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CO2 捕集装置工艺及关键设备

CO2 捕集装置工艺及关键设备

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CO2 捕集装置工艺及关键设备

CO2捕集装置工艺及关键设备   CO2,等温室气体的减排已越来越受到国际社会的广泛关注,已成为国际能源领域研发的热点。全球应对气候变化的核心是减少温室气体排放,其中主要是减少能源消费的CO2排放。根据EIA(EnergyInfor-mationAdministration)的数据统计,2004年我国CO2,排放总量为47亿t,约占世界总量的17%,居世界第二,仅次于美国。2000--2004年,我国CO2,排放的增长量占世界同期CO2,排放增长量的50%以上,预计2010年前我国CO2排放量就有可能超过美国成为世界第一排放大国(部分外媒宣称2007年我国CO2,排放量已经跃居世界第一)。我国CO2排放量较快增长的态势,将越来越受到国际社会的关注和压力。  燃煤电厂CO2,排放是我国温室气体的最主要排放源,约占我国CO2排放总量的50%。近年来,随着火电装机容量的迅速增多,燃煤电厂CO2排放的绝对数量和相对比例还将进一步增加。因此,CO2的减排将是我国燃煤发电未来可持续发展的瓶颈之一。由于我国能源结构以燃煤发电为主,以及今后对燃煤发电的长期投入,从燃煤烟气中有效的脱除CO2,将刻不容缓。  尽管发展新型煤电技术、可再生能源、核电与节能降耗等是可行的CO2减排手段,但是我国能源结构长期以燃煤发电为主的现状,决定了只有进行CO2,的捕集与永久封存才是减少温室气体排放的根本手段,也是进一步大量减少CO2排放的唯一手段。目前,国际上CO2捕集与封存技术正处于研究开发和示范阶段,尚未达到商业化,我国在此领域的研发也刚刚起步。中国华能集团作为国内最大的发电企业之一,于2007年在国内率先开展了燃煤电厂CO2,捕集技术研发与工程示范,并在中国华能北京热电厂建立了国内第一座燃煤电站烟气中CO2捕集示范装置,CO2:捕集量为3000~5000t/a。
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CO2 捕集

装置工艺及关键设备

 

  CO2,等温室气体的减排已越来越受到国际社会的广泛关注,已成为国际能源领域研发的热点。全球应对气候变化的核心是减少温室气体排放,其中主要是减少能源消费 的CO2排放。根据EIA(Energy Infor-mation Administration)的数据统计,2004年我国CO2,排放总量为47亿t,约占世界总量的17%,居世界第二,仅次于美国 。2000--2004年,我国CO2,排放的增长量占世界同期CO2,排放增长量的50%以上,预计2010年前我国CO2排放量就有可能超过美国成为世界第一排放大国(部分外媒宣称2007年我国CO2,排放量已经跃居世界第一)。我国CO2排放量较快增长的态势,将越来越受到国际社会的关注和压力。

  燃煤电厂CO2,排放是我国温室气体的最主要排放源,约占我国CO2排放总量的50%。近年来,随着火电装机容量的迅速增多,燃煤电厂CO2排放 的绝对 数量和相对比例还将进一步增加。因此,CO2的减排将是我国燃煤发 电未来可持续发展的瓶颈之一。由于我国能源结构以燃煤发电为主,以及今后对燃煤发电的长期投入 ,从燃煤烟气中有效的脱除CO2,将刻不容缓 。

  尽管发展新型煤电技术、可再生能源、核电与节能降耗等是可行的CO2减排手段,但是我国能源结构长期以燃煤发电为主的现状,决定了只有进行CO2,的捕集与永久封存才是减少温室气体排放的根本手段,也是进一步大量减少CO2排放的唯一手段。目前,国际上CO2捕集与封存技术正处于研究开发和示范阶段,尚未达到商业化,我国在此领域的研发也刚刚起步。中国华能集团作为国内最大的发电企业之一,于2007年在国内率先开展了燃煤电厂CO2,捕集技术研发与工程示范,并在中国华能北京热电厂建立了国内第一座燃煤电站烟气中CO2捕集示范装置,CO2:捕集量为3000 ~5000t/a。

  1 设计基础

  示范装置采用飞灰复燃液态排渣锅炉,烟气净化采用低氮燃烧技术和脱NO装置、静电除尘装置、湿法烟气脱硫装置(FGD),净化后的烟气通过烟塔(冷却塔)合一排放,本项目烟气旁路的抽气点选在FGD和冷却塔之问管道上,如图1 所示。

