峰年2050 年全球CO2 排放變化（相當(dāng)于 2000年），%全球平均溫度較工業(yè)革命前的增加量/°C只考慮熱膨脹條件下全球平均海平面較工業(yè)革命前的上升量/m1 350~400 445~490 2000~2015 -85~-50 2.0~2.4 0.4~1.42 400~440 490~535 2000~2020 -60~-30 2.4~2.8 0.5~1.73 440~485 535~590 2010~2030 -30~+5 2.8~3.2 0.6~1.94 485~570 590~710 2020~2060 +10~+60 3.2~4.0 0.6~2.45 570~660 710~855 2050~2080 +25~+85 4.0~4.9 0.8~2.96 660~790 855~1130 2060~2090 +90~+140 4.9~6.1 1.0~3.72005 年大氣中溫室氣體濃度為 370μL/L 左右，若要求 2050 年溫度上升不超過 2°C（與 2000 年相比），溫室氣體濃度必須控制在 450～550μL/L ，今后10～20 年達(dá)到峰值，然后以每年 1%～3%的速率下降。到 2050 年，全球溫室氣體排放比 2000 年大約降低 25%，發(fā)達(dá)國家在 2050 年前絕對(duì)排放量減少CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬260%～ 80%（與 2000 年相比），發(fā)展中國家在 2050 年的排放量與 1990 年相比，增長幅度不應(yīng)超過 25%。按現(xiàn)在的一些發(fā)展趨勢，溫室氣體不斷排放將帶來一些不可避免的危害 [4]：1. 導(dǎo)致冰川融化，使海平面上升從 1978 年開始，美國科學(xué)家就開始利用衛(wèi)星技術(shù)記錄北極海冰覆蓋的面積，科學(xué)家最先發(fā)現(xiàn)的是面積的變化。通過對(duì)比這些記錄，科學(xué)家注意到，從1979 年到 2006 年間，一年的每個(gè)月份海冰覆蓋的面積都呈下降趨勢，其中最明顯的是在 9 月份，平均每年減少約 10 萬 m2。海冰的面積在 2007 年達(dá)到了最低點(diǎn)。除此之外，內(nèi)陸一些長年積雪的山脈，也因溫室效應(yīng)，降雪量減少等原因，雪線面積不斷的上升，有些長年積雪的冰川，也開始消融，河流因此而來水減少或枯竭，給下游人口的生產(chǎn)、生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來困難。2. 極端天氣現(xiàn)象增多“全球變暖”會(huì)影響大氣環(huán)流，繼而改變?nèi)虻慕邓糠植肌Ｓ行┑貐^(qū)的降水量會(huì)增大，導(dǎo)致洪澇和風(fēng)暴潮災(zāi)害增多。2008 年，南方持續(xù)了近一個(gè)月的冰雪災(zāi)害，使當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳a(chǎn)、生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到嚴(yán)重影響，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2009 年的 11 月份北方和南方的部分地區(qū)再次遭受到極端天氣的影響，造成交通、生產(chǎn)、生活上的不便。3. 對(duì)全球農(nóng)業(yè)的影響日益嚴(yán)重：由于“全球變暖 ”影響到了大氣環(huán)流，使全球的水循環(huán)發(fā)生了變化，在有些地區(qū)的表現(xiàn)是降水量明顯多于往年，甚至發(fā)生洪澇災(zāi)害，農(nóng)作物受災(zāi)，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害等；而在有些地區(qū)則表現(xiàn)為高溫和干旱。高溫蒸干了地表水，部分河流、湖泊干涸，就連人、畜的飲用水都得不到保證。在有些地區(qū)，冬季的氣溫較高形成“暖冬”，有些害蟲在冬季得以 “安全過冬”，而在來年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，害蟲將大量繁殖，與人類爭搶糧食等作物。近年來，中國也已經(jīng)從科學(xué)和社會(huì)發(fā)展等多方面認(rèn)識(shí)到了氣候變化的巨大影響，并且開始進(jìn)行著積極的應(yīng)對(duì)。在 2009 年 12 月 7 日～18 日召開的哥本哈根世界氣候大會(huì)上，中國政府公布了中國控制溫室氣體排放具體行動(dòng)目標(biāo)。這些目標(biāo)是在 11 月 25 日舉行的國務(wù)院常務(wù)會(huì)議上通過的。會(huì)議決定， “到 2020 年我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比 2005 年下降 40%～45%，作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長期規(guī)劃，并制定相應(yīng)的國內(nèi)統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測、考核辦法。會(huì)議還決定，通過大力發(fā)展可再生能源、積極推進(jìn)核電建設(shè)等行動(dòng)，到2020 年我國非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到 15%左右；通過植樹造林和CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬3加強(qiáng)森林管理，森林面積比 2005 年增加 4000 萬公頃，森林蓄積量比 2005 年增加 13 億立方米。