一種二氧化碳捕集技術(shù)的應(yīng)用

史麗江(江蘇華揚(yáng)液碳有限責(zé)任公司，江蘇 泰州 225411)

1 二氧化碳捕集背景

1.1 二氧化碳排放

全球煤炭使用二氧化碳排放量比2018 年減少近2 億t(-1.3%)，抵消了石油和天然氣排放量的增加。發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的排放量下降了3.7 億t(-3.2%)，其中電力部門占降幅的85%。與2018 年相比，許多大型經(jīng)濟(jì)體的溫和天氣對(duì)趨勢(shì)產(chǎn)生了重要影響，排放量減少了約1.5 億t。2019 年的排放趨勢(shì)表明，在電力行業(yè)的引領(lǐng)下，清潔能源轉(zhuǎn)型正在推進(jìn)。全球電力部門的排放量下降了約1.7 億t(-1.2%)，其中下降幅度最大的是發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，其二氧化碳排放量目前處于20 世紀(jì)80 年代末以來(lái)所未見(jiàn)的水平(當(dāng)時(shí)電力需求下降了1/3)。

全世界碳排放第一的國(guó)家是中國(guó)。2019 年的碳排放數(shù)據(jù)：中國(guó)第一，為908 億t；美國(guó)排放只有49 億t；歐盟是33 億t。而且我國(guó)的二氧化碳排放量還處于快速增長(zhǎng)階段，過(guò)去10 年二氧化碳排放增速達(dá)到38%。當(dāng)然這和中國(guó)能源結(jié)構(gòu)也有密切關(guān)系。因?yàn)橹袊?guó)整個(gè)基礎(chǔ)資源中，用煤是最多的。而在所有的能源當(dāng)中，煤是碳排放量最大的。

江蘇南京及周邊地區(qū)分布著多家煉化企業(yè)，與電廠煙道氣不同的是，煉化尾氣中二氧化碳的含量相對(duì)較高，回收工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本較低。在南京及周邊地區(qū)較大的煉化企業(yè)主要有：JLSH、YZSH、NHGS、YZHX。 4 家煉化企業(yè)二氧化碳年總排放量約為2 000 萬(wàn)t，其中約有300 萬(wàn)t 為純度90%以上的高純度二氧化碳。

1.2 二氧化碳市場(chǎng)

碳酸飲料是國(guó)內(nèi)二氧化碳第一大消費(fèi)市場(chǎng)，占30%左右，目前我國(guó)飲料的人均消費(fèi)不足5 kg/a。而美國(guó)人均消費(fèi)為150 kg/a。隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高，飲料行業(yè)對(duì)二氧化碳消費(fèi)量將會(huì)大幅上升[1]。

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接一直是我國(guó)重點(diǎn)推廣的技術(shù)項(xiàng)目之一，現(xiàn)占二氧化碳消費(fèi)量的20%左右，是二氧化碳第二大消費(fèi)市場(chǎng)。與手工電弧焊相比，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊可提高工效1～2 倍，節(jié)電50%，因而近幾年在汽車、造船、化工設(shè)備等大型制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。尤其是二氧化碳和氬氣混合氣體保護(hù)焊技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，不僅擴(kuò)大了二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的應(yīng)用范圍，而且克服了二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊熱量分散、焊點(diǎn)大、焊接處易變形等不足，這必將推動(dòng)該領(lǐng)域?qū)Χ趸夹枨蟮目焖僭鲩L(zhǎng)。

二氧化碳在食品加工行業(yè)消費(fèi)量占國(guó)內(nèi)二氧化碳市場(chǎng)的15%左右，主要用于食品冷凍、冷藏、滅菌、防霉、保鮮等，與傳統(tǒng)的機(jī)械冷藏相比，二氧化碳冷凍保鮮不僅不會(huì)使食品失水、風(fēng)干、氣化，而且節(jié)能省電，尤其適用于大型食品保鮮和糧食的低溫干燥儲(chǔ)存。目前，我國(guó)東南沿海一些大型超市或冷庫(kù)已開(kāi)始采用二氧化碳制冷保鮮，北方的市場(chǎng)也已啟動(dòng)。為適應(yīng)國(guó)際食品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)內(nèi)高檔食品保鮮需要，這將是液體、固體二氧化碳潛在的巨大市場(chǎng)。二氧化碳驅(qū)油技術(shù)目前是油田重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。由于我國(guó)是貧油國(guó)家，油田可開(kāi)采量少，隨著原油的開(kāi)采，越來(lái)越多的油井出現(xiàn)能量虧空，利用二氧化碳注入井下，補(bǔ)充地層能量，同時(shí)可以提升原油采收率。