  采用了最先进的烟气净化技术,经过脱氮、除尘、脱硫后,烟气中的氮氧化物、粉尘、硫氧化物含量均优于欧洲发达国家的先进水平,也为脱除CO2,项目的顺利实施奠定了基础。经检测,脱硫后的即CO2,捕集示范装置入口烟气温度为40 ~50 cc ,主要成分见表1。

 

 

  2 捕集工艺设计

  2.1 全球 CO2分离技术示范概况

  目前 ,全球能提供大规模 CO2 分离技术并具有商业运行业绩的主要有 :美国DOW化学公司开发的基于MEA的 Econamine FG流 程 ,目前由美国Fluor 公司所有,于2000年在美国马里兰州Warrior Run 燃 煤电厂进行 示范 ,CO2 处理 量 为 150 t/d ;日本三菱重工参与开发 的 KEPCO& M H I烟道气 CO2回收流程,也是使用基于M E A 的改进型KS一1溶剂 ,此技术目前已经应 用 于马来西亚一家化工厂 ,CO2 处 理 量 为 210t/d :ABB Lummus G1obal 的 Kerr McGee 流 程 ,也是基于MEA 的一种吸收技术。吸收剂 的选择 与工艺 流程的 优化是烟气CO2 ,回收的核心技术,开发具有我国独立自主知 识产权的燃煤电站烟气CO2,回收技术刻不容缓 。

  2.2 华能北京热 电厂采用化学吸收法捕碳技术

  基于烟气中CO2 ,分压低的特性,根据国外示范装置的研发经验,本装置选择了化学吸收法。该法脱除CO2 ,的实质是利用碱性吸收剂溶液与烟气中的 CO2·接触并发生化学反应,形成不稳定的盐类,而盐类在一定的条件下 (再热或闪蒸等) 会 逆 向-YY f~ 释放出CO2而再生 ,从而达到将 CO· 。从烟气中分离脱除。化学吸收法分离脱除 CO2 常用 的吸收剂有醇胺溶液、强碱溶液 、热苛性钾溶液等。吸收剂的选用标准遵循高吸收率、高吸收负荷和低再生能耗的原则 ,另外也需要考虑吸收剂的抗氧化性和低腐蚀性 。本装置采用了基于MEA (一乙醇胺) 的复合胺溶液,辅以抗氧化剂与缓蚀剂,既延续了MEA 吸收速度快的优点,保持溶液对CO2 的高吸收能力,又能降低溶液的再生能耗,降低设备腐蚀 。

  MEA的分子式为 HOC2H4NH2(简写为RNtt2) ,中文名称一乙醇胺或单乙醇胺,分子量61.08,沸点171CC,凝固点10.5 CC ,蒸气压47.99P a (20 CC ) ,在水中溶解度 (20CC ) 为全溶。MEA具有较强的碱性,在温度为20 ~50 CC 时可与烟气中的二氧化碳迅速反应生成较稳定的氨基甲酸盐,使烟气中二氧化碳得到脱除;将溶液升温到105 CC 或更高时,氨基甲酸盐发生分解,释放出二氧化碳,溶液得到再生,MEA法脱除二氧化碳正是利用这一机理进行的。

  MEA(HOCH2CH2NH2) 属于伯胺,是由一个基团取代了一个氢原子的氨的衍生物。二氧化碳和一乙醇胺水溶液的吸收反应:

 

 

  这些反应都是可逆的,随着温度、溶液表面上二氧化碳的分压的变化,其平衡可向左或右边移。一乙醇胺吸收二氧化碳反应为放热反应,当温度较低时,反应向正反应方向进行,反之则向逆反应方向进行 。

  2.3 CO2 :捕集示范装置系统工艺

  CO2 ,捕集示范装置系统工艺流程简化图如图2所示 。

 

 

  从 除尘 、脱硫后引来的烟气温度为40 ~50 cC,正好处于MEA理想吸收温度。在一般情况下,经过除尘 、脱硫处理的烟气通过鼓风机加压后直接进入吸收塔进行CO2 的吸收 。鼓风机增压用来克服在气体通过吸收塔时所产生的压降。当工况波动下出现烟气温度超温时,启动设置在吸收塔前的喷水减温装置,将其温度降到50 cC 以下。为了防止烟气中带入的水分进入捕集装置破坏系统水平衡,在吸收塔前还增设了旋流分离器,将前段烟气脱硫后夹杂的水分与固体颗粒物脱除 。