這是我國根據(jù)國情采取的自主行動(dòng)，是我國為全球應(yīng)對(duì)氣候變化做出的巨大努力” 。 目前，我國 CO2 排放總量占世界總排放量 13%，減排壓力較大，為積極應(yīng)對(duì)溫室氣體的形勢，人類必須采取行動(dòng)，減少溫室氣體排放。1.2 研究意義溫室氣體尤其是 CO2 的排放逐年上升，成為全球氣候變化的罪魁禍?zhǔn)住Ｈ绻徊扇∮行Т胧┛刂茰厥覛怏w排放，那么人類的發(fā)展將因此而受到極大影響。我國 CO2 的排放量僅次于美國，居全球第二。導(dǎo)致這種狀況的主要原因是我國能源資源的不均衡及消費(fèi)結(jié)構(gòu)的不合理，煤炭資源約占我國資源總量的 75%左右，煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的 65%以上，而且以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)短期內(nèi)很難改變，加上我國的人口總數(shù)仍將繼續(xù)增長，因此能源消費(fèi)和溫室氣體排放的增長不可避免，能源供應(yīng)和能源環(huán)境問題仍將是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突出問題之一。 由于人口、資源和環(huán)境的限制，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須走低資源消耗、低能耗、低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展道路，把節(jié)能減排與可再生能源的發(fā)展結(jié)合起來，大力發(fā)展高效、節(jié)能、清潔技術(shù)，依靠科技創(chuàng)新走低碳經(jīng)濟(jì)之路，大幅降低溫室氣體的排放，為我國經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供保障 [5]。作為發(fā)展中國家，我國在溫室氣體減排上付出了實(shí)際行動(dòng)，成立了應(yīng)對(duì)控制溫室氣體排放的相關(guān)機(jī)構(gòu)，制定了節(jié)能減排、應(yīng)對(duì)氣候變化的一系列政策。我們相信，只要全人類共同努力，減少溫室氣體排放，緩解全球氣候變化的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的。1.3 二氧化碳主要來源CO2 被許多人認(rèn)為是溫室效應(yīng)的元兇，是一種有害的廢氣，人為二氧化碳排放的主要來源是能源生產(chǎn)和交通運(yùn)輸中的化石燃料燃燒。土地用途的改變和森林采伐也釋放更多 CO2 到環(huán)境。1. 發(fā)電：多數(shù)電廠使用的能源為化石燃料，使用化石燃料發(fā)電所排放的CO2，約占全球排放量的 36%。2. 運(yùn)輸：運(yùn)輸工具使用化石燃料所排放的 CO2 約占全球排放量的 24%，以汽車為主要來源。CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬43. 工業(yè)：若不包括電力的使用，工業(yè)在全球 CO2 排放量中約占 18%。未來，隨著開發(fā)中國家的經(jīng)濟(jì)成長，CO 2 的排放量會(huì)大幅提升。4. 建筑物：建筑物使用電力和燃料來產(chǎn)生冷暖氣、照明和動(dòng)力，其中住宅CO2 排放量約占全球的 8%。5. 森林：根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織報(bào)告顯示，在 1980 年代砍伐掉的森林，所減少對(duì)大氣中 CO2 的吸存能力，約占人為碳排放總量的四分之一。6. 呼吸作用：動(dòng)植物的呼吸作用都會(huì)產(chǎn)生 CO2。其中，在所有排放 CO2 的行業(yè)中，電力工業(yè)是排放量最多的行業(yè)之一。減少電力工業(yè) CO2 排放對(duì)控制總排放量的減少具有特殊的重要意義。1.4 二氧化碳的應(yīng)用CO2 是很好的資源，是植物進(jìn)行光和作用的必須原料，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用 [6]。1. 為農(nóng)業(yè)提供服務(wù)作為一種廉價(jià)的原料CO 2在農(nóng)業(yè)上可用于蔬菜、瓜果的保鮮貯藏，在現(xiàn)代化倉庫里常充入CO 2，用CO 2貯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細(xì)菌、霉菌、蟲子生長，避免變質(zhì)和有害健康的過氧化物產(chǎn)生，并能保鮮和維持食品原有的風(fēng)味和營養(yǎng)成分，CO 2不會(huì)造成谷物中藥物殘留和大氣污染。用CO 2通入大米倉庫24h，能使99% 的蟲子死亡，延長了糧食和蔬菜的保存期。把CO 2引入蔬菜溫室直接施用CO 2作肥料，利用植物根部吸收CO2，可以增進(jìn)植物的光合作用，能增加蔬菜的生長速度，縮短其生長周期，促進(jìn)農(nóng)作物生長，增加產(chǎn)量，提高溫室的經(jīng)濟(jì)效益。固態(tài)的CO 2即“干冰”，主要用作致冷劑，用飛機(jī)在高空噴撒“干冰” ，可以使空氣中水蒸氣冷凝，形成人工降雨，能解決久旱無雨，莊稼失收的問題。2. 為工業(yè)服務(wù)在輕工業(yè)上，生產(chǎn)碳酸飲料、啤酒、汽水等都需要CO 2。