孫路長，王爭榮，吳沖，王凱亮，張士明，韓文荃

（1.中國華電科工集團有限公司，北京100070；2.江蘇華電句容發(fā)電有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212000）

0 引言

近年來，氣候變化成為公眾關(guān)注的焦點問題。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會2018 年發(fā)布《IPCC 全球升溫1.5 ℃特別報告》表明人類活動帶來的溫室氣體大量排放已經(jīng)造成了全球氣溫較工業(yè)革命之前上升約1 ℃，若不加控制全球平均氣溫將在2030—2052 年提高1.5 ℃，這將給全球生態(tài)系統(tǒng)帶來不可逆的重大影響［1］。在溫室氣體中CO2占比高達60%，因此進行CO2減排是控制溫室效應(yīng)最有效的手段，碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)是實現(xiàn)CO2減排的主要途徑。CO2主要來自化石燃料的燃燒，當前全球85%的能源需要由化石燃料提供［2］。我國隨著工業(yè)化進展的加快，已經(jīng)超越美國成為全球碳排放第一大國。2019年全球碳排放401億t，我國碳排放量超過100 億t，中電聯(lián)《中國煤電清潔發(fā)展報告》（2016）指出我國電力行業(yè)碳排放占全國能源消耗產(chǎn)生碳排放總量的40%左右，全國單位火電碳排放強度約為822 g/（kW·h）［3］。2020 年9 月在第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，我國提出“二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”?！半p碳”目標的提出對電力行業(yè)碳減排提出了更高的要求，這將導致我國能源結(jié)構(gòu)的大幅調(diào)整。目前煤炭約占我國能源消費的58%，研究表明到2050 年化石能源占比將下降至10%～15%，CCUS將是目前實現(xiàn)該部分化石能源凈零排放的唯一技術(shù)選擇，是碳中和目標下保持電力系統(tǒng)靈活性的主要手段［4-5］。

當前碳捕集技術(shù)總體仍處于研發(fā)和示范階段，主要問題是投資和運行成本過高，長期地質(zhì)封存的安全性和可靠性有待驗證等。歐美等發(fā)達國家率先進行了CCUS 技術(shù)研究，尤其是美國和加拿大已嘗試開展大型CCUS 工程示范［6］。我國碳捕集技術(shù)研究起步雖晚但進展較快，目前已建成十幾個小規(guī)模碳捕集示范工程，多屬于石化、化工和建材行業(yè)，發(fā)電行業(yè)較少［7］。

由于煤電機組排煙體積流量大、煙氣中二氧化碳分壓低、煙氣成分復雜等原因，其碳捕集難度大、成本高［8］。目前，限制煤電機組碳捕集大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其高昂的投資和運行成本［9］。本文針對燃煤電廠排煙，開展了萬噸級碳捕集示范工程設(shè)計及運行優(yōu)化研究，以盡量降低其投資和運行費用。

1 工藝路線論證

1.1 碳捕集技術(shù)分類

碳捕集技術(shù)可分為以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）為代表的燃燒前捕集、以富氧燃燒為代表的燃燒中捕集和以化學吸收法為代表的燃燒后捕集3種［10］。燃燒前捕集主要運用于IGCC 系統(tǒng)中，該技術(shù)捕集系統(tǒng)小、能耗低，然而其投資成本太高且可靠性還有待提高，富氧燃燒面臨的最大難題是制氧技術(shù)投資大、整體能耗高［11］，這2種技術(shù)均僅適用于新建鍋爐，而我國燃煤發(fā)電機組已基本飽和，此2種技術(shù)實施機會較小。

燃燒后捕集即在燃燒排放的煙氣中捕集CO2，該技術(shù)對鍋爐燃燒及發(fā)電主系統(tǒng)沒有影響，既適用于新建機組也適用于老機組改造，應(yīng)用范圍廣闊。燃燒后捕集也有多種，主要為溶劑吸收法、吸附法、膜分離法、生物法等［12-17］。其中，吸附法適用于原料氣中CO2分壓較高或溫度較高且宜于進行壓力或溫度變換的場合，膜分離法和生物法目前處于試驗階段，技術(shù)尚不成熟。相較而言，化學溶劑吸收法已在化工行業(yè)應(yīng)用幾十年，技術(shù)最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。在化學吸收法中，有機胺由于具有較高的二氧化碳分離能力和較低的蒸發(fā)壓，且成本低廉，可以循環(huán)利用等優(yōu)勢，已成為當前最常用的碳捕集吸收劑，目前已在大型煤電機組碳捕集工業(yè)裝置中得到應(yīng)用。