2 二氧化碳捕集技術(shù)工藝

NHGS 煤化工裝置中低溫甲醇脫碳成分能夠達(dá)到92%。大量的二氧化碳資源被作為尾氣排放，既污染了環(huán)境，也浪費(fèi)了資源。為響應(yīng)國(guó)家環(huán)保政策，增加資源的利用率，結(jié)合NHGS煤化工裝置中低溫甲醇脫碳裝置二氧化碳項(xiàng)目尾氣中二氧化碳的含量，以及江蘇省二氧化碳市場(chǎng)的需求量，確定建設(shè)年產(chǎn)5 萬(wàn)t 二氧化碳捕集項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于NHGS 煤化工西側(cè)，項(xiàng)目占地1 065 m3，裝置規(guī)模按小時(shí)液體二氧化碳產(chǎn)量6.25 t，設(shè)計(jì)年運(yùn)行時(shí)間8 000 h[2]。本工藝由以下兩個(gè)工段組成：

(1)二氧化碳原料氣增壓工段；(2)二氧化碳液化工段。

進(jìn)本裝置加工的二氧化碳原料氣為NHGS 合成氨放空尾氣。二氧化碳含量(不低于)92%，壓力0.15 MPa，溫度25 ℃，露點(diǎn)：-60 ℃，不含硫。原料氣流量：滿足5 萬(wàn)t 氣量要求。產(chǎn)品二氧化碳為低溫液態(tài)，壓力為1.8～2.0 MPa，溫度為-20～-25 ℃。產(chǎn)品質(zhì)量按滿足三次采油用途設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品中水含量≤50.0×10-6，無(wú)嚴(yán)重腐蝕介質(zhì)，其余指標(biāo)不做要求。

本項(xiàng)目是利用NHGS 煤制氫放空尾氣生產(chǎn)工業(yè)級(jí)液體二氧化碳產(chǎn)品的裝置。由于產(chǎn)品是用于驅(qū)油用途，并且原料氣中不含水分和硫化物，所以工藝采用直接加壓液化流程。

壓縮機(jī)作用是對(duì)原料氣進(jìn)行升壓。NHGS 的放空尾氣通過(guò)管道輸送至壓縮機(jī)進(jìn)口，通過(guò)兩級(jí)螺桿機(jī)進(jìn)行壓縮，提壓到2.7 MPa 然后送入余冷回收器，與經(jīng)分離器放空氣體進(jìn)行預(yù)冷卻后進(jìn)入液化器液化，液化器通過(guò)氟利昂制冷劑蒸發(fā)降溫，使氣體二氧化碳冷凝為液體二氧化碳，然后進(jìn)入分離器閃蒸，液體二氧化碳通過(guò)管道進(jìn)入二氧化碳儲(chǔ)槽，不凝氣通過(guò)余冷回收器與壓縮機(jī)來(lái)的高壓氣體進(jìn)行換熱后高處放空。

制冷劑采用氟利昂，通過(guò)液化器內(nèi)液體氟利昂的低溫蒸發(fā)，傳遞冷量給二氧化碳使之液化，然后把氣態(tài)氟利昂通過(guò)制冷壓縮機(jī)的壓縮，冷凝器的冷凝，氣氟利昂冷凝成液氟利昂回到儲(chǔ)液器后，再去液化器蒸發(fā)吸熱，完成制冷循環(huán)。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目施工

該項(xiàng)目2020 年4 月進(jìn)場(chǎng)施工，7 月現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、管道安裝和電纜敷設(shè)，8 月底完成所有的土建工程、設(shè)備安裝和管道、電纜敷設(shè)，9 月初進(jìn)行管道試壓、保溫等工作?，F(xiàn)場(chǎng)施工階段，整個(gè)工程嚴(yán)格按照工程建設(shè)程序，施工現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)對(duì)安全、質(zhì)量等方面進(jìn)行控制，整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)期間未發(fā)生安全環(huán)保事故，項(xiàng)目施工質(zhì)量合格。