除此還可以用于有機(jī)合成各種化工原料，除了成熟的化工利用以外也可以生產(chǎn)甲醛、加氫合成二甲醚、或者利用環(huán)氧丙烷、CO 2和甲醇催化合成碳酸二甲酯等，現(xiàn)在又研究成功了許多新的工藝方法，例如合成甲酸及其衍生物，合成天然氣、乙烯、丙烯等低級(jí)烴類， 合成甲醇、壬醇、草酸及其衍生物、丙酯及芳烴的烷基化，合成高分子單體及進(jìn)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?zhèn)鹘y(tǒng)的農(nóng)藥作殺蟲劑，也在研究之中。在工業(yè)上CO 2是很好的致冷劑。它不僅冷卻速度快，操作性能好，不浸濕CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬5產(chǎn)品， 不會(huì)造成二次污染，而且投資少，人力省。利用CO 2保護(hù)電弧焊接，既可避免金屬表面氧化，又提高焊接速度。3. 其他用途（1）用于醫(yī)療：人體呼吸的有效刺激因素，它通過對(duì)人體外化學(xué)感受器的刺激，興奮呼吸中摳。如果一個(gè)人長時(shí)間吸入純氧，體內(nèi)CO 2濃度過低，可導(dǎo)致呼吸停止。因此，臨床上把5% CO2與95%氧氣的混合氣體應(yīng)用于一氧化碳中毒、溺水、休克、堿中毒的治療和麻醉上的應(yīng)用。（2）用于實(shí)驗(yàn)室：在實(shí)驗(yàn)室里，“干冰” 與乙醚等易揮發(fā)液體混合，可以提供-77°C左右的低溫??；同時(shí)國外普遍利用CO 2進(jìn)行食品、飲料、油料、香料、藥物等加工萃取。（3）用于地下開采：CO 2 作為油田注入劑，可有效地驅(qū)油和提高石油的采油率；也可用于注入地下難于開采的煤層，使煤層氣化，獲得化工所需的合成氣體等。因此如何吸收凈化 CO2 以及對(duì)其進(jìn)行綜合利用是現(xiàn)如今廣大環(huán)境科技工作者面臨的重要課題。1.5 二氧化碳的吸收方法CO2 的處理技術(shù)一般分可為從大氣中分離固定和從燃放氣中分離回收兩大類?，F(xiàn)階段，從大氣中分離固定 CO2 技術(shù)主要有生物法，而從燃放氣中分離回收 CO2 技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和物理-化學(xué)法等。1.5.1 物理法物理法包括物理溶劑吸收法、膜分離法、低溫蒸餾法和吸附法。1.5.2 物理吸收法采用水、甲醇、碳酸丙烯酸脂等作為吸收劑，利用 CO2 在這些溶劑中的溶解度隨壓力而變化的原理來吸收的方法 [7]。1. 水洗法應(yīng)用最早，具有流程簡單、運(yùn)行可靠、溶劑水廉價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)備龐大、電耗高、產(chǎn)品純度低并造成污染等特點(diǎn)，一般不采用。2. 低溫甲醇法應(yīng)用較早，具有流程簡單、運(yùn)行可靠外，能耗比水洗法低，產(chǎn)品純度較高，但是為獲得吸收操作所需低溫需設(shè)置制冷系統(tǒng)，設(shè)備材料需用低溫鋼材，因此裝置投資較高。3. 碳酸丙烯酯法（簡稱 PC 法）是近年來中小型氨廠常用脫碳和回收 CO2CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬6的方法。它具有溶液無毒、濃溶液對(duì)碳鋼腐蝕性小，能耗比甲醇法低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是 PC 溶劑循環(huán)量大，造成溶劑損耗大，操作費(fèi)用較高。典型的物理吸收法有環(huán)丁砜法、N-甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法（Selexol 法） 、低溫甲醇法（Rectisol 法） 、碳酸丙烯酯法（ Flour 法）等。其關(guān)鍵在于吸收劑的選擇，要求吸收劑必須對(duì) CO2 的溶解度大、選擇性好、沸點(diǎn)高、無腐蝕、無毒性以及性能穩(wěn)定 [8]。1. 環(huán)丁砜法：由環(huán)丁砜一、二異丙醇胺水組成的溶液作為吸收劑，溶液的吸收壓力從稍高于大氣壓至 7MPa，凈化氣中 CO2 含量可降低至 50mg/m3 以下，可用于脫除變換氣中的 CO2。2. N-甲基吡咯烷酮法：用 N-2-甲基吡咯烷酮作為溶劑，吸收壓力一般為3.6～7MPa ，該法可選擇脫除硫化氫，用于從高壓天然氣或合成氣中除去大量CO2。3. Selexol 法：用聚乙烯乙二醇二甲酯（DEPG）為吸收劑，操作溫度為261K。4. Rectisol 法：以冷甲醇為吸收溶劑，操作溫度 211～272K，壓力214～810MPa， 該工藝氣體凈化度高、選擇性好，氣體的脫硫和脫碳可在同一塔內(nèi)分段、選擇性進(jìn)行，被廣泛應(yīng)用于合成氨、合成甲醇和其他羰基合成和天然氣脫硫等氣體凈化裝置中。5. Flour 法：用碳酸丙烯酯為吸收劑，吸收壓力一般在 1.3MPa 以上，凈化氣中 CO2 含量小于 1%，該法可同時(shí)脫除 H2S，可用于脫除天然氣及變換氣的CO2。以 Selexol 法為例，Selexol 法的溶劑由美國 Norton 公司開發(fā)，一些商業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)尚沒有公開，方法在化工行業(yè)已得到了多年的應(yīng)用。所使用的吸收劑具有無毒、熱穩(wěn)定性好、不分解及無腐蝕性等特點(diǎn)，整體設(shè)備采用碳鋼設(shè)備，由于此吸收劑蒸汽壓極低，因此揮發(fā)損失少。