论文总字数：29773字

摘 要

基于化学吸附的燃烧后CO₂捕集技术是目前技术最成熟，最具应用前景的大型燃煤电站CO₂捕集手段，该方法具有低成本、吸附温度适用于电站排烟温度等优点。本文旨在建立大型燃煤电站碳捕集系统动态模型，深入研究其在不同工况下的动态特性，并在此基础上对其进行控制设计。本文通过使用gCCS软件构建了适用于660MW燃煤电站的550kg/s烟气流量，90%捕集率，1.8bar再沸器温度，392.2K再沸器温度工况下的大型碳捕集系统模型，并在不同捕集率、再沸器温度、再沸器压力、烟气流动等工作条件下，对贫液流量、再沸器抽汽流量、烟气流量等关键输入变量进行阶跃扰动，分析其对捕集率，再沸器温度等系统主要输出变量的动态影响。在此基础上，对该大型碳捕集系统进行控制系统设计，实现碳捕集系统的灵活运行。

关键词：化学吸附，燃烧后碳捕集，动态建模，动态特性调研，控制系统设计

ABSTRACT

The post-combustion CO₂ capture technology based on chemical adsorption is the most mature and promising method for large-scale coal-fired power plants. This method has the advantages of low cost, and the adsorption temperature is suitable for the exhaust gas temperature of power plants. The purpose of this paper is to establish a dynamic model of carbon capture system in large coal-fired power plants, to study its dynamic characteristics under different operating conditions, and to design its control system on this basis. In this paper, a large-scale carbon capture system model for 660MW coal-fired power plant is constructed by using gCCS software under the conditions of 550kg/s flue gas flowrate, 90% capture rate, 1.8bar reboiler temperature and 392.2K reboiler temperature. Under the working conditions of different capture rate, reboiler temperature, reboiler pressure and flue gas flowrate, the key transports are lean liquid flowrate, Reboiler steam flowrate and flue gas flowrate. The step perturbation of the input variable is carried out to analyze its dynamic influence on the main output variables of the system, such as the capture rate and reboiler temperature. On this basis, the control system of the large-scale carbon capture system is designed to realize the flexible operation of the carbon capture system.

KEY WORDS: Chemical adsorption, Post-combustion carbon capture, Dynamic modeling, Investigation of dynamic characteristics, Controller design

