一种低能耗捕集CO2煤基甲醇和电力联产过程设计

传统的煤制甲醇过程所需合成气的氢碳比为2.1左右,而煤气化粗合成气氢碳比仅为0.7左右,因此需要将部分合成气进行变换来调节氢碳比。然而,变换气与未变换气混合后使得CO₂浓度降低,从而导致CO₂捕集能耗增加。提出了一种低能耗捕集CO₂煤基甲醇和电力联产过程。新联产过程中部分粗合成气首先经过变换,将CO转变为H₂和CO₂,CO₂浓度提高,在此时进行CO₂捕集可实现捕集能耗的降低。经CO₂捕集后,得到富H₂气体,富H₂气体分流后与另一部分煤气化粗合成气混合调节甲醇合成的氢碳比。对新的过程进行了建模、模拟与分析。结果表明相比传统的带CO₂捕集的煤制甲醇和IGCC发电过程,新的联产过程的能量节约率可达到16.5%,CO₂捕集能耗下降30.3%。     

膜分离捕集燃煤电厂烟气CO2过程优化设计

全球CO₂的排放量不断升高,导致气候问题频发。“双碳”目标下,如何高效、低成本地捕集燃煤电厂烟气CO₂已经成为迫在眉睫的问题。传统的化学吸收法由于能耗高、成本高、溶剂易挥发等问题严重制约了其发展,而膜法碳捕集因为其操作简单、能耗低、环境污染小等优势被认为是最有前景的捕集方式。本文以PI中空纤维膜为分离膜,建立和求解了气体分离膜模型。并以燃煤电厂烟气CO₂为捕集目标,利用多岛遗传算法求解了膜分离捕集CO₂工艺的不同配置,并优化了分离过程中的关键参数(膜面积、操作压力)。结果显示：在二级膜分离工艺中,二级一段膜分离工艺的第一级膜和第二级膜操作压力分别为5.8 bar和7.1 bar,第一级膜和第二级膜的面积分别为448000 m²和180000 m²时,单位捕集成本为27.36 USD/t CO₂。与二级二段膜分离以及其他几种传统的CO₂捕集方法(MEA法、相变吸收法)相比,二级一段膜分离捕集CO₂的捕集成本和能耗均最小。本研究将为CO₂捕集实现低能耗和低成本化提供依据。     

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%。     

新型CO2低温捕集与N2/O2分离复合系统性能分析

提出了一种CO₂低温捕集液化与N₂/O₂分离的新型复合系统,并且对该系统的性能以及优势进行了分析。这一系统不仅将CO₂低温捕集液化与N₂/O₂的分离结合起来,而且能达到降低能耗与减少投资的目的。采用理论分析和软件模拟相结合的方法,对该系统进行可行性分析。结果显示,这一新型系统不仅能量消耗低于传统醇胺吸收捕集CO₂的系统,该新型复合系统捕集1 t CO₂耗能3.29 GJ·t^-1,而传统MDEA吸收法耗能4.11 GJ·t^-1。而且在该系统中,CO₂分离液化的同时,可以获得副产物N₂与O₂。本研究阐明了一种CO₂低温捕集液化与N₂/O₂分离复合系统的新思想。     

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...     

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。     

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。     

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。     

低能耗化学吸收碳捕集技术展望

低能耗的CO₂捕集技术对“碳减排”有重要意义。化学吸收法是工业常用的CO₂捕集方法,过程能耗高、成本高,限制了大规模的工业应用。近年来,随着新型吸收剂的开发和吸收解吸装置的设计,过程能耗有所降低,在我国已有多套碳捕集示范装置。然而进一步降低捕集能耗,节约捕集成本是实现“碳中和”的不变追求。本文基于溶剂化学吸收CO₂研究,提出以下化学吸收法的研究方向：开发广泛的相变吸收理论,构建吸收体系数据库,建立定量预测模型,以实现吸收体系的分子设计;强化气液传质,设计液相传热部件和气液分离空间,研发高效吸收解吸设备,以提升碳捕集效率;耦合化学吸收和矿化,实现原位CO₂吸收固定,提升过程经济性。通过化学吸收技术的系统研发,以期促进低能耗的碳捕集,助力祖国实现“碳中和”。     