此法之操作條件為吸收溫度-5～0°C ，CO 2 回收率可達(dá) 95%。其主要缺點(diǎn)是工藝流程龐大，而且吸收過程中吸收劑蒸汽壓較高，致使其溶劑損失較大。工藝流程如圖 1-1 所示。物理吸收法的優(yōu)點(diǎn)是吸收能力強(qiáng)，吸收劑用量少，吸收劑的再生不需要加熱，通過降壓即可實(shí)現(xiàn)，因此所需再生能量相當(dāng)少，溶劑不起泡，不易腐蝕設(shè)備；但由于 CO2 在溶劑中的溶解服從亨利定律，因此這種方法只適用于 CO2 分壓較高的條件，而且 CO2 的去除程度不高，成本相對(duì)也較高。CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬7圖 1-1 Selexol 法脫 CO2 工藝流程 [9]1.5.3 膜分離法膜分離法是利用某些聚合材料制成的薄膜，對(duì)不同氣體的滲透率不同來分離氣體的。膜是一種起分子級(jí)分離過濾作用的介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)力是壓差，當(dāng)混合氣體與膜接觸，膜兩邊存在壓力時(shí)，滲透率高的氣體組分以很高的速率透過薄膜，形成滲透氣流， 滲透率低的氣體則被選擇性的攔截，絕大部分在薄膜進(jìn)氣一側(cè)形成殘留氣流，兩股氣流分別引出，從而使混合氣體的不同組分被分離，這種分離是分子級(jí)的分離。膜分離技術(shù)受到世界各技術(shù)先進(jìn)國家的高度重視，近三十年來，美國、加拿大、日本和歐洲國家，一直把膜技術(shù)定位為高新技術(shù)，投入大量資金和人力，促進(jìn)膜技術(shù)迅速發(fā)展, 使用范圍日益擴(kuò)大，為許多行業(yè)高質(zhì)量地解決了分離、濃縮和純化的問題，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)提供依托技術(shù) [8]。膜分離法包括分離膜和吸收膜兩種類型。分離膜和吸收膜如圖 1-2 所示。圖 1-2 分離膜和吸收膜 [10]CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬8使用薄膜法處理含大量 CO2 廢氣時(shí)，無論使用哪類薄膜，除要對(duì) CO2 具有高選擇性外，CO 2 透過率亦需越高越好，只是排放氣中主要成分氮?dú)夂?CO2 的分子大小十分接近，高選擇性和高滲透率不易同時(shí)實(shí)現(xiàn)。工業(yè)上用于 CO2 分離的膜材質(zhì)主要有：醋酸纖維、乙基纖維素、聚苯醚及聚砜等，近年來一些性能優(yōu)異的新型膜材質(zhì)正不斷涌現(xiàn)，如聚酰亞胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜復(fù)合膜、含二胺的聚碳酸酯復(fù)合膜、丙烯酸酯的低分子含浸膜等，均表現(xiàn)出優(yōu)異的 CO2 滲透性。膜分離法工藝流程如圖 1-3 所示。圖 1-3 膜分離法工藝流程 [11]膜分離法工藝的特點(diǎn)：膜分離法具有一次性投資較少、設(shè)備緊湊、占地面積小、能耗低、工藝簡單操作方便等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用前景良好的 CO2 氣體分離方法，但膜分離法的缺點(diǎn)是需要前級(jí)處理、脫水和過濾，且難以得到高純度的CO2。1.5.4 低溫蒸餾法低溫蒸餾法利用天然 CO2 氣源中主要組份甲烷和 CO2 間沸點(diǎn)的差異， 以蒸餾方法將 CO2 分離出來，主要應(yīng)用于一些富含 60%～90% 的天然 CO2 氣源中回收 CO2，供二次采油用。因此，此法具有一定的局限性 [7]。低溫蒸餾法工藝流程圖如圖 1-4 所示。CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬9圖 1-4 低溫蒸餾法工藝流程1.5.5 吸附法吸附法是采用固體吸附劑吸附混合氣中的 CO2，其原理是根據(jù) CO2 分子空間結(jié)構(gòu)、分子極性等性質(zhì)，選取對(duì)混合氣體中 CO2 組分有強(qiáng)于其他組分吸附力的吸附劑，由于混合氣體中各組分分子與吸附劑表面活性點(diǎn)的引力具有差異， 當(dāng)混合氣體在一定壓力下通過吸附床所載的吸附劑時(shí)，吸附劑對(duì) CO2 進(jìn)行選擇性吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳?xì)怏w的分離、回收 [6]。吸附法主要包括變壓吸附法（PSA） 和變溫吸附法（TSA ） 。以變壓吸附法（PSA）為例：變壓吸附技術(shù)利用吸附劑對(duì)混合氣體中的不同組分具有不同吸附容量的特性， 在較高壓力下選擇吸附混合氣體中的 CO2，然后通過減壓的方式使 CO2 解吸出來，從而實(shí)現(xiàn) CO2 的分離與提純。變壓吸附法流程如圖 1-5 所示。圖 1-5 變壓吸附法流程圖 [11]現(xiàn)階段，變壓吸附法發(fā)展較為迅速，大型工業(yè)化吸附裝置已投入使用，其CO2 分離效率可達(dá) 99%以上。在化肥、石化等工業(yè)中的應(yīng)用極其廣泛。在國內(nèi)，西南化工研究院技術(shù)力量雄厚，在變壓吸附研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、安裝方面，處于領(lǐng)先地位。