论文总字数：33476字

摘 要

由于传统燃煤电厂排放出大量的CO₂，温室效应日益严重，为了积极应对温室效应，碳捕捉与封存技术应运而生。其中利用醇胺溶液作为吸收剂的化学吸附燃烧后捕捉技术是迄今为止最成熟、最具有应用前景的CO₂捕捉技术，单乙醇胺（Monoethanolamine, MEA）是化学吸收法中最常用的溶剂，但是MEA存在吸收率低、能源消耗大，易退化的问题，因此开发与测试新型溶剂，提高传统化学吸附燃烧后碳捕集系统的运行品质，具有重要意义，而哌嗪（Piperazine, PZ）就是一种极具前景的新型溶剂。

本文在gCCS软件平台上建立了基于PZ和MEA两种溶剂的燃烧后碳捕集系统动态模型，并在不同烟气流量、捕集率、再沸器温度、再沸器压力等多个工况下，对两套系统的稳态和动态性能进行了全面的分析。结果表明，PZ溶剂具有低能耗，且动态响应速度更快的特点，是一种比MEA溶剂更有应用前景的新型溶剂。

关键词：燃烧后碳捕集；MEA溶剂；PZ溶剂；动态建模；特性调研

ABSTRACT

Due to the large amount of CO₂ emitted by traditional coal-fired power plants, the greenhouse effect is becoming more and more serious. In order to cope with the greenhouse effect, carbon capture and storage technology has emerged. The chemisorption combustion capture technology using amine solution as an absorbent is the most mature and promising CO₂ capture technology to date. Monoethanolamine (MEA) is the most commonly used solvent in chemical absorption, but MEA exists. Low absorption rate, high energy consumption and easy degradation, it is of great significance to develop and test new solvents and improve the operation quality of carbon capture systems after traditional chemical adsorption combustion. Piperazine (PZ) is a kind of promising new solvent.

In this paper, a dynamic model of post-combustion carbon capture system based on PZ and MEA solvents have been established on the gCCS software platform, and used in various conditions such as different flue gas flow rate, capture level, reboiler temperature and reboiler pressure. A comprehensive analysis of the steady-state and dynamic performance of the two systems was performed. The results show that PZ solvent has the characteristics of low energy consumption and small dynamic response, and it is a new solvent with more application prospect than MEA solvent.

KEY WORDS: Post-combustion carbon capture; MEA solvent; PZ solvent; Dynamic modelling; Behavior survey

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1背景 1

1.2碳捕捉与封存技术（CCS） 1

1.2.1 燃烧前捕捉技术 1

1.2.2 富氧燃烧技术 1

1.2.3 燃烧后捕捉技术 2

1.3文献综述 2

1.4本文大纲 4

第二章 基于化学吸附的燃烧后CO₂捕集系统gCCS软件模块介绍 5

2.1gCCS软件简介 5

2.2吸收过程 5

2.3吸收塔与再生塔 6

2.4热交换器 9

2.5冷凝器 10

2.6再沸器 10

第三章 基于MEA和PZ溶剂的碳捕集系统模型设计与实现 11

3.1仿真流程 11

3.2碳捕集系统主要参数设计 12

3.2.1 吸收塔 12

3.2.2 再生塔 14

3.2.3 热交换器 15

3.2.4 冷凝器与再沸器 16

3.2.5整体模型 16

第四章 不同溶剂下碳捕集系统特性分析 18

4.1稳态特性分析 19

4.1.1 不同烟气流量工况 19

4.1.2 不同再沸器温度工况 21

4.1.3 不同再沸器压力工况 22

4.1.4 不同捕集率工况 23

4.2动态特性分析 24

4.2.1 贫液流量阶跃 25

4.2.2烟气流量阶跃 28

4.2.3抽汽流量阶跃 31

第五章 结论 35

参考文献 37

致 谢 40

第一章 绪论

1.1背景

由于温室效应，1880年至2016年间，平均地表温度上升了1.71华氏度(0.95摄氏度)^[1]。温室效应导致冰川融化，海平面上升，海洋碳酸化，直接威胁着动植物的生命。2015年巴黎气候变化大会上通过了《巴黎协定》，目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2℃以内，全球包括中国在内有近200个国家签署了这项协定。

