年捕集4万吨二氧化碳工艺流程设计开题报告Word下载.docx
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因此,CO2资源利用具有重大的经济和环境意义。
近几十年来,许多化学家都在为CO2的资源化利用而努力。
从CO2与环氧化合物出发合成环状碳酸酯是目前CO2资源化利用最典型的成功范例之一。
如果在反应过程中不使用有机溶剂,则该过程将是一个符合绿色化学标准的原子经济反应。
环状碳酸酯广泛应用于纺织、印染、高分子合成以及电化学领域,同时在药物和精细化工中间体的合成中也占据重要的地位。
本项目捕集燃煤电厂烟道气的二氧化碳,并将其作为原料生产。
利用最佳的捕集工艺能够有效的提高资源的利用率。
如果能够普及将大大的减少我们的二氧化碳的排放,并且将创造极大的经济价值。
2二氧化碳捕集工艺的相关动态
2.1二氧化碳的捕集技术路线
针对火电厂排放的二氧化碳,考虑到燃料主要由碳、氢、氧三种元素构成,而空气是助燃气体,从燃烧的不同阶段划分,二氧化碳的捕集技术路线主要可以分为4种:
燃烧后脱碳、燃烧前脱碳、富氧燃烧以及化学链燃烧技术。
2.2二氧化碳的分离捕集技术
2.2.1MEA法捕集二氧化碳
MEA(乙醇胺)法捕集的基本原理:
根据理论分析,MEA(乙醇胺)与CO2反应生成比较稳定的氨基甲酸盐,在再生过程中需要较多的能量才能分解,导致再生能耗较大。
同时氨基甲酸盐对设备的腐蚀性较强,又易形成水垢。
MEA与CO2的总反应式如下:
CO2+2HOCH2CH2NH2→HOCH2CH2NHCOO-+HOCH2CH2NH3+
刘炳成,张煜等[2](胜利石油管理局,青岛科技大学机电工程学院)根据胜利电厂烟道气的实际数据,设计的胺法捕集二氧化碳工艺流程。
流程图如下:
图1乙醇胺法脱碳工艺流程示意图
李青、余云松等[3](西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室)研究了一种采用化学吸收法的新型供热技术。
将热泵技术与化学吸收法相结合,通过高温热泵提供解吸热能,同时综合利用废热。
图2乙醇胺法吸收二氧化碳的流程
叶宁等[4,5]利用MEA法捕集烟道气中的二氧化碳,利用收集到的数据,做出如下图所示的工艺流程图。
1冷却塔 2风机 3收塔 4富液泵 5冷凝器 6换热器 7再生塔 8贫液泵 9,10水冷器 11再沸器 12分离器 13地下槽,回流泵 14胺回收加热器 15过滤器
图3MEA法回收二氧化碳的工艺流程图
2.2.2ECO2法捕集二氧化碳
ECO2(氨水捕集法)捕集二氧化碳的基本原理[9]如下:
由于电厂烟气中CO2含量高达15%,这样,脱除过程所需的氨气浓度必然会很高,而氨气的爆炸极限是15%~28%,若设计不合理,则很容易引起爆炸,因此不推荐采用干法脱碳。
一般都采用氨水喷淋的方法,脱碳效率可达95%-99%,不足之处是氨易挥发,损失大,
总反应如式下:
CO2+NH3+H2O<
==>
NH4HCO3实际反应比较复杂,可视为分步反应:
2NH3+CO2→NH2COONH4
NH2COONH4+CO2+2H2O→2NH4HCO3
NH2COONH4+H2O→NH4HCO3+NH3
NH3+H2O+CO2→NH4HCO3
2NH3+H2O+CO2→(NH4)2CO3
(NH4)2CO3+H2O+CO2→2NH4HCO3
氨水吸收CO2的反应不是纯放热反应;
每kg氨可吸收高达1.2kg的CO2;
氨水易于再生、可得到高纯度的CO2;
副产品NH4HCO3是氮肥,具有一定的经济价值。
再生时的反应为:
2NH4HCO3(aq)→(NH4)2CO3(aq)+H2O+CO2(g)
NH4HCO3(aq)→2NH3(aq)+H2O+CO2(g)
(NH4)2CO3→2NH3(aq)+H2O+CO2(g)
马双忱、孙云雪(华北电力大学环境科学与工程学院)等[6]对MEA法和ECO2技术的原理进行了分析,得到的改进的ECO2法捕集二氧化碳的新工艺流程图如图4所示。
作者对两个吸收法的技术原理和费用做了比较分析发现,ECO2技术费用低,脱碳效率高,相比于MEA法更加适用于回收二氧化碳,具有广泛的应用前景。
图4氨水法回收二氧化碳工艺流程示意图
NiuZhenQi与GuoYinCheng等[7]利用喷雾洗涤氨水法进一步改进了ECO2工艺,其改进后的工艺流程图如下所示:
图5氨水法回收二氧化碳工艺流程图
2.2.3膜分离法
膜分离法的原理:
膜分离法是利用某些聚合材料制成的薄膜对不同气体的渗透率差异来分离气体的。
膜分离的驱动力是压差,当膜两边存在压差时,渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜,形成渗透气流,渗透率低的气体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流,两股气流分别引出从而达到分离的目的。
据对气体分离的机理的不同,膜分离法可分为分离膜和吸收膜两类。
吸收膜是在薄膜的另一侧有化学吸收液,并依靠吸收液来对CO2进行选择吸收,而微孔分离膜只起到隔离气体与吸收液的作用。