1.2 碳捕集技術(shù)路線選擇

本工程依托的2 臺1 000 MW 機組采用超超臨界燃煤鍋爐，故IGCC 和富氧燃燒技術(shù)均不適合，只能采用后捕集技術(shù)。考慮到燃煤機組排煙中CO2體積分數(shù)低（8%～15%），故選擇性低的物理吸收法選不適用。由于燃煤鍋爐煙氣流量大且近乎常壓（0～200 Pa），若對煙氣進行壓力變換需要耗費巨大的能量，故不宜選用變壓吸附法。由于本項目煙氣經(jīng)濕除后出口煙溫為50～52 ℃，變溫吸附技術(shù)由于變溫能耗回收難和流化循環(huán)過程中吸附劑損耗過大也不宜使用。而膜分離法、低溫蒸餾法和生物法還處于中小規(guī)模試驗階段，技術(shù)尚不成熟、成本較高，對本項目也不適用?？紤]到電廠對裝置運行可靠性要求較高，故選用技術(shù)成熟、分離效果好的化學吸收法。

化學吸收法中，有機胺和無機氨這2 種吸收劑最為常用，新型的吸收劑如氨基酸鹽、離子液體、非水吸收劑、相變吸收劑等也在開發(fā)過程中［18-24］。氨水法有再生效率低、氨逃逸率高的問題，會造成潛在的環(huán)境二次污染，故在碳捕集中應(yīng)用不多。氨基酸鹽再生困難、成本高，離子液體生產(chǎn)困難、價格高昂，非水吸收劑和相變吸收劑均存在吸收劑損耗率大的問題。鑒于電廠對項目的運行安全性要求較高，故本項目選用了對二氧化碳選擇性強、性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟的有機胺法。有機胺也有多種，包括一級胺、二級胺、三級胺和空間位阻胺等，不同胺與二氧化碳的反應(yīng)機理不盡相同，其反應(yīng)熱、反應(yīng)速率也各不相同。傳統(tǒng)的第1代吸收劑是以30%的單乙醇胺（MEA）為代表，其具有吸收效率高、反應(yīng)速率快的優(yōu)點，但缺點是易降解、易氧化且腐蝕性強。因此，本文考慮選用改進的第2代吸收劑，是由多種有機胺復配而成的水基吸收劑并添加抗氧化劑和緩蝕劑，其再生能耗低、酸氣負荷大、損耗低、壽命長。

本示范項目所在地處于內(nèi)陸，附近無油田，無法將捕集到的產(chǎn)品CO2用于驅(qū)油，也無合適的地下咸水層或礦井可用于封存，故產(chǎn)品考慮回用。鑒于項目所在地經(jīng)濟發(fā)達，食品級二氧化碳的需求量大，考慮將產(chǎn)品提純至食品級以提高其利用價值。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，通過中壓壓縮、吸附、液化和精餾，即可獲得高純度的二氧化碳。

根據(jù)以上分析，本項目確定總體技術(shù)路線為有機胺捕集+壓縮精制，整體技術(shù)包含4 個操作單元：煙氣預處理單元、有機胺捕集單元、壓縮精制單元和產(chǎn)品儲存供應(yīng)單元，如圖1 所示。煙氣預處理單元是對原料氣所含的微塵和少量強酸性氣體進行處理，以減少其對吸收劑造成的危害；捕集單元是通過吸收再生過程實現(xiàn)煙氣中的CO2分離；壓縮精制單元是通過壓縮、吸附、冷卻液化和精餾提純技術(shù)進一步提高CO2純度，以滿足食品級標準要求；產(chǎn)品儲存供應(yīng)單元是將液化后的CO2儲存、制成干冰及裝車外運。