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 文献综述 3

1.3 论文的主要工作及研究方法 5

第二章 大型碳捕集系统动态建模 6

2.1 PCC系统动态模型 6

2.2 模型假设 7

2.3 模型方程 7

2.3.1 液体模型 7

2.3.2 气体模型 8

2.3.3 液膜与蒸汽膜模型 8

2.3.4 接口模型 9

2.3.5 物理性质估算 9

2.4 构建模型 10

2.4.1 初步设计考虑和计算 10

2.4.2 根据相关流量估算重要设备的所需尺寸 10

2.4.3 运行案例研究模拟以选择设计和操作变量 10

2.5 建模软件 10

2.6 模型与参数 11

第三章 大型碳捕集系统动态特性分析 12

3.1 不同捕集率下系统动态特性变化规律分析 12

3.1.1 CO₂捕集率动态响应 12

3.1.2 再沸器温度动态响应 14

3.2 不同再沸器压力下系统动态特性变化规律分析 15

3.2.1 CO₂捕集率动态响应 15

3.2.2 再沸器温度动态响应 18

3.3 不同烟气流量下系统动态特性变化规律分析 19

3.3.1 CO₂捕集率动态响应 19

3.3.2 再沸器温度的动态响应 21

3.4 不同再沸器温度下系统动态特性变化规律分析 22

3.4.1 CO₂捕集率动态响应 23

3.4.2 再沸器温度动态响应 24

第四章 大型碳捕集系统控制器设计 26

4.1 PI控制器设计 26

4.2 控制系统实现 26

4.3 仿真 27

4.3.1 仿真一 27

4.3.2 仿真二 28

第五章 总结 31

5.1 总结 31

5.2 不足与展望 32

绪论

研究背景

当今人类面对的主要问题在于温室效应所导致的气候变暖。要减缓气候变换，减少温室气体的排放势在必行。工业革命以来，空气中CO₂的含量增幅巨大，其主要来源为煤炭，石油，天然气等化石燃料的燃烧，这些温室气体被排放入大气后，导致大气成分改变，从而影响大气环境与生态。温室气体中，各种气体对于大气的影响也是不同的。CO₂因其具备较长的寿命期限（50~200年）及超高的排放量（60亿吨/年）而对“温室效应”的影响最大。其危害在主要体现在大气中过高的CO₂含量会阻挡地面辐射的长波，导致全球温升，冰川融化，进而破坏生态与气候。据统计，工业化以前全球年均大气CO₂浓度为278ppm（1ppm为百万分之一），而2012年全球年均大气CO₂浓度为393.1ppm，到2014年4月，北半球大气中月均CO₂浓度初次上升到400ppm。受限于我国的贫油少气多煤的能源结构，我国成为世界上第二大 CO₂排放国，仅次于美国^[13]。因此，采用强有力的措施抑制 CO₂的排放，减缓“温室效应”，对于解决全球变暖问题具有非常重要的意义。

碳捕集与储存技术（CCS）

碳捕集与储存技术是指将大型发电厂或工厂所产生的二氧化碳（CO₂）捕集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。

CCS的理念是于1977年所提出的，当时有人提出可以从燃煤电厂捕获二氧化碳并注入适当的地质构造。现在碳捕集技术主要应用于燃煤燃气电厂、水泥厂等大型化工厂中用于减少CO₂排放。碳捕集，就是捕集排放到空气中的CO₂，将其处理压缩后，注入枯竭的油田，气田，咸水层，无法采集的煤矿等，可以某种程度上提升煤矿油田的采集率，或者注入海洋中封存。

CCS主要包含三个步骤：捕集、运输和储存。根据不同的工艺过程或应用场合，碳捕集方式可分为燃烧前捕集、富氧燃烧以及燃烧后捕集技术。

燃烧前捕集技术

燃烧前捕集技术主要运用于IGCC（整体煤气化联合循环）系统中，将煤在高压富氧环境下分级变成煤气，再经过水煤气将产生CO₂和氢气（H₂），气体压力和CO₂浓度都很高，将很容易对CO₂进行捕集。剩下的H₂为作为燃料使用。

该技术的捕集系统小，能耗低，在效率以及对污染物的控制方面有很大的潜力，因此受到广泛关注。然而，IGCC发电技术仍面临着投资成本太高，可靠性还有待提高等问题。

富氧燃烧技术

富氧燃烧采用传统燃煤电站的技术流程，但通过空气分离技术，将空气中占比较大的氮气（N₂）脱除，直接采用高浓度的氧气（O₂）与抽回的部分烟气（烟道气）的混合气体来替代空气，这样得到的烟气中有高浓度的CO₂气体，可以直接进行处理和封存。

该技术路线的最大缺陷在于制氧技术中，空气分离装置的投资和能耗太高，拉高了整个流程的成本，还没找到一种廉价低耗的能动技术。在电厂中，富氧燃烧技术的风险大于燃烧前捕集技术与燃烧后捕集技术，故未大规模应用。

燃烧后捕集技术

燃烧后捕集技术即从燃烧后的烟气中捕集CO₂，如今常用的CO₂分离技术主要有化学吸附法和物理吸收法，此外还有膜分离法技术，低温吸附法，固态吸附法，微生物和藻类吸附法等等，这些技术虽然正处于发展阶段，但却是公认的在能耗和设备紧凑性方面具有非常大潜力的技术。

化学吸附法拥有吸收速率快，价格低廉等优点，但存在吸收容量小，有腐蚀性，解析能耗大，烟气处理前需要去除NO_x与SO₂以及O₂（溶剂易被氧化降解）等缺点。物理吸附的能耗主要在于增压，对于CO₂分压低于15vol%的烟气，物理吸附是不经济的。

