集成供冷的燃煤电厂碳捕集、封存系统优化分析

利用碳捕集、封存系统(CCS)减排燃煤电厂CO₂是碳中和必经之路，但目前较高的碳捕集、封存成本限制了该技术的发展和应用。针对某300 MW燃煤机组，利用Aspen Plus模拟软件提出并搭建了基于碱金属基干法碳捕集、封存耦合供冷系统，利用凝结水循环进行深度耦合，达到回收CO₂压缩封存过程中冷量的目的，有效降低碳捕集成本。在不耦合供冷过程的情况下，通过回收CO₂吸附过程释放的反应热，降低碳捕集系统单位耗电量至413.79 kWh/t(以CO₂计，下同);此时CO₂压缩封存过程能耗仍巨大。为此，在上述碳捕集封存系统进一步耦合供冷机组。通过模拟计算可得集成后新系统降低了CO₂压缩程度，此时加压封存过程的单位耗电量降至247.54 kWh/t,降低了2.3%,CO₂捕集封存总运行成本进一步降低33.77%。此外，供冷机组的引入还会降低额外投资成本，如通过提高CO₂吸附床内的换热温差，减少受热面布置量和吸附剂装载量，从而减...     

高浓度氨水捕集二氧化碳的能耗与氨逃逸分析

针对低浓度氨水捕集CO₂速率慢、再生能耗高的问题，利用AspenPlus软件模拟高浓度氨水(质量分数为16%～22%)为吸收剂的燃煤电厂CO₂捕集工艺系统，对比高浓度与低浓度氨水捕集CO₂工艺的能耗特性与氨逃逸速率，揭示高浓度氨水脱碳过程中氨逃逸和能耗与氨水浓度、碳负载、解吸塔富液入口温度之间的关联特性。研究表明：再生过程中存在氨逃逸浓度转变的临界再生温度和贫液碳负载的限制，当氨水质量分数为20%时，再生温度不宜高于107℃，贫液碳负载率不宜低于0.25；与低浓度氨水(质量分数为4%～8%)脱碳相比，高浓度氨水脱碳工艺的CO₂再生能耗可降低26.2%～32.2%，考虑氨回收能耗后的总体能耗仍可降低21.6%～25%，为低能耗氨法碳捕集工艺的开发提供了指导。     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。     

基于整体煤气化联合循环的燃烧前CO2捕集工艺及系统分析

CO₂减排作为应对全球变暖的重要手段而逐渐成为国内外研究热点。为研究燃烧前CO₂捕集系统关键技术,以华能（天津）265MW级整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）示范电站为依托,从气化装置抽出合成气约10000m³/h（标况下）,进行一氧化碳耐硫变换、甲基二乙醇胺（MDEA）硫碳共脱、PDS硫回收等技术研究,同时完成我国首套工业规模级燃烧前捕集工艺模拟、系统分析及现场测试。研究结果表明：满负荷运行工况下,每年可捕集CO₂ 7.811万吨,系统单位能耗2.35GJ/t（CO₂）,CO₂捕集率≥ 85%;模拟结果与实际运行数据相吻合。其中MDEA工段能耗占捕集能耗的93.3%,热再生部分则占MDEA工段能耗的81.61%;同时分析了捕集系统各工段CO₂损失过程,增加四段变换可使系统能耗基本不变同时捕集率增加至92.29%;考察了CO₂压缩液化工段能耗及成本。本研究结果可为燃烧前CO₂捕集的设计、工业放大及过程优化提供理论支持。     