項(xiàng)目建設(shè)主要分為土建工程施工與安裝工程施工兩大項(xiàng)。施工按照先地下、后地上；先土建、后專業(yè)；先主體、后分項(xiàng)的總施工順序原則進(jìn)行部署。其中土建施工與安裝施工穿插進(jìn)行，專業(yè)工程與土建工程相互密切配合，土建工程施工細(xì)分為設(shè)備基礎(chǔ)、雨棚基礎(chǔ)、閥門井基礎(chǔ)、電纜溝基礎(chǔ)、循環(huán)水管線管墩基礎(chǔ)、地磅基礎(chǔ)、UGM 二次灌漿、地面硬化等施工[3]。

安裝工程施工分為設(shè)備吊裝、管線安裝焊接、閥門井帶壓開(kāi)孔、雨棚鋼結(jié)構(gòu)焊接安裝、電纜架設(shè)、風(fēng)光太陽(yáng)能安裝、管線試壓、管線X 射線探傷、設(shè)備調(diào)試、管線保溫、安裝隔音裝置等。

由于裝置完成后，現(xiàn)場(chǎng)地面低洼不平，既不美觀，又影響現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員的安全，項(xiàng)目組立即安排對(duì)地面平整、鋪設(shè)柏油，對(duì)四周進(jìn)行綠化，這樣既增加了現(xiàn)場(chǎng)的美觀，又大大提高了安全保障。

施工安全把控：施工期間嚴(yán)格審查承包商資質(zhì)，做到資質(zhì)齊全；嚴(yán)格按照“外防輸入，內(nèi)防擴(kuò)散”疫情防控要求，做好疫情防控工作；嚴(yán)格按照中石化直接作業(yè)環(huán)節(jié)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行施工；嚴(yán)格落實(shí)每天班前班后會(huì)，每周工程對(duì)接會(huì)制度；高溫期間，及時(shí)出臺(tái)高溫施工管理規(guī)定，合理安排施工時(shí)間，發(fā)放防暑降溫物品，確保施工人員健康；施工過(guò)程，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，嚴(yán)查違章現(xiàn)象確保無(wú)安全事故；開(kāi)展施工期間全國(guó)發(fā)生的安全事故學(xué)習(xí)，并對(duì)施工過(guò)程舉一反三，同時(shí)開(kāi)展相關(guān)排查工作，堅(jiān)決杜絕類似情況在施工過(guò)程中出現(xiàn)，做到絕對(duì)安全[4]。

施工質(zhì)量把控：嚴(yán)格落實(shí)混凝土、鋼筋檢測(cè)及送檢制度；嚴(yán)格進(jìn)行設(shè)備制造監(jiān)檢，派專人到廠家監(jiān)督；嚴(yán)格對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)；嚴(yán)格對(duì)壓力管道進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和探傷；嚴(yán)格按要求辦理壓力容器注冊(cè)登記。

3.2 項(xiàng)目效果

本次試車分三個(gè)步驟：(1)單機(jī)試車；(2)聯(lián)動(dòng)試車；(3)投料試車。

二氧化碳捕集裝置從2020 年9 月21 日9 點(diǎn)到9 月24 日9 點(diǎn)已連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行72 h，各項(xiàng)參數(shù)正常，滿負(fù)荷運(yùn)行每小時(shí)產(chǎn)量7 t，產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，裝置自動(dòng)化程度高，能耗比同行業(yè)降低30%，完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，調(diào)試成功。

(1)試生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)存在PLC 控制柜流量計(jì)計(jì)量不準(zhǔn)確；(2)壓縮機(jī)壓差稍微有點(diǎn)偏高，估計(jì)過(guò)濾網(wǎng)堵塞，管線吹掃時(shí)用的是原料氣，壓力低，可能未能充分吹掃干凈，待調(diào)試結(jié)束后把濾芯拆下來(lái)進(jìn)行吹掃；(3)排空管線未固定；(4)壓縮機(jī)油分離器機(jī)油液位偏低。問(wèn)題解決：

(1)廠家人員對(duì)PLC 控制柜流量計(jì)不準(zhǔn)問(wèn)題進(jìn)行參數(shù)修訂，修改完成后PLC 控制柜流量計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)一致，整改完成；(2)更換壓縮機(jī)排空閥220 V 線圈，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排空；(3)固定排空管；(4)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行加油到上視鏡的三分之二位置。

4 項(xiàng)目結(jié)論

(1)項(xiàng)目清潔環(huán)保，零排放；(2)采用螺桿式壓縮機(jī)代替活塞式壓縮機(jī)，既減少能耗又降低噪聲；(3)使用風(fēng)光太陽(yáng)能燈等清潔能源，降低能耗；(3)采用新工藝，提高產(chǎn)能，提升安全；(4)采用隔音門裝置，降低廠區(qū)噪音。