燃烧后捕集技术可适用于所有的火发电厂。然而，普通烟气的压力小体积大，CO₂分压很低，而且含有大量的N₂及其他杂质气体，因此捕集系统繁琐复杂，需要大量设备处理其他杂质气体，耗费大量的能源，成本巨大。^[19]

采用MEA溶剂对CO ₂进行化学吸附是发电厂燃烧后捕集技术对于烟气适宜使用的技术之一，特别对于改造电厂来说相对合适。它沸点较低，拥有耗能相对较少、再生能力强、吸收性能好等诸多优点，同时价格也相对其他溶剂低廉。缺点在于溶剂易氧化和降解，烟气需要经过预处理，对环境有危害，溶剂具有腐蚀性。MEA有三种降解途径：氨基甲酸酯聚合（100℃以下），氧化降解和热降解（205℃以上）。甲醛，甲酸盐，亚硫酸钠会抑制MEA的吸附能力，增加MEA的损失。

在现有的燃煤电厂中加入CO₂捕集装置具有重要意义。通过燃烧后CO₂捕集技术（Post-combustion carbon capture, PCC）我们可以控制全部CO₂排放量中的40%（来源于火电厂）排量，实现火电厂的超低排放，进而控制温室效应，其次，捕集到的高纯度CO₂可用于工业，医用等其他方面。而现在CO₂捕集技术中，最成熟的是基于化学吸附的燃烧后CO₂捕集技术，具有溶剂价格低、系统稳定等优点，但是该方法最大问题在于需要大量的高温蒸汽用于化学溶剂的再生过程。高温蒸汽由汽轮机中低压缸连接处抽取，这会导致火电机组发电效率大幅度降低。其次存在溶剂在某些环境下易氧化和降解，烟气需要在吸收前需要经过预处理去除其他杂质气体，溶剂对环境存在危害，溶剂对于系统腐蚀等缺点。

为了减小抽汽，提高能源利用率，PCC系统需要灵活运行。同时，随着可再生能源发电的发展，燃煤电站需要灵活运行以满足电网稳定负荷的需求。而烟气流量会随着电厂负荷波动，这会对下游的PCC系统造成很大的影响。因此，为了灵活控制碳捕集系统，最大程度降低碳捕集系统能耗，提升发电厂效率，深入研究其在不同工况下的动态特性，很有必要。通过动态特性调研，我们期望得到工业规模下的集成碳捕集系统在多种工况下输入各种扰动后的响应结果，用以明确系统特性，并根据系统特性优化实际工业过程中的控制策略与效果。因此动态特性调研为控制器优化的基础，有必要对其进行深入研究。

文献综述

Pintoal和Meisen（1993）^[1]提出了工业规模的独立吸收器稳态模型，并考虑了基于速率的传质来估计实际吸收率。结果表明，吸收塔的强化因子和物理性质的变化是获得良好预测的关键。

Alatiqi等人（1994）^[2]通过与分离塔相结合的方法对稳态模型进行了改造。以速率传质为基础，采用强化因子预测吸附速率和汽提速率。

以上两者分别建立了工业规模的独立吸收塔稳态模型和将吸收塔与分离塔纳入一个系统的稳态模型，但是缺乏对于模型动态特性的分析。

Lawal^[3]等人通过使用gPROMS来实现建模与仿真，实验表明，基于速率模型比基于平衡模型能更好地预测化学吸收过程，吸收塔的动态模拟表明，在部分负荷运行时，通过保持贫溶剂和烟气在吸收塔中的流量比，可以维持吸收塔的正常运行。贫溶剂对吸收塔CO ₂负荷的扰动对吸收器性能有显著影响。此模型为动态模型，为独立模型，并未将分离塔集成。