面向二氧化碳捕集的过程强化技术进展

化石能源的大量燃烧在推进人类工业化进程的同时也使当今世界面临愈发严峻的气候变化和环境问题。为降低大气中日益增长的CO₂浓度并实现《巴黎协定》所设定的2℃目标，CO₂捕集技术得到了越来越广泛的关注和研究，其中部分技术已实现了小规模工业化。在持续推进节能减排的背景下，通过CO₂捕集对现有工业过程进行强化是CO₂捕集技术发展的一个新兴方向，如此不但可提高原有过程的效率和产品品质，还可大幅减少其碳排放，是具有应用前景的技术路线。本文从CO₂捕集的主流技术出发，介绍了面向CO₂捕集的过程强化技术，重点介绍CO₂捕集强化的蒸汽重整制氢过程、水气变换过程和生物质气化过程，以及耦合CO₂捕集的CO₂加氢过程、CH₄干重整过程和化学链燃烧过程，最后还对捕集后CO₂的利用与转化技术进行了简介。     

真空变压吸附捕集烟道气中二氧化碳的模拟、实验及分析

采用工业硅胶作为吸附剂,利用两塔变压吸附装置进行了烟道气变压吸附碳捕集实验。利用gPROMS软件建立两塔变压吸附模型对实验过程进行模拟,对比了实验和模拟的结果,验证了模型的准确性。通过两塔变压吸附可将15%的CO₂富集到74%,收率为91.52%。在模型基础上考察了变压吸附碳捕集过程中进料量、吸附时间、顺放压力与二氧化碳收率、纯度和能耗的关系,定性分析了吸附塔压力和进料量对压缩机能耗的影响。结果表明:增大进料量、延长吸附时间、降低顺放压力,可以有效提高产品气中CO₂浓度,但同时也导致收率的下降,前两者还会造成单位能耗的增加;吸附压力越高,进料流量越大,压缩机能耗越大。     

化学链空分联合化学链制氢的煤制甲醇过程参数优化与分析

我国能源结构决定了以煤为主的甲醇生产路线。传统煤制甲醇过程主要存在过程能量效率低、CO₂捕集能耗高等问题。本文提出了一种化学链空分联合化学链制氢的煤制甲醇新过程，以降低能耗、二氧化碳排放及提高能源效率。化学链空分技术的集成可以替代传统煤制甲醇过程的空气分离单元，并在一定程度上降低能耗。化学链制氢技术的集成，一方面可以替代水煤气变换装置，并且可以极大程度降低二氧化碳捕集能耗；另一方面，化学链制氢技术还可生产用于调整合成气氢与碳比的氢。本文对新过程的核心单元进行了参数优化以及全流程的模拟，基于模拟对新过程的性能进行了分析，结果表明新过程与传统的煤制甲醇过程相比，空分和二氧化碳捕集能耗分别降低了41%和89%。同时，新过程的能量效率提高了18%，二氧化碳排放量降低了45%。     

天然气脱碳技术研究进展

天然气是一种高燃烧热值的清洁能源,但开采出来的天然气中含有一定量的酸性气体CO₂,会造成热值降低、管道腐蚀等问题,因此在管道运输和使用前需对其进行脱碳处理。分别对低温精馏、溶剂吸收、吸附和膜分离四种脱碳技术进行了介绍,详析了每一种技术的工艺特点和典型工业应用情况,并从原料气进料条件、脱碳效率、能耗及成本等方面进行了分析比较,为不同实际工况脱碳工艺的选择提供指导,具有重要的工程意义。膜分离技术在装置占地面积、能耗及成本等方面具有一定优势,可灵活调变的级数工艺也使其能够实现高CO₂脱除率和低烃损失,具有良好的发展和应用前景,特别是适用于空间受限的场合,如在海上平台进行天然气脱碳处理。     

