天津大学研究生分离工程大作业

化工分离过程课程报告

烟道气碳捕集过程模拟

组员： 伍泓宇 1015207050 邢瑞哲 1015207052 席倩文 2015207303 刘天阔2015207302 赵雅楠2015207307 张 倩2015207306

天津大学化工学院 2016年4月6日

一、烟道气碳捕集过程的研究进展及现状

我国乃至世界都面临着严峻的能源和环境问题。传统化石能源日益枯竭，煤炭、石油等化石能源的燃烧还造成了严重的环境污染。

CO2是最主要的温室气体。过量CO2的排放导致全球性极端气候频发，严重威胁地球生命的生存。全球CO2排放量的50-60%来源于火电厂和工业过程烟道气（主要成分为N2和CO2），对这部分CO2进行捕集和封存（CCS）是当前控制和减少CO2排放的有效手段。从烟道气中分离CO2过程的费用约占整个CCS过程费用的60-80%。因此，如何高效捕集烟道气中的CO2是温室气体减排取得突破的关键。

我国是能源消耗大国，同时也是CO2排放大国，面临着严重的能源危机和巨大的温室气体减排压力。因此，我国迫切需要开发高效的CO2分离过程，以实现在保证经济持续发展和社会需求的条件下，采用清洁能源逐步代替传统能源，并有效控制和减少CO2的排放，从而达到经济的可持续发展和缓解能源、环境问题的“双赢”。

目前，对于大部分化石燃料发电厂而言，产生烟道气量为数千吨/小时（数百万m3/h），烟道气流量极大，但CO2浓度低以及组分复杂等原因导致分离设备体积庞大，能耗高。

烟道气组成：其成分为氮气、二氧化碳、氧和水蒸气和硫化物等，无机污染物占99%以上；灰尘、粉渣和二氧化硫含量低于1%。

传统燃煤电厂烟道气中CO2的体积分数一般为14%-16%，气源特点：（1）气体流量非常大；（2）CO2的分压较低；（3）出口温度较高；（4）含有大量惰性气体N2；（5）主要杂志气体为O2，SO2，NOX等。表1为500MW粉煤电厂脱硫后的常规烟道气。

表1 500MW粉煤厂脱硫后的常规烟道气

流量/（m3.h-1） 1722890

温度/℃ 50 压力/kPa 101.3 组成，%（v） N2 79.85 CO2 14.10 O2 5.04 Ar 0.95 NOX 0.04 SO2 0.02 火电厂是CO2的集中排放源，其烟气中 CO2排放量约占人类活动引起的 CO2总排放量的30%。为了实现 CO2的减排，必须考虑对现有电厂采取减排措施。而发展研究捕集CO2的新型高效节能技术及相关理论，是减排 CO2、避免温室效应、保护环境的关键技术，也是当今世界该领域研究的热点之一。目前，有多种具体的 CO2分离技术，包括传统的吸收法、吸附法、低温分离法等。以

及新兴起的金属氧化物法、电化学法、膜分离法、水合物法等。

大规模捕集CO2的成本过高是CCS技术至今难以真正获得实际应用的瓶颈之一。实现CO2的减排有三种主要的方式，即提高能量利用效率以降低能量消耗，开发可再生清洁能源以降低碳消耗，以及采用CO2的捕集和封存技术(CCS)以存储所排放的CO2。在全球范围内，CO2的大型排放源主要集中在发电厂、水泥生产企业、钢铁工业以及石油和天然气加工行业。其中，以化石燃料为主要能源的火电厂是最大的CO2集中排放源，电厂烟道气中CO2占总的碳排放量的37.5%。然而，在21世纪前50年左右，化石燃料将继续主导热力和电力生产，化石燃料燃烧过程仍将排放大量的CO2。在化石能源中，煤炭占全球能源份额的40%，并且呈逐年上升趋势。对于我国而言，75%的电力仍将由燃煤电厂生产。因此，研究燃煤电厂的CCS技术，对于我国在保障能源供应安全的同时，控制和减少温室气体的排放，以积极应对全球变暖等气候问题具有重要的意义。