  在吸收塔中,烟气自下向上流动,与从上部入塔的吸收液形成逆流接触,使CO2 ,得到脱除。净化后的脱碳烟气从塔顶排出。由于MEA具有较高的蒸汽压,为减少MEA 蒸汽随烟气带出而造成吸收液损失,通常将吸收塔分成两段,下段进行酸气吸收,上段通过水洗,降低烟气中的MEA蒸汽含量。洗涤水循环利用,随着洗涤水 中 M EA 的不断富集,需要N--N Y~洗涤水并入富液中送去再生塔进行再生,由此损失的洗涤水通 过再生气冷凝水来保持 ,同时保证了两套回路的水平衡。吸收了酸气的吸收液(富液)通过富液泵加压送至再生塔。为减少富液再生时蒸汽的消耗量,利用再生后的吸收溶液(贫液) 的余热对富液进行加热,同时也达到冷却再生溶液的目的。富液从再生塔上部进入,通过汽提解吸部分CO2,然后进入煮沸器,使其中的CO2 ,进一步解吸。解吸CO2 后的贫液由再生塔底流出,经贫富液换热器换热后,用泵送至水冷器,冷却后进入吸收塔。溶剂往返循环构成连续吸收和解吸CO2,的工艺过程。从再生塔顶出来的C O,及蒸汽混合物通过冷却器冷冷凝,经由分离器汽水分离,冷凝水通过回流补液返回系统,分离出CO2,气体进入后续的压缩处理程序 。

  为了维持溶液清洁,约10 % ~15% 的贫液经过活性炭过滤器等过滤;为处理系统的降解产物,设置胺回收加热器,需要时,将部分贫液送入胺回收加热器中,加入碱溶液,通过蒸汽加热再生回收。为维持吸收液的清洁,在贫液冷却器后设立旁路过滤器,脱除吸收液中的铁锈等固体杂质 。

  3 捕集装置中的关键设备
 
  CO2,捕集装置主要由吸收塔、再生塔、溶液再沸器、过滤及溶液再回收装置、装置水平衡系统 ,以及其他辅助设备构成 。
 
  3.1 吸收塔、再生塔
 
  吸收塔是捕集系统的关键设备,属于气液传质设备。结合电厂的应用情况 ,在本捕集系统的设计中,采用了压降小、不易起泡的填料塔。再生塔也采用类似的设计。 在填料的选择上,在吸收塔与再生塔内均安装了孔板波纹填料,具有以下特点:填料空 隙率大(>9 8%) ,气液两相能均匀通过,压降低,流通量高;溶液能在孔板表面形成稳定液膜,润湿率高,具有较高的传质效率;具有很 好 的润湿性能和自分布能力,气液分布比较均匀,几乎无放大效应;填料规则排列,无死角,液膜薄,持液量小;造价较低。此外,为了提高分离效率、改善塔后设备的操作状 况、回收昂贵的反应溶剂以及减少对环境的污染,在两个塔器的顶端均设置了高效丝网除沫器。此外,为了使再生塔内的溶液完全再生,在再生塔底部增设一升气帽,使从再生塔顶部流下的溶液经升气帽阻隔,溶液首先全部进入再沸器充分再生。这样既可降低再生温度,同时缩短了溶液在再沸器内的停留时间,降低复合胺溶液的降解 。
 
  烟气在吸收塔内与胺溶充分接触后,约90 %的 CO2 被溶液吸收,余下的烟气则从塔顶排空,同时不可避免的会有部分胺 溶液会随排空烟气带出系统排入大气 ,既污染了环境也增大了胺溶液的消耗量。为了回收排空烟气中携带的胺溶液,吸收塔顶部布置了一套洗涤液系统,建立除盐水循环,对脱除CO,后的烟气进行洗涤。
 
  3.2 溶液再沸器
 
  再沸器是捕集工艺中溶液再生的关键设备,具有供热、产生蒸汽(以降低CO2分压) 和使残余CO2进一步从溶液中解吸等多项功能。在国外CO2 ,捕集系统设计中,再沸器有2 种主要形式:立式热虹吸再沸器与卧式釜式再沸器。在本套装 置再沸器的设计中,采用了立式自然差压再沸器,结合再生塔内升气帽的设计,使溶液从再生塔内较高的高位进入再沸器底部,加热上升后的气态混合物进入再生塔底,再生溶液(气)从再生塔的高位流出、低位进塔,其高度差是促使溶液 在再沸器内自然流动的动力。这种流程布置既保留了立式再沸器结构紧凑、传热系数高的特点,又避免了热虹吸的不稳定问题 。
 
