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。