Lawal^[4]中，该研究采用gPROMS建模仿真，集成了吸收塔与分离塔，构建了一个综合PCC过程的动态模型，验证结果表明，该模型能较好地预测吸收塔和再生器的温度分布和CO ₂的负荷。结果表明，水在吸附过程中的平衡非常重要。动态分析表明，吸收塔的性能对L/G比的敏感度高于溶剂和烟气的实际流量。在此研究中，只用了两个案例进行动态模型分析，并未全面地考虑各个参数在实际中可能发生的阶跃。并且构建的模型并非为全规模。

Yu等人^[5]建立了一个严格的基于速率的模型，模拟了水氨捕集过程中CO ₂的再生过程。他们建立了中试规模下稳态的模型，并在模型的基础上验证了30余个案例。佐证了对于MEA溶剂，有必要进行严格地建模且在多个案例下分析其动态特性。

Mores等人^[6]研究了燃烧后CO ₂捕集过程中胺再生装置的操作条件（压力、温度和流量）和尺寸（直径和高度）的同时优化。其仅对于分离塔进行建模，非集成模型，侧重点在于模型优化，而非动态特性。

Kvamsdal等人^[7]建立了吸收塔的动力学模型，给出了启动和减载两种瞬态工况的计算结果。此外，还讨论了上游电厂负荷变化时吸收塔的可操作性问题。为了评估运行并检查电厂运行期间的负荷变化是否会影响吸收塔/分离塔系统的设计，需要建立完整吸收塔/分离塔系统的动态模型。

Biliyok等人^[10]将吸收塔的温度分布、捕集率和分离塔负荷与中试装置的数据日志进行了比较。该模型利用MEA对燃烧后CO ₂捕集装置进行动态验证的方法，验证了该模型能够良好地预测由于许多过程输入和干扰导致的中试装置的波动，产生与数据日志近乎一致的趋势，并指出传质是影响CO ₂吸收的主要因素。。

Lawal^[9]比较了两种不同的方法（基于平衡的方法与基于速率的方法），动态模拟吸收塔，并研究了吸收塔在部分负荷运行期间的动态特性和来自分离塔的干扰。模型使用GPROMS平台来搭建。吸收塔的动态模拟表明，在部分负荷运行时，通过保持贫溶剂和烟气与吸收塔的流量比，可以维持吸收塔的正常运行。贫液流量对吸收塔CO ₂负载的扰动对吸收器性能有显著影响。证明了与基于平衡的方法相比，基于速率的方法得能够更好的预测。对上游电厂负荷下降和贫液中CO ₂负荷增加的影响进行了动态分析。模拟结果表明，吸收塔的运行对L/G比的敏感度高于溶剂和烟气的实际流量。贫溶剂中CO ₂含量的增加导致吸收器性能的显著降低。此模型仅建立了吸收塔的动态模型，并非集成模型，也没有对于多工况下进行动态特性分析。

Harun等人^[11]建立了吸收塔和再生塔的动态模型，研究了L/G比、CO₂负荷、烟气流量等参数。

Lawal ^[10]讨论了CO ₂捕集装置从中试装置规模（经验证）扩大到全规模的问题。并且讨论了中试模型与工业模型之间的联系。文章中进行了四个案例的研究，两个案例研究了集成和不集成CO ₂捕集装置对整个电厂效率的影响。对于CO ₂捕集的情况，研究使用了20、30和40 wt.%的MEA溶液的捕集效率。两个动态案例研究表明，CO ₂捕集装置的响应比发电厂慢。它们还揭示了CO ₂捕集率和发电厂输出控制回路的相互作用，使得很难快速实现稳定的功率输出水平。证明了随着CO ₂捕集率设定值从90%提高到95%，捕集过程的热效率逐渐降低。并且得出结论，选择27m的吸收塔填料高度，可以在增加塔成本和降低再沸器的热量需求之间取得良好的平衡。