  3.3 过滤及溶液再回收装置
 
  为了使设备长期、高效率地无故障运行,国外的首要经验是保持吸收溶液的清洁。在长时间的运行后,装置内不可避免会有杂质的产生,从而引起溶液的发泡及腐蚀问题,因此,溶液过滤器虽然只是配套设备,却应给予应有的重视。在进入吸收塔的贫液管路上旁路设置活性炭过滤器,根据溶液分析得到的污染程度,调整溶液通过活性碳过滤器的比例,来保持溶液的清洁 。
 
  在回收 CO2-,的过程中,吸收剂的主要成分MEA易与氧气、二氧化碳、硫化物等发生化降解,也易发生热降解,而引起MEA降解损耗增大的主要原因是氧气与MEA的氧化降解反应。MEA与氧气的降解中间产物主要为过氧化物,最终产物为氨基乙酸等,与二氧化碳的降解产物主要有恶唑烷酮类等。MEA降解问题一直是MEA 法回收二氧化碳存在的难以解决的技术难题。在本套装置内加入了抗氧化剂后,降解反应链被部分中断溶液的降解问题能得到很大改善,但是仍然难以完全抑制过氧化物的生成 。溶液生产循环一段时间后,仍然会生成一定数量的热稳定性盐,影响溶液的吸收能力。为了提高溶液的清洁度,保持溶液的CO2- 吸收能力,在捕集系统内布置了胺回收反应釜,间歇性投运,将热稳定盐加热分解生成乙醇胺溶液,回收利用,不可再生的降解产物则从反应釜排放,并进行无害化处理。胺回收反 应釜是一个换热反应设备,通过引入蒸汽作为加热热源,将系统内部分贫液导入反应釜,同时加入一定浓度的碱溶液,使溶液再生回收。胺回收反应釜的投运频率将视运行过程中溶液的降解程度而定 。
 
  3.4 装置水平衡系统
 
  在再生塔内解吸后的CO2 ,温度在100℃左右,携带了大量的饱和水,还有极低浓度的胺溶液,为了回收这部分水分和溶液,维持系统水平衡及溶液浓度稳定,需要在再生塔后布置冷凝器与气水分离器。从气水分离器分离出的液态水经回流补液泵输送到再生塔顶部喷淋,降低塔顶温度,保证再生塔(气提塔) 内的温度梯度,同时也维持了系统水平衡 。
 

  4 结束语

  二氧化碳的排放造成全球气候的变化,是近年来世界各国所重视的课题。未来除了提高能源使用效率外,二氧化碳捕集封存将是实现二氧化碳减排的最有效最直接的办法 。

 

项目名称

烟气 CO2 捕集纯化(CCS)示范项目

立项审批部门

县发展和改革委员会

批准文号

发改备[2017]278 号

建设性质

新建 技改 扩建√

行业类别

C4220 非金属废料和碎
屑加工处理

占地面积
(m2)

 

2737.9

建筑面积
(m2)

 

4000

绿化面积
(m2)

 

600

总投资
(万元)

 

5546.38

环保投资
(万元)

 

150

环保投资占
总投资比例

 

2.7%

评价经费

/

投产
日期

 