碳捕集系统集成MVR热泵节能工艺耦合优化

化学吸收法碳捕集技术是燃煤电厂脱碳的重要途径，但高能耗制约了其发展。集成MVR热泵的工艺流程改进作为降低捕集能耗的重要手段，现有研究大多以软件模拟优化该流程，存在约束条件选取不灵活、参数优化仅对MVR环节局部优化和模拟流程繁琐等缺点。为弥补以上研究不足，以300 MW机组及年产量200万t碳捕集系统数据为基础，对集成MVR热泵的解吸单元进行约束条件设置灵活、优化过程直观的整体建模优化。首先建立MEA吸收CO₂热力学模型及MVR热泵设备数学模型，得到MVR热泵工艺流程设计参数。在此基础上，以最小等量解吸能耗为目标函数，对贫富液换热器小端差及二次蒸汽压缩终压进行优选。之后基于优选结果，在二次蒸汽压缩终压为140 kPa,贫富液换热器小端差为5℃时，对MVR系统闪蒸压力进行优化。优化结果表明，最优闪蒸压力为109.2 kPa,捕集系统最小等量解吸能耗为2.82 GJ/t(以CO₂计),相比于常规碳捕集系统节能率(5.61%)节能效果明显。对集成MVR热泵的节能优化方案的经济性分析结果表明，节能方案总投资为708.28万元，年净收益523.55万元，...     

烟气CO2捕集热能梯级利用节能工艺耦合优化

醇胺法捕集CO₂技术是一种较成熟的CO₂捕集技术，具有吸收速度快、脱除效果好等显著优点，但其操作费用高、解吸能耗大。本文以降低醇胺法捕集烟气中CO₂系统再生能耗为出发点，对常规醇胺法捕集CO₂工艺统进行了节能优化研究。在常规工艺流程基础上引入压缩式热泵节能技术，并利用Aspen Plus软件建立了基于压缩式热泵技术的CO₂捕集工艺流程模型。研究了压缩式热泵与机械蒸汽压缩回收（MVR）热泵、分流解吸、分布式换热、级间冷却4种节能工艺耦合，通过模拟计算与优化，结果说明了最佳节能工艺组合为“解吸塔压缩式热泵+贫液MVR热泵+分流解吸+级间冷却”耦合的CO₂捕集工艺流程，当解吸塔顶气体分流比为0.25∶0.75、冷富液分流比为0.05∶0.95、级间冷却器位于吸收塔17块塔板位置、吸收塔输入冷量为-3.0GJ/h时，系统再生能耗最低，为2.533 GJ/tCO₂，相比常规有机胺工艺（再生能耗4.204GJ/tCO₂）节能率39.748%。     

燃煤电站与光伏余热辅助胺法脱碳系统集成

为应对全球变暖问题,对现有燃煤电站进行碳捕集改造以及大力发展清洁能源势在必行。化学吸收法在碳捕集技术中发展最为成熟,但其再生能耗极高严重影响了燃煤电站自身的发电效率,因此有学者提出通过清洁能源辅助碳捕集的利用方式,其中光热辅助碳捕集应用最为广泛,但该利用方式未发挥单一光热的利用潜力。通过利用聚光光伏发电过程中产生的大量低品位废热辅助碳捕集可以提高光伏系统效率同时对低品位废热进行了有效利用。基于此构思了聚光光伏-光伏余热直接辅助碳捕集的新系统,建立了聚光砷化镓-余热辅助胺法脱碳的能量转化模型,验证了聚光光伏余热在质和量上都具有直接辅助胺法脱碳的潜力,依据热耗灵敏度分析优化了胺法脱碳系统关键参数,其最低热耗可达3.7 GJ/t,分析了电池工作温度及辐照强度对系统碳捕集性能以及光电效率的影响规律,确定了电池最优工作温度为140℃。将新系统集成于典型600 MW燃煤电站,并与参比系统比较可得:相较于单一燃煤碳捕集,电站发电效率提升6.01个百分点,同时增加光伏发电185.2 MW;相较于单一光伏发电,光伏发电量降低15.79 MW,但占接收太阳能60%的余热得到了有效利用,可实现CO₂捕集461.75 t/h。新系统在典型日的光伏日均发电为61.8 MW,日均碳捕集量为155.6 t/h,为实现年碳捕集保证率达80%以上,需要约4 km²以上的聚光面积。新系统利用光伏余热代替了原本从电站低压缸抽汽,消除了碳捕集对电站的能源惩罚,同时将高品位的太阳能转化为电,并对低品位的光伏余热进行对口利用。系统最终实现了太阳能的高效利用以及化石能源的并行清洁利用。     