Åkesson^[18]等人基于Modelica提出一种MEA水溶液吸收CO ₂化学过程的动力学模型，并与实验数据进行了验证。在验证模型的基础上，建立了适用于在线优化控制策略的降阶模型。结果表明，基于模型的线性优化是一种可行的CO ₂分离系统控制技术。jmodelica.org平台是解决大规模动态优化问题的可行选择，是NMPC应用于CCS装置的前提。

以上研究中，Pintoal和Meisen以及Alatiqi构建了工业规模下独立的吸收塔或分离塔的稳态模型，并未对工业规模下的集成捕集系统进行建模。Mores优化了分离塔的尺寸与模型，并未涉及动态特性。Harun等人、Kvamsdal等人、Lawal等人构建了工业规模下与中试规模下非集成模型与集成模型，且进行了少数工况下的动态分析，遗憾的是，他们的模型规模最大为550MW亚临界燃煤电厂下的碳捕集系统，且进行动态特性分析的工况太少。参考Yu等人对于水氨溶剂进行建模且进行多组工况的动态建模，我们缺少对于MEA溶剂的更大规模的PCC模型的构建以及多种工况的动态特性分析。建立准确的化学吸附燃烧后CO₂捕集系统模型，是开启仿真，掌握系统规律的基础。

论文的主要工作及研究方法

综上所述，目前研究多集中于模型搭建与敏感度分析，针对模型的稳态特性有了充分的研究。但是缺乏将吸收塔与分离塔集成在一起建模的研究，且电厂负荷日常变动对捕集系统影响巨大，有必要在工程应用上研究工业规模下多个工况的动态特性。而且以上研究集中在模型上，缺乏设计控制系统与模型特性相匹配。

因此，本研究构建了CO ₂化学吸收装置和660MW超临界燃煤电厂下碳捕集系统的动态模型，并在此基础上进行仿真。采用gCCS先进的过程建模环境来建立模型并在多工况下进行动态特性分析，在MATLAB中设计控制系统，使用gOMATLAB传输MATLAB与gCCS之间的控制指令与响应。

本文主要工作为：

1 模型稳态参数点的确定

2 动态模型的建立

3 进行动态特性分析

4 设计控制系统

本文将构建660MW超临界电厂的以MEA为溶剂的CO ₂燃烧后捕集系统。

大型碳捕集系统动态建模

根据反应过程有两种建模方法：基于化学平衡模型法（很少实现）和基于速率模型法（或非均衡模型法）。基于化学平衡模型法假设每个阶段蒸汽和液体保持平衡，这种假设很难实现，而基于速率的模型法考虑的是实际的反应速率，因而更加准确^[15]。在基于速率的建模方法中，直接考虑了多组分质量和热传递以及化学反应的实际速率^[16]。使用双膜理论描述该过程，并使用Maxwell-Stefan方程计算传质速率，在液膜和蒸汽膜中模拟传热和传质阻力。吸收塔和再生塔中的反应通过在填料空隙中反应实现。在gCCS软件中，参考关于气液接触器的先进模型库对填料塔进行建模。

PCC系统动态模型

图1 燃烧后碳捕集系统示意图

图1为典型溶剂型PCC装置的原理图，该工艺包括填料塔，即吸收塔和分离塔。烟气自下而上，贫液自上而下在吸收塔吸收CO₂后变为富液，富液在经过热交换器时，被从再沸器中加热过的贫液预热，进入分离塔进行第一次分离，从分离塔流出后由于温度不足或者分离效果未达标，进入再沸器加热，再次进入分离塔分离，未达到要求CO₂载荷的贫液在再沸器和分离塔之间循环，分离结束的从再沸器中抽出，加热从吸收塔中过来的富液，冷却后进入吸收塔。

再沸器提供热量，再沸器热量来源于汽机末端抽汽。因此捕集流程会降低电厂的效率。

分离塔底部产物（氧化物，二氧化硫会生成盐）送回回收机，溶剂蒸发送返回单元。

模型假设

在建立动态模型的过程中，为了简化计算与建模过程，做出如下假设：

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：29773字