工程内容及规模
1.项目背景及任务由来
水陆交通便利,地理位置十分优越。
白马山水泥厂加盟海螺集团后,于 1998 年和 2005 年分别建成投产了一条日
产 2000 吨和一条日产 4000 吨新型干法熟料生产线,并配套建设了年产 259 万吨水泥粉磨系统。为积极响应国家节能减排号召,持续发展循环经济,增强对能源的循环利用能力,2007 年兴建了装机容量为 12MW 的余热发电系统,现年产熟料 280 万吨、水泥 280 万吨,占地面积约 115.6 万平方米。
随着现代工业的迅猛发展,人类对煤、油、天然气等含碳化合物燃料的大规模使用,以及大面积森林火灾和绿色植物的破坏,导致大气中 CO2 的浓度逐年增加,加强能源资源节约和生态环境保护刻不容缓。白马山水泥厂积极响应国家节能减排的号召,坚持科学发展观,走可持续发展之路,减少二氧化硫和其他污染物排放,继续积极发挥在安徽省“蓝天工程”中的作用。目前,白马山水泥厂响应国家和省委省政府号召,为了进一步处理和综合利用水泥窑窑尾废气,企业率先筹建回收水泥窑烟道气二氧化碳的生产装置,项目的建设得到了安徽省省长李国英的大力支持,企业也力争在最短的时间内建成投产,成为全国第一家通过回收水泥窑二氧化碳治理水泥窑尾气的企业。
海螺水泥白马山水泥厂水泥窑烟气 CO2 捕集纯化(CCS)示范项目由芜湖县发展和改革委员会以发改备[2017]278 号文予以备案。本项目原材料来自海螺水泥白马山水泥厂 5#窑尾废气,收集部分窑尾废气,通过吸收、提纯降低废气的排放,同时得到液体二氧化碳,在降低碳排放的同时减少了 5#窑尾废气的二氧化硫和氮氧化物的排放,属于再生资源回收利用。对照国家发展和改革委员会令第
21 号《产业结构调整指导目录(2011 年本)》(2013 年修正),本项目属于鼓励类中“三十八  环境保护与资料节约综合利用•28、再生资源回收利用产业化”,符合国家产业政策要求。
根据《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国环境影响评价法》和
《建设项目环境保护管理条例》(国务院 682 号令)中有关规定,安徽海螺水泥股
份有限公司白马山水泥厂于 2017 年 10 月 27 日委托安徽华境资环科技有限公司进行项目的环评工作。我公司在接到委托后,按项目特点与专业要求,进行现场踏勘、收集资料,针对项目可能涉及的污染问题,从工程角度和环境角度进行了分析,并对工程中的污染等问题提出了相应的防治对策和管理措施,编制了该项目的环境影响报告表,报请审批,为环境保护工作提供科学的依据。

2.项目概况

2.1 拟建项目概况
项目名称:海螺水泥白马山水泥厂水泥窑烟气 CO2 捕集纯化(CCS)示范项目;
建设规模:建设一条窑尾废气处理处置生产线,同时得到副产物 5.0 万吨/ 年液体 CO2,其中 3.0 万吨/年食品级液体 CO2,2.0 万吨/年工业级液体 CO2;建设单位:安徽海螺水泥股份有限公司白马山水泥厂;
项目性质:扩建;
投资总额:总投资约 5546.38 万元,均由企业自筹,其中环保投资 150 万元, 占项目计划投资总额的 2.7%;
建设地点:安徽芜湖市九华南路 1013 号白马山水泥厂厂内,占地 2737.9 m2,
项目地理位置图见附图 1 所示。
2.2 项目建设内容
本项目工程组成包括:新建一套窑尾废气纯化捕集装置,配套辅助装置,项目组成见表 1。
 


表 1 扩建项目建设内容一览表

 

工程
类别

工程名称

工程内容

备注

 

 

 

主体工程

 

窑尾废气纯化、捕集装置

拟对现有厂区 4000 吨新型干法孰料生产线水泥窑尾气进行部分收集(30000 m3/h),新增一条窑尾废气纯化、捕集生产线。收集后通过脱硫水洗塔、化学吸收塔、再生塔  等工序设备后,降低二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物的排
放。同时得到副产物高纯度液体 CO2

 

 

新增

 

 

 

 

辅助工程

控制楼

位于本项目区北侧,一层建筑,用于人员值班以及调控设  备,占地面积 234.9m2

新增

 

压缩机房

位于本项目区北侧,两层建筑,用于 CO2 压缩脱水,占
地面积 402m2,配套压缩机设备一套

新增

 

循环泵站

位于本项目区西侧,用于循环冷却水系统,占地面积
120m2

新增

 

 

 

储运工程

 

储罐区

位于本项目区东侧,紧邻项目区入口,设置两个储罐,其  中靠西侧为 500m3 工业级 CO2 储罐,靠东侧为 400m3 食
品级 CO2 储罐,储罐区占地面积 481m2

 

新增

 

 

 

 

公用工程

供水

供水系统利用现有水泥厂原水取水管线,本项目新增循环
水冷却系统,循环水量 1500 m3/h,新增生活用水 448 m3/a

新增

 

供电

新增年用电量 87.78 万度

新增

 

 

排水

项目废水包括生产废水、生活污水及清净雨水。实施雨污  分流,雨水采用明沟排除,生产过程中给的工艺废水(主  要污染物为 SS)排入污水管网进入厂区人工湖,生活污水经污水处理设施处理后回用于厂区绿化

 

依托现状

 

 

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