其中，吸附法由于操作范围广(适用于不同温度)、设备简单易控以及能耗低等优势，在燃煤厂CO2的捕集过程中得到了大量的研究，并且也有工业示范装置的报导。但是吸附法目前的成本仍旧较高，如果在吸附剂研制方面取得突破，并进一步在吸附工艺的设计和优化方面得到强化，吸附法可以成为一种极有竞争力的CO2捕集技术。而当下用于烟道气中碳捕集的膜分离技术尚未实现工业化应用。表2现有及新建燃煤发电机组（含企业自备燃煤发电机组）大气污染物排放浓度限值。

表2 现有及新建燃煤发电机组（含企业自备燃煤发电机组）大气污染物排放浓度限值

二、烟道气中CO2捕集技术

目前工业上可用于分离 CO2的技术主要有溶剂吸收法、吸附法、气体膜分离法等。

2.1 膜技术分离CO2

膜分离过程是以气体在膜两侧的压差为驱动力，不同气体通过膜的渗透速率不同，渗透速率快的气体在膜的另一侧富集从而实现气体组分的分离。根据对气体分离的机理的不同，膜分离法可分为分离膜和吸收膜两类。吸收膜是在薄膜的另一侧有化学吸收液，并依靠吸收液来对 CO2进行选择吸收，而微孔分离膜只起到隔离气体与吸收液的作用。图1为两种膜的分离原理示意图。

图1 两种膜的分离原理示意图

2.1.1 膜分离法

膜分离法是使用一种选择性渗透膜，根据不同气体渗透性能的差别而实现气体分离的方法。其分离能力主要取决于穿透气流对总气流的压力比和流量比两个过程参数以及薄膜材料的选择性。气体膜分离机理目前常见的主要有气体通过多孔膜微孔的扩散机理和气体通过非多孔膜的溶解扩散机理两种。

膜分离法是依靠气体与薄膜材料之间的选择性溶解与渗透作用，在膜两侧压差的推动下，使得一种组分快速溶解并通过该薄膜，从而将混合气体分离成剩余气流和穿透气流两部分。按材料可以将膜分为有机聚合膜和无机膜。

有机膜大部分是由高分子材料制成的有机膜，已经成功应用在从天然气中分离二氧化碳的工艺中。有机高分子膜的研究领域主要集中在：聚乙炔、聚阴离子、聚芳基酯、多芳基化合物、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚环氧丙,聚酰亚胺、聚苯撑醚、聚吡咯酮和聚砜树脂。

无机膜的材质由于具有耐高温耐腐蚀等一些有机膜无法比拟的优越性而呈现出良好的发展前景。无机膜主要有：⑴以陶瓷膜为支撑层，上面复合一层多孔性金属分离层，操作温度高，但选择性差。⑵沸石（分子筛）研究认为孔径在 0.4nm的沸石对 CO2/N2的分离具有较好的效果，但沸石制备过程中难以严格控制孔径大小。⑶碳膜 碳膜通常比聚合物膜有更高的渗透性能和选择性。碳膜的制备过程是首先选择聚合物前驱体、制备聚合物膜、预处理、炭化、后处理后得到，其

关键步骤为炭化过程。

工业上用于CO2分离的膜材质主要为有机复合膜，如乙酸纤维素膜、聚苯醚及聚矾膜等。近些年来，随着材料科学的迅速发展，涌现出不少性能优异的新型膜质材料，如聚酞亚胺膜、二胺基聚飒复合膜、含二胺的聚碳酸酷复合膜及含丙烯酸酷的浸膜等，它们均表现除了良好的二氧化碳渗透性。

膜分离法对膜的性能要求高，要求不仅具有高的 CO2选择性，而且 CO2在膜上的透过率越高越好。而烟气中的主要成分 N2和 CO2的分子大小相差不是太多，所以往往不容易分离。因此，高选择性和高渗透通量的同时获得一直是膜分离过程中首要注意的问题。此外，低的生产成本、高的热力学和化学稳定性、不易污染、清洗方便、使用寿命长等也是在选择膜的性能时力求达到的标准。膜分离过程由于其较大的界面，较好的装置模块性和操作可塑性以及高的传质系数使得其成为替代化学吸附过程最有潜力的一项二氧化碳捕集技术。

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