吸附法特點(diǎn)：吸附法原料適應(yīng)性廣，無設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染，工藝簡單，壓力適應(yīng)范圍廣（6.66～1.26MPa） ，產(chǎn)品純度高，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，但解吸頻繁，需要大量吸附劑，對(duì)自動(dòng)化程度要求高，更適用于 CO2 濃度在 20%～80%的工業(yè)氣體，而且需要預(yù)處理煙氣中的水和顆粒物，以免吸附劑吸附效果降低。CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬101.5.6 物理-化學(xué)法目前，物理-化學(xué)法主要有 CO2 分解法。該法是借助高能射線或電子射線等放射線，對(duì)排出的含有大量 CO2 的燃放氣進(jìn)行輻射，使其中的 CO2 分解為一氧化碳和氧氣，一氧化碳在經(jīng)過高能輻射，轉(zhuǎn)而生成 C3O2 和 O2，其反應(yīng)方程式為：一次輻射：CO 2 →CO + 1/2O2；二次輻射：3CO →C 3O2+ 1/2O2 和 3CO2 →C 3O2 + 2O2。這種方法，尚處于基礎(chǔ)研究階段，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，還有大量技術(shù)問題需要解決。1.5.7 化學(xué)法化學(xué)法分離處理 CO2 主要包括碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法及化學(xué)吸收法等。1. 碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法 [11]：碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法是在催化劑作用下，將 CO2 轉(zhuǎn)化為甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。日本東北電力公司以銠-鎂為催化劑，可使 CO2 與氫按 1∶4（體積比）的比例，在一定的溫度與壓力下混合，生成甲烷。日本東芝公司采用一種工程上更為可行的原料配合，直接用燃放氣與以氫為基底的乙炔混合，利用電子束或激光束激勵(lì)，生產(chǎn)甲醇和一氧化碳，一氧化碳作為原料，可進(jìn)一步合成甲醇。碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離工業(yè)大規(guī)模實(shí)用階段尚遠(yuǎn)。CO 2作為一種潛在的巨大的資源，已引起世界眾多國家有關(guān)科技人員的關(guān)注。2. 化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法 [12]是使原料氣和化學(xué)溶劑在吸收塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，CO 2 被吸收至溶劑中成為富液，富液進(jìn)入脫析塔加熱分解出 CO2，從而達(dá)到分離回收CO2 的目的。該方法的關(guān)鍵是控制好吸收塔和解析塔的溫度與壓力。所選用的吸收劑應(yīng)具有對(duì)溶質(zhì) CO2 具有選擇性、吸收劑不易揮發(fā)，并避免在氣體中引進(jìn)新的雜質(zhì)，腐蝕性小、粘度低、毒性小、不易燃。常用的吸收劑有醇胺、立體障礙醇胺及碳酸鹽等水溶液，吸收劑濃度通常不超過 50%（因濃度過高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕） 。在化學(xué)吸收法中，吸收劑性能的優(yōu)劣是決定吸收效果好壞的關(guān)鍵因素。根據(jù)吸收劑種類的不同，化學(xué)吸收法可分為熱鉀堿法、氨水法、醇胺法 [13]。（1） 熱鉀堿法熱鉀堿法是以 K2CO3 為吸收劑，高溫下吸收 CO2。 K2CO3 吸收 CO2 生成CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬11KHCO3-，在減壓加熱時(shí)放出 CO2，又形成 K2CO3。K 2CO3 溶液吸收 CO2 的速度比較慢，吸收和再生反應(yīng)都在液相的主體完成，如此循環(huán)，完成富集 CO2 的過程。由于 K2CO3 吸收 CO2 速率較慢，且溶液對(duì)設(shè)備的腐蝕性較大，因此工業(yè)上應(yīng)用較多的是改良的熱碳酸鉀法，即向溶液中添加氨基乙酸、硼酸、DEA 以及空間位阻胺等活化劑。按照添加的活化劑的不同，熱鉀堿法又分為 G～V 法、Flexsoth 法、 SCC～A 法、 Benfield（苯菲爾法）等。 G～V 法起初使用 As2O3 活化，但因具有 As2O3 毒性，無法廣泛應(yīng)用，現(xiàn)采用無毒的氨基乙酸活化；Flexsoth 工藝采用空間位阻胺作為活化劑；SCC ～ A 法是采用二乙烯三胺（DETA）活化； Benfield 法是近年來應(yīng)用較多的方法，由新的活化劑 ACT～1代替原來的二乙醇胺（DEA） ，含量為 1%～3%，可以使凈化氣中 CO2 含量降低28%～ 85%，溶液循環(huán)量降低 5%～25% ，再生熱耗降低 5%～15%，通氣能力增加 5%～ 25%。（2） 氨水法氨水法即以氨水為吸收劑，該法脫碳吸收效率高。同時(shí)能夠吸收絕大部分乃至全部的 HCl、HF 、SO 2 等酸性污染物。氨容易再生，并可得到高純度的CO2，成本僅為一乙醇胺（MEA）溶液的 1/6（工業(yè)級(jí)） ；所得副產(chǎn)品 NH4HCO3是我國農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用的氮肥，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。