在所有的温室气体中，CO₂占据了主要影响。当前CO₂主要来源于发电厂化石燃料的燃烧^[2]。现阶段，燃煤电厂仍将作为提供全球能源的主要手段，因此发展碳捕捉与封存技术（CCS）、控制二氧化碳气体排放、缓解温室效应具有重要意义。

1.2碳捕捉与封存技术（CCS）

CCS的概念最早是在1977年引入的，当时有人提出可以从燃煤电厂捕获二氧化碳并注入合适的地质构造^[3]。现在碳捕捉技术主要应用于燃煤电厂、水泥厂等大型工厂中用于减少碳排放。碳捕捉，就是捕捉释放到大气中的二氧化碳，将其压缩之后，压回到枯竭的油田和天然气领域或者其它安全的地下场所进行存储。因此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，碳捕捉技术又可分为燃烧前捕捉技术、富氧燃烧技术以及燃烧后捕捉技术。

1.2.1 燃烧前捕捉技术

燃烧前捕捉指在燃料燃烧前先通过化学反应将碳转化为二氧化碳进而分离去除。目前燃烧前捕捉技术主要应用于集成气化联合循环系统 ，主要过程是煤炭气化生成合成气（一氧化碳和氢气的混合物），经过一些转化过程使一氧化碳转化为二氧化碳，氢气用于其它燃烧过程而CO₂被收集。但是煤气化过程复杂，能耗巨大^[4]，因此燃烧前捕捉技术仍在完善阶段。

1.2.2 富氧燃烧技术

富氧燃烧技术主要是靠高纯度的氧气助燃。空气经分离后产生纯度较高的氧气，煤炭、天然气等燃料在其中燃烧，燃烧产物主要包含二氧化碳、水蒸气、氧化化合物以及一些惰性气体。燃烧产物在冷凝器中冷凝后，CO₂含量高达80%以上，再经过压缩脱水等步骤进行储存。富氧燃烧技术是最具有成本效益的商用路线^[5]，但空气分离装置使整个系统的经济性变差，并且对于大型的现役电厂来说，需要大幅改造，富氧燃烧技术的技术风险大于燃烧前捕捉技术和燃烧后捕捉技术，因此尚未达到商业化水平^[5]。

1.2.3 燃烧后捕捉技术

燃烧后捕捉技术是从主要含有氮气的烟气中将二氧化碳分离出来并做回收处理。其中CO₂的分离方法主要有化学吸收法、物理吸附法、膜分离法以及低温蒸馏法等。其中化学吸收法是回收CO₂的常用方式，它是利用碱性溶剂与通过其中的CO₂发生反应，再借助逆反应进行CO₂的释放和吸收剂再生，与其它方法相比，化学吸收法分离效率高，能耗少。利用醇胺溶液作为吸收剂的燃烧后捕捉技术是迄今为止最先进的CO₂捕捉技术^[6]。作为碳捕捉过程的化学吸收剂，它应该对二氧化碳具有很强的选择性和吸收能力，为了可以循环利用需要具有再生性，除此之外也要求吸收剂价格低廉、安全无害等。

1.3文献综述

MEA（monoethanolamine）是化学吸收法中最常用的醇胺溶剂^[7]，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^[8]。国内外关于MEA溶剂有着大量的研究，基于MEA溶剂的碳捕捉系统的建模过程日趋完善。Mores等人优化了MEA脱碳的数学模型以确定最佳的脱离工况^[9]。Khan^[10]等人建立了一种基于速率的吸收过程模型，研究了MEA溶液在填充塔内吸收CO₂的特性。但是，MEA的二氧化碳容量和吸收率都较低^[11]，除此之外，使用MEA脱碳过程中的腐蚀问题也不可忽视。

溶剂型碳捕捉技术是电力行业实现经济、可持续减排目标最具商业价值的技术，但其商业化进程较慢，主要是由于巨大的成本负担以及不可预测的政府政策，在未来,新溶剂的开发将成为极具潜力的途径^[12]。目前较有发展前景的吸收剂还有PZ、MDEA、AMP以及它们同MEA的混合溶剂。

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