ZIF-8浆液中试分离CO2/N2过程模拟及能耗分析

ZIF-8/2-甲基咪唑-乙二醇-水浆液(ZIF-8浆液)可以高效低耗能地分离CO₂。为了进一步评估ZIF-8浆液在填料塔中分离CO₂的塔效率及能耗,使用Peng-Robinson(PR)状态方程,求出CO₂和ZIF-8浆液的二元交互作用参数(k_CO2),将二元交互作用参数和Aspen Plus软件进行关联,对CO₂/N₂多级吸收分离进行过程模拟。计算结果表明在中试填料塔中,ZIF-8浆液仅需要5块理论塔板即可将CO₂浓度由20%(mol)降低至2%(mol)以下,填料塔的塔板效率为25%。对中试分离CO₂/N₂进行能耗计算,结果表明当解吸条件为解吸温度333 K,解吸压力0.8 MPa和空气吹扫流量200 L/h时,CO₂捕集等效功最低可至0.474 GJ/t CO₂。在同样条件下使用ZIF-8浆液和MEA(30%(mass))水溶液进行碳捕集时,CO₂捕集等效功分别为0.507 GJ/t CO₂和0.957 GJ/t CO₂,ZIF-8浆液的CO₂捕集等效功仅为MEA水溶液的53%。     

间歇氯化对电石渣循环捕集CO2性能的影响

提出在碳酸化气氛中间歇加入HCl（间歇氯化）提高电石渣在循环煅烧/碳酸化反应中捕集CO₂性能的新思路。在双固定床反应器上,在不同循环次数加入HCl、碳酸化温度、CO₂/HCl体积比等条件下,研究HCl间歇加入对电石渣循环碳酸化特性的影响。结果表明,在循环煅烧/碳酸化反应中间歇加入HCl使电石渣间歇氯化能提高其循环捕集CO₂性能。在前N次循环碳酸化时加入0.1% HCl,当N=4时能使电石渣获得最优CO₂捕集性能,第10个循环时的CO₂吸收量比无HCl时提高了51%。HCl与CaCO₃发生氯化反应,破坏致密产物层对CO₂扩散的阻碍,提高了电石渣的碳酸化转化率。在碳酸化气氛加入HCl时,最佳碳酸化温度仍为700℃。随CO₂/HCl体积比增大,HCl对电石渣捕集CO₂性能的促进作用减弱。     

基于热流逸效应的燃煤电厂烟气二氧化碳分离系统

分离捕集CO₂是实现“双碳”目标的重要途径之一。常规的CO₂分离方法普遍能耗较高,若能以余（废）热为动力来分离CO₂则可综合利用能源、降低能耗。本文针对高碳排放但却拥有丰富余（废）热资源的燃煤电厂,提出了一种基于热流逸效应的烟气CO₂分离系统,并建立了相应的分离过程数学模型和系统性能评价指标。分析表明,CO₂的浓度和回收率均随热流逸式气体分离器串联级数的增加而升高,但浓度和回收率达到某一阈值后效果不再明显;典型的1000MW燃煤电厂烟气经该系统中串联的24级分离器处理后,CO₂的物质的量分数最高可达98.89%,回收率达72.53%。此外,该系统可梯级利用烟气的余热,㶲效率为64.8%,单位能耗为0.047GJ/tCO₂, 与传统CO₂分离方法相比具有一定节能潜力。利用热流逸效应分离CO₂符合当下净零碳排放的政策导向,为CO₂的分离捕集提供了新思路。     