但氨水脫碳工藝中常常存在一些問題如 NH4HCO3 穩(wěn)定性較差，作為肥料施加到土壤里以后，很快就會(huì)分解釋放 CO2，使其重新返回到大氣中。（3） 醇胺法醇胺法以其吸收速率快、吸收效率高等優(yōu)點(diǎn)在近幾十年得到了廣泛的研究和應(yīng)用，發(fā)展迅速。該工藝始于 20 世紀(jì) 30 年，最初主要以 MEA 為吸收劑。20 世紀(jì) 50 年代后期，二異丙醇胺（DIPA）開始應(yīng)用于天然氣和煉油廠氣體凈化。MEA 和 DEA 溶液回收 CO2 工藝起步早，已經(jīng)比較成熟，但這兩種溶劑容易降解，腐蝕性強(qiáng)，且再生能耗大。20 世紀(jì) 80 年代，甲基二乙醇胺（MDEA）回收 CO2 得到了廣泛應(yīng)用。MDEA 溶液法穩(wěn)定性較好，再生熱小，對(duì)設(shè)備基本無腐蝕。但吸收劑黏度較高，反應(yīng)器內(nèi)湍流程度小，不能與氣體充分混和，吸收速率較小。胺法工藝中使用的醇胺，包括傳統(tǒng)的鏈狀取代基醇胺和帶支鏈的空間位阻胺。依據(jù) N 原子個(gè)數(shù)，醇胺分為伯胺（如一乙醇胺，簡寫為 MEA ） 、仲胺（如二乙醇胺，簡寫為 DEA；N-甲基二乙醇胺，簡寫為 DIPA）和叔胺（如三乙醇胺，簡寫為 TEA；二異丙醇胺，簡寫為 MDEA） ，它們的反應(yīng)機(jī)理大致如CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬12下 [14]：（a）伯胺、仲胺對(duì) CO2 的吸收首先生成兩性離子：兩性離子與溶液中的堿催化劑進(jìn)行脫質(zhì)子反應(yīng)：溶液的堿催化劑 B 包括胺（R 1R2NH） 、OH -和 H2O 等。此法吸收速度快，但反應(yīng)過程中易生成較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，使吸收量減小。（b） 叔胺對(duì) CO2 的吸收由于叔胺的分子結(jié)構(gòu)中無氫原子，所以它和 CO2 之間不能進(jìn)行生成氨基甲酸鹽的反應(yīng)，這使叔胺與 CO2 的反應(yīng)機(jī)理與伯胺、仲胺有明顯不同。叔胺與 CO2 之間的反應(yīng)按下式進(jìn)行：此法吸收負(fù)荷有所提高,但吸收速度較伯胺、仲胺慢。（c） 空間位阻胺對(duì) CO2 的吸收關(guān)于空間位阻胺對(duì) CO2 的吸收，不同的研究者提出的反應(yīng)機(jī)理并不一致，以研究最廣泛的 AMP （2-氨-2 甲基-1-丙醇）為例，按兩性機(jī)理進(jìn)行主要反應(yīng)如下：AMPCOO-為 AMP 的氨基甲酸鹽陰離子，由于空間位阻的影響，又水解生成 AMP 和 HCO3-。近十幾年來，醇胺法吸收 CO2 發(fā)展迅速，出現(xiàn)了用多原子氮有機(jī)胺（如：二乙烯三胺、三乙烯四胺等）吸收 CO2 的研究，選用三乙烯四胺（簡稱TETA）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖 1-6 為相同條件下，TETA 、MEA、DEA、TEA 吸收 CO2 吸收效果的比較，曲線的斜率表示吸收速率，由圖可知：TETA 具有最快的吸收速率，最大的吸收量。CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬13圖 1-6 相同條件下 TETA、MEA 、DEA、TEA 對(duì) CO2 吸收 [14]下面介紹一種典型的化學(xué)吸收法分離脫除煙氣 CO2 的工藝流程，其流程圖如圖 1-7 所示。圖 1-7 典型的胺化學(xué)吸收法分離回收煙氣中 CO2 工藝 [15]經(jīng)過除塵、脫硫等處理后的煙氣經(jīng)初步冷卻和增壓后，從吸收塔下部進(jìn)入，在塔內(nèi)與由塔頂噴射的吸收劑溶液逆相接觸。煙氣中的 CO2 與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成弱聯(lián)結(jié)化合物，脫除了 CO2 的煙氣從吸收塔上部被排出吸收塔。而吸收了 CO2 的吸收劑富 CO2 吸收液（簡稱富液）經(jīng)富液泵抽離吸收塔，在貧富液熱交換器中與貧 CO2 吸收液（簡稱貧液）進(jìn)行熱交換后，被送入再生塔中解吸再生。富液中結(jié)合的 CO2 在熱的作用下被釋放，釋放的 CO2 氣流經(jīng)過冷凝和CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬14干燥后進(jìn)行壓縮，以便于輸送和儲(chǔ)存。再生塔底的貧液在貧液泵作用下，經(jīng)過貧富液換熱器換熱、貧液冷卻器冷卻到所需的溫度，從吸收塔頂噴入，進(jìn)行下一次的吸收?；瘜W(xué)吸收法有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：它能產(chǎn)生相對(duì)純凈的 CO2 氣流；它的技術(shù)已經(jīng)成熟，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。采用化學(xué)吸收法進(jìn)行燃燒后捕獲技術(shù)將增加 70%的發(fā)電成本。改進(jìn)的吸收劑能減少能量損失，并能降低化學(xué)吸收過程的成本。減少能量損失的目標(biāo)在于降低再生過程所需的能量。通過對(duì)吸收器模塊和其他主要零部件尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)，有可能降低成本 [16]。