两种膜的分离原理示意图为[1]:
图6两种膜分离原理示意图
图7膜分离流程示意图
朱玲、王金渠(大连理工大学精细化工国家重点实验室)等[5]研究发现了水合物膜法捕集烟道气中的二氧化碳的新技术。
其工艺流程如下图所示:
图8水合物膜法捕集烟气中二氧化碳工艺流程示意图
2.2.4低温蒸馏法
低温蒸馏法的原理:
该法主要用于回收油田伴生气中的CO2。
较典型的工艺是美国KochProcess(KPS)公司的RyanHolmes三塔和四塔工艺,整个流程包括乙烷回收、甲烷脱除、添加剂和CO2回收。
低温蒸馏法能耗高,分离效果较差,只适用于油田伴生气中CO2的回收。
在未来的IGCC设计或CO2再循环系统中,由于烟气中含有高浓度CO2,低温蒸馏法值得考虑,其优点是可以产生用管道输送的液体CO2。
现在没有成型的二氧化碳捕集工艺流程图。
2.2.5吸附法
吸附法原理[8]:
吸附法是利用吸附剂对混合气中CO2的选择性可逆吸附来分离回收CO2的。
吸附法又分为变温吸附法(TSA)和变压吸附法(PSA)。
吸附剂在高温或高压时吸附CO2,降温或降压后将CO2解析出来,通过周期性的温度或压力变化,从而使CO2分离出来。
该法的关键是吸附剂的载荷能力,其主要决定因素是温差或压差。
吸附法工艺过程简单、能耗低,但吸附剂容量有限,用量很大,且吸附、解吸频繁,要求自动化程度高。
举例:
吸附法原理:
该法的关键是吸附剂的载荷能力,其主要决定因素是温差或压差。
吸附法工艺过程简单、能耗低,但吸附剂容量有限,用量很大,且吸附、解吸频繁,要求自动化程度高。
刘应书、郑新港等[8](北京科技大学机械工程学院)在对吸附法的研究中,建立了3塔变压吸附分离装置,对烟道气中的低浓度二氧化碳(体积分数12%左右)的富集进行了实验研究,考察了吸附压力和吸附时间、置换压力和置换时间及解吸压力对产品气浓度和回收率的影响。
工艺流程图如下:
1一压缩机;
2一冷干机;
3一真空缓冲罐;
4一真空泵;
5一产品气缓冲罐;
QI流量变送器;
TI变送器;
PI力变送器;
P一压力表;
~程控阀;
D圈一球阀;
N一单向阀
图8吸附分离系统工艺图
2.2.6电化学法
电化学法原理:
熔融碳酸盐燃料电池是在闭合电路(应用一个外部电动势)下通过膜传输CO2,其反应原理如下:
阴极:
O2+2CO2+4e=2CO32-
阳极:
H2+2CO32-=2CO2+2H2O+4e
熔融碳酸盐在燃料电池方面的应用有广泛的技术基础;
随着温度的升高,约100%的熔融碳酸盐对CO32-进行了传输;
在600℃显示了高约1s/cm的电导率,CO32-的扩散率相当于10.5cm2/s;
从电厂烟气中分离CO2的附加电力费用较低。
熔融碳酸盐在高温下具有极强的腐蚀性,其制作和操作都很困难;
烟气中的SO2也会毒化电池;
在高温烟气环境下,还存在电解质隔离和电极退化问题。
日本大阪研究社(OsakaResearchInstituteinJapan)、英国石油公司(BritishPetroleumintheUK)和意大利Ansaldo公司(AnsaldoFuelCellsinItaly)也对用熔融碳酸盐电化学系统分离捕集烟道气中CO2进行了实验研究[9],熔融碳酸盐电化学法还需要在具有更高传导性的碳酸盐离子固态电解质研制方面取得突破并进一步优化工艺,所以现在国内没有现成的流程工艺,但这种方法仍可望成为一种有竞争力的CO2分离捕集技术。
3拟选择或设计的工艺流程及预期达到的目的
3.1各种工艺路线的评比
MEA(乙醇胺)法已经过了广泛的研究,并成功地应用于化工厂的CO2回收。
但是,MEA技术具有成本较高、吸收慢、吸收容量小、吸收剂用量大、设备腐蚀率高、胺类会被其他烟气成分降解、吸收剂再生时能耗高等不足。
因此,有必要对该技术进行改进,以降低成本,提高吸收剂的利用效率。
氨水洗涤法工艺的优点是蒸汽负荷小、产生较浓的CO2携带物、较低的化学品成本、副产品可供销售,可实现多污染物控制。
同时,因为许多电厂用氨水来脱除NOx,所以该法占用设备及场地很少,十分经济。
不足之处在于工艺过程中氨的损失大,一次循环后吸收剂的脱碳能力下降严重。
膜分离法回收CO2装置简单、操作方便,是当今世界上发展迅速的一项节能型CO2分离回收技术,但是一般的膜分离法难以得到高纯度CO2。
膜分离法回收CO2成本高,长期运行的可靠性有待进一步解决。
吸附法艺过程简单、能耗低,但吸附剂容量有限,用量很大且吸附、解吸频繁,要求自动化程度高。
表1脱碳工艺路线比较表
脱碳方法
优点
缺点
MEA法
技术成熟;
脱碳效率高;
已工业化。
成本高;
吸收慢;
设备腐蚀率高;
再生能耗高
ECO2法
原料价廉;
反应低压进行,安全性好;
再生能耗较MEA大大降低。
氨损失大;
再生吸收剂吸收能力降低
膜分离法
装置简单;
操作方便;
能耗低。
得到CO2的纯度低;
分离回收CO2成本高
低温蒸馏法
可以产生用管道输送的液体CO2
能耗高;
分离效果较差。
吸附法
工艺过程简单;
吸附剂容量有限,用量很大;
且吸附;
解吸频繁;
要求自动化程度高
电化学法
电厂
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