Strategies for CO2 capture from different CO2 emission sources by vacuum swing adsorption technology☆

Different VSA(Vacuum Swing Adsorption) cycles and process schemes have been evaluated to find suitable process configurations for effectively separating CO2 from flue gases from different industrial sectors. The cycles were studied using an adsorption simulator developed in our research group, which has been successfully used to predict experimental results over several years. Commercial zeolite APGIII and granular activated carbon were used as the adsorbents. Three-bed VSA cycles with- and without-product purge and 2-stage VSA systems have been investigated. It was found that for a feed gas containing 15% CO2(representing flue gas from power plants), high CO2 purities and recoveries could be obtained using a three-bed zeolite APGIII VSA unit for one stage capture, but with more stringent conditions such as deeper vacuum pressures of 1–3 k Pa. 2-stage VSA process operated in series allowed us to use simple process steps and operate at more realistic vacuum pressures. With a vacuum pressure of 10 k Pa, final CO2 purity of 95.3% with a recovery of 98.2% were obtained at specific power consumption of 0.55 MJ·(kg CO2)-1from feed gas containing15% CO2. These numbers compare very well with those obtained from a single stage process operating at1 k Pa vacuum pressure. The feed CO2 concentration was very influential in determining the desorption pressure necessary to achieve high separation efficiency. For feed gases containing N 30% CO2, a singlestage VSA capture process operating at moderate vacuum pressure and without a product purge, can achieve very high product purities and recoveries.     

带循环的二阶变压吸附碳捕集工艺模拟、实验及分析

针对日益严重的温室效应及传统CO₂捕集和储存技术的不足,设计带循环的二阶四塔变压吸附装置捕集电厂烟道气中的二氧化碳,采用炭分子筛作为第一阶二塔处理装置吸附剂,采用13X作为第二阶二塔处理装置的吸附剂。建立上述工艺的数学模型,通过实验验证数学模型和模拟结果的准确性。模拟结果表明,本工艺可以将烟道气中的CO₂（15%）富集为纯度95%的产品气,收率为93.92%,工艺处理量为4.576 mol CO₂·h^-1·kg^-1,能耗为0.847 MJ·（kg CO₂）^-1,通过对比,本工艺具有处理量大、回收率高、纯度高的优点。在此基础上,根据数学模型分析二阶床层在一个周期内的压力变化、温度分布、固相和气相组成分布、能耗组成、生产能力。     

Design and experiment of high-productivity two-stage vacuum pressure swing adsorption process for carbon capturing from dry flue gas

A two-stage vacuum pressure swing adsorption (VPSA) process that coupled kinetically controlled and equilibrium controlled separation process with reflux has been investigated for capturing carbon dioxide from dry flue gas (85% N₂/15% CO₂). In the first enriching stage, carbon molecular sieve (CMS), which shows kinetic selectivity for CO₂/N₂, is adopted as the adsorbent to remove most N₂ in feed gas, thereby upgrading CO₂ and significantly reducing the amount for further refinement. The second stage loads zeolite 13X as adsorbent to purify the CO₂-rich flow from the first stage for meeting the requirements of National Energy Technology Laboratory. Series of experiments have been conducted for adsorption isotherms measuring and lab-scale experimental validation as well as analysis. The effect of feed composition on the separation performance of the PSA system was studied experimentally and theoretically here. The optimal results achieved 95.1% purity and 92.9% recovery with a high CO₂ productivity (1.89 mol CO₂·h^-1·kg^-1) and an appropriate energy consumption of 1.07 MJ·(kg CO₂)^-1. Further analysis has been carried out by simulation for explicating the temperature, pressure, and concentration distribution at cyclic steady state.