綜上所述，化學(xué)吸收法捕獲 CO2 是一項(xiàng)高效、節(jié)能、環(huán)保的新興技術(shù)，現(xiàn)階段對(duì)于火力發(fā)電廠 CO2 的減排具有廣闊的應(yīng)用前景。1.6 化學(xué)吸收法在電廠中的運(yùn)用1.6.1 工藝簡介燃煤電廠的廢氣中含有二氧化硫、氮氧化物、粉塵和 CO2 等，脫除這些污染物需要多種技術(shù)組合，如圖 1-8 所示。首先，用 SCR 法脫除氮氧化物，其次，用除塵器去除粉塵，然后，用脫硫設(shè)備去除二氧化硫，最后處理 CO2。圖 1-8 電廠煙氣處理的工藝流程 [17]1.6.2 國內(nèi)火電廠化學(xué)吸收法應(yīng)用現(xiàn)狀化學(xué)吸收法因其工藝簡單、技術(shù)較為成熟，近幾十年在國外得到了廣泛的研究和應(yīng)用，目前，國內(nèi)火電廠對(duì) CO2 捕獲技術(shù)的研究和應(yīng)用尚處于起步階段。2007 年底，國內(nèi)首個(gè)“ 燃煤發(fā)電廠年捕集 CO23000t 試驗(yàn)示范工程項(xiàng)目” 在中國華能集團(tuán)公司所屬北京熱電廠開工建設(shè)，并于 2008 年正式投產(chǎn)運(yùn)行。該電廠每年約排放 400 萬 t 的 CO2，項(xiàng)目使用醇胺吸收法，系統(tǒng)能夠捕捉其中的CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬150.075%，CO 2 回收率大于 85%，約 3000t，而捕捉能耗占電廠能耗比例則在 30%以上。分離、提純后的 CO2 純度達(dá)到 99.5%以上，可用于食品行業(yè) [18]。工藝流程圖如圖 1-9 所示。圖 1-9 華能北京熱電廠 CO2 捕集系統(tǒng)工藝流程圖煙氣 CO2 捕集系統(tǒng)由煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、填料吸收塔、填料再生塔、排氣洗滌系統(tǒng)、溶液煮沸器、胺回收加熱器、產(chǎn)品氣處理系統(tǒng)（包括冷凝器、氣液分離器、壓縮機(jī)）以及系統(tǒng)水平衡維持系統(tǒng)組成。脫硫后的煙道氣由引風(fēng)機(jī)送入吸收塔，其中 CO2 被胺溶液吸收，尾氣由塔頂排入大氣。吸收 CO2 后的富液由塔底經(jīng)泵送入換熱器，回收熱量后送入再生塔。解吸出的 CO2 氣，經(jīng)處理后送入精處理系統(tǒng)。經(jīng)過壓縮加壓、除濕、脫硫、制冷等工序，得到最終產(chǎn)品——液態(tài) CO2。該項(xiàng)目的實(shí)施表明了，化學(xué)吸收法捕獲火電廠煙氣中 CO2 具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。華能上海石洞口第二電廠是全球最大的燃煤發(fā)電廠 CO2 捕捉項(xiàng)目，總投資1.5 億元，2009 年 7 月份開工，預(yù)計(jì)年捕捉 10 萬 t 的 CO2，2009 年底建成。另一個(gè)項(xiàng)目是中電投重慶合川雙槐電廠，在一期兩臺(tái) 30 萬千瓦的機(jī)組上建造碳捕集裝置，由中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)，年處理煙氣量CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬16為 5000 萬標(biāo)準(zhǔn)立方米，年生產(chǎn)工業(yè)級(jí) CO21 萬噸。該碳捕集項(xiàng)目于 2010 年 1月 20 日投入運(yùn)營。CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬17第二章 吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 確定塔設(shè)備的選型處理量：150m 3/d =6.25m3/h（60℃ 時(shí)）CO2 回收率：≥95% 吸收塔操作溫度：38～45℃ 再生塔操作溫度：110～120℃吸收液（MEA 溶液）濃度：15%～20%煙氣組分見表 2-1。表 2-1 煙氣成分及其含量成分 N2 CO2 O2含量 88.3% 9.0% 2.7%根據(jù)以上參數(shù)及吸收液的性質(zhì)，將吸收塔和解吸塔均設(shè)計(jì)為填料塔。 填料塔具有結(jié)構(gòu)簡單、壓力降小，且可用各種材料制造等優(yōu)點(diǎn)。在處理容易產(chǎn)生泡沫的物料以及用于真空操作時(shí)，有其獨(dú)特的優(yōu)越性。過去由于填料本體及塔內(nèi)構(gòu)件的不夠完善，填料塔大多局限于處理腐蝕性介質(zhì)或不適宜安裝塔板的小直徑塔。近年來由于填料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的高效、高負(fù)荷填料的開發(fā)，既提高了塔的通過能力和分離效果，又保持了壓力降小及性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此填料塔已被推廣到所有大型氣液操作中。在某些場合，還代替了傳統(tǒng)的板式塔。隨著對(duì)填料塔的研究和開發(fā)，性能優(yōu)良的填料塔已大量地用于工業(yè)生產(chǎn)中。填料塔結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬18圖 2-1 填料塔結(jié)構(gòu)2.2 吸收劑的確定根據(jù)文獻(xiàn)和工程實(shí)際，此設(shè)計(jì)選用工業(yè)最常用的MEA （一乙醇胺）作為吸收劑，濃度15%。