燃煤电厂烟气MDEA/PZ混合胺法碳捕集工艺模拟分析

采用混合胺吸收剂替代传统一乙醇胺（MEA）吸收剂是降低有机胺法碳捕集工艺能耗的重要方法。利用Aspen plus软件模拟了以甲基二乙醇胺(MDEA)/哌嗪(PZ)混合胺为吸收剂的燃煤电厂每年百万吨CO₂捕集工艺系统，考察了贫液负荷、MDEA/PZ混合胺浓度、MDEA/PZ比例和解吸压力等因素对解吸塔再沸器热负荷和冷凝器冷负荷的影响。通过对这些影响因素下吸收塔内液相温度分布和CO₂负荷分布变化揭示了MDEA/PZ对CO₂的吸收特性。此外，进一步分析了不同影响因素下解吸塔内气液相CO₂浓度驱动力和气液相级间温度驱动力分布特性，发现了强浓度驱动力和低温度驱动力分布更有利于降低再生能耗。研究表明，由30%MDEA和20%PZ组成的混合胺液在贫液负荷为0.08和解吸压力为2.02×10⁵Pa时，再沸器热负荷和塔顶冷凝负荷分别为2.76GJ/tCO₂和0.60GJ/tCO₂，相比传统MEA吸收剂降低了20.92%和40.0%。     

煤制天然气过程全局能量集成优化

我国正在大力发展煤制天然气项目实现清洁能源供给。然而现有煤制天然气示范项目存在能耗大、CO₂排放高、生产成本缺少竞争力的问题。本文从煤制天然气能量系统出发,通过全局能量集成实现煤制天然气项目的节能减排与经济效益的提高。根据煤化工示范项目特点,提出了煤制天然气过程全厂能量系统集成优化策略：建立了煤制天然气各单元过程模型,对全流程的物流和能流展开了详细的模拟计算;利用夹点技术对全厂内各单元过程的能量系统展开了用能分析;利用全局温焓曲线对全厂能量系统进行了分析,揭示出全厂能量利用效率低是由于高品位热量降质利用和低品位余热未得到合理利用引起的。通过装置间热回收集成和增设有机朗肯余热回收装置可有效地提高热回收率。通过全厂能量系统优化集成,燃料煤消耗由现有过程1.26t/kNm³（0℃、101325Pa标准状态）天然气下降到1.07t/kNm³天然气。由于公用工程系统消耗的减少,全厂能量利用效率由原来的57.2%提高到59.6%,同时CO₂排放可以由原来5.02t/kNm³天然气下降到4.66t/kNm³天然气。相比于现有过程,改进过程的总投资仅增加了2%左右,而单位生产成本由1.65CNY/Nm³下降到了1.59CNY/Nm³,对于年产20亿立方米煤制天然气厂每年可节约生产成本1.2亿元。     

N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)溶液CO2吸收解吸性能的实验研究

胺法捕集回收二氧化碳工艺存在的最大缺陷是高吸收速率与低再生能耗不能共存,高效溶剂的开发是解决这一问题的有效途径之一。为筛选出吸收解吸综合性能良好的吸收剂,本文利用溶剂快速筛选实验装置对几种不同醇胺吸收剂进行了实验研究,主要从溶液吸收负载、吸收速率、解吸负载、解吸速率、循环容量及相对再生能耗等方面进行了分析比较,实验结果显示N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)溶液表现出较好的CO₂捕获性能。此外,通过溶解度装置、填料吸收塔及再生塔分别对DEEA溶液的平衡溶解度、传质系数及再生能耗进行了实验研究与验证。实验结果表明:增加溶液浓度会降低其CO₂平衡溶解度;增加CO₂分压能增加其CO₂平衡溶解度;增大进料温度能增加溶液在填料塔中的传质系数;提高富液负载及贫液负载会降低溶液的再生能耗。因此,基于其较好的吸收解吸性能,DEEA是一种可以工业化应用的潜在吸收剂。