確定吸收塔操作條件為： 溫度： 40℃ 壓力： 1atm2.2.1 平衡線缺少 CO2 在 15%MEA 溶液、40℃時(shí)的溶解度數(shù)據(jù)，現(xiàn)近似取 40℃下 CO2在 15 %濃度的 MEA 溶液中的溶解度，并把分壓轉(zhuǎn)化為操作壓力下的氣相摩爾分?jǐn)?shù) y，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 2-2[19]。CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬19表 2-2 不同壓力下 CO2 氣相、液相摩爾分?jǐn)?shù)的變化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線。圖 2-2 平衡曲線2.2.2 吸收量的確定 1y 9.0%?（2-1）21y ()(5) .4???－ －（2-2）1Y/ ./09?－ －（2-3）22 (y)04(1.).5?－ －式中：Y 1—進(jìn)口混合氣體中吸收質(zhì)與惰性氣體的摩爾比； Y2—出口混合氣體中吸收質(zhì)與惰性氣體的摩爾比； y1—進(jìn)口氣相溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)； y2—出口氣相溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)； x1—出口液相溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)； x2—進(jìn)口液相溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。 MEA貧液含有0.05～0.2 mol CO2/mol MEA，使用低壓解吸塔，則來自解吸塔的MEA貧液一般由0.15 mol CO 2/mol MEA，故可?。?。20.15x?CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬20吸收塔溫度：313K15%MEA溶液的比重： =0.96g/mLL?運(yùn)動(dòng)粘度： 0.82cSt?MEA分子量：M=61.1 ，MEA 溶液的粘度： 0.8296 cPLL?????質(zhì)量濃度： 39615% 49. kg/m??摩爾濃度： 149./6 2.4 ol/L?煙氣的摩爾質(zhì)量：入塔煙氣密度： 1G332.40795 2.1. kg/mTM??????煙氣摩爾流量： G327n6.54102.mol/hQVT????（2-4）（2-5）（2-6）2222%%80.34.093.795NCOOMmm?????CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬21煙氣質(zhì)量流量： 3G=n 1024.69.5 7kg/hM???惰性氣體流量： ??'MG1243.60.9 mol/hny???（ － ）查平衡曲線，y 1=0.099時(shí)，x 1*=0.556。最小氣液比為： ' *M12max'G()LY0.56.94 .3?－－－－式中：x 1*——與氣相溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)成平衡的液相溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)液體最小流量： 'Mmin21.46(L)5.0ol/h3?' 'Mmin.~(L)（ ）取實(shí)際氣液比為最小氣液比的1.5倍，則 ' 'Mmin() 1.5()0 7.2ol/h??MEA溶液量：（2-7）（2-8）（2-9）（2-10 ）CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及三維模擬2223'L 7.561.0= 34kg/hMx???'M112'Gx (Y) xL2.46 0.9.45 0.175.???－（ － ）2.3 填料2.3.1 填料的種類填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料。散裝填料是一個(gè)個(gè)具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。規(guī) 整 填 料 是 按 一 定 的 幾 何 構(gòu) 形 排 列 ， 整 齊 堆 砌 的 填 料 。 規(guī) 整 填 料 種 類 很多 ， 根 據(jù) 其 幾 何 結(jié) 構(gòu) 可 分 為 格 柵 填 料 、 波 紋 填 料 、 脈 沖 填 料 等 。2.3.2 填料的選擇填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費(fèi)用最低。1．填料種類的選擇 填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求，通常考慮以下幾個(gè)方面：（1）傳質(zhì)效率要高一般而言，規(guī)整填料的傳質(zhì)效率高于散裝填料。（2）通量要大在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應(yīng)選擇具有較高泛點(diǎn)氣速或氣相動(dòng)能因子的填料。（3）填料層的壓降要低。（4）填料抗污堵性能強(qiáng)，拆裝、檢修方便。2．填料規(guī)格的選擇填料規(guī)格是指填料的公稱尺寸或比表面積。（1）散裝填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離（2-11 ）（2-12 ）