圖1 碳捕集技術(shù)路線示意Fig.1 Schematic of the carbon capture technical route

2 萬噸級示范工程設(shè)計

2.1 設(shè)計條件

依托江蘇華電某電廠二期2×1 000 MW 擴建工程，建設(shè)1 套碳捕集量為10 000 t/a 的碳捕集示范裝置，產(chǎn)品原按食品級液體二氧化碳設(shè)計，后考慮到產(chǎn)品多元化需求增加了干冰制備裝置。原料氣來自二期#3，#4燃煤機組濕式電除塵器出口，污染物已達超低排放標準，煙氣主要組分見表1。表中BMCR為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量，THA 為機組的熱耗率驗收工況。

2.2 工藝流程

碳捕集示范工程捕集部分工藝流程如圖2 所示。鍋爐排放的煙氣經(jīng)脫硝、電除塵、脫硫和濕式電除塵后進入碳捕集裝置的深度凈化塔，在塔內(nèi)經(jīng)洗滌降溫和深度脫硫后，由引風機送入吸收塔底部入口。吸收塔內(nèi)煙氣中的CO2被來自塔頂?shù)呢氁何?，?jīng)洗滌冷卻后的凈煙氣自塔頂排空。吸收CO2后的富液由塔底經(jīng)泵送入貧富液換熱器，回收熱量后送入再生塔。富液在再生塔內(nèi)通過汽提解吸部分CO2，然后進入溶液煮沸器，在蒸汽加熱下使其中的CO2進一步解吸。解吸出的CO2連同水蒸氣從再生塔頂排出，經(jīng)冷卻分水后得到純度95%（濕基）以上的產(chǎn)品——粗CO2氣，隨后被送入后續(xù)壓縮精制工段。解吸CO2后的貧液自再生塔底流出，經(jīng)貧富液換熱器換熱降溫后，用泵送至貧液冷卻器冷卻后返回吸收塔。再生氣冷凝分離出的液體經(jīng)地下槽收集后再送入再生塔，返回到吸收劑循環(huán)系統(tǒng)。由此，吸收劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸CO2的工藝過程。在預處理階段，本項目將深度凈化塔系統(tǒng)排出的廢水送至脫硫制漿系統(tǒng)回用于制漿，最終用于SO2脫除，既減少了廢水排放量，又可以充分回用廢水中的剩余堿性。

表1 碳捕集入口煙氣組分Tab.1 Composition of flue gas at the carbon capture system inlet

碳捕集示范工程壓縮精制部分工藝流程如圖3所示。粗CO2氣經(jīng)緩沖后進入CO2壓縮機，壓縮到約2.5 MPa 并預冷后進入吸附器，脫除含硫組分和其他雜質(zhì)，隨后再進入干燥器進行深度脫水。然后進入冷凝器，在2.0 MPa、-18～-20 ℃條件下液化，之后進入提純塔精餾提純，再經(jīng)后冷器降溫后進入產(chǎn)品罐儲存，最后可由裝車泵裝車外運。液體二氧化碳也可由干冰機制成干冰后裝箱回用。預冷、液化、提純和后冷等所需冷源由制冷機提供。

2.3 主要設(shè)備選型優(yōu)化

（1）深度凈化塔：1 座，選用填料塔，根據(jù)處理煙氣量和洗滌要求，采用圓柱塔型?？紤]到濕煙氣及深度凈化塔洗滌液的腐蝕性，填料選用增強塑料散堆填料，塔體內(nèi)部設(shè)防腐層，塔內(nèi)件選用不銹鋼材料。

圖2 碳捕集示范工程捕集部分工藝流程Fig.2 Process of the carbon capture section in the carbon capture demonstration project

圖3 碳捕集示范工程壓縮精制部分工藝流程Fig.3 Compression and purification process of the carbon capture demonstration project

（2）吸收塔：1 座，采用圓柱填料塔?？紤]到吸收液的腐蝕性，塔體按碳鋼設(shè)計，內(nèi)設(shè)防腐層。塔內(nèi)設(shè)3 段塑料散堆填料，其中2 段用于吸收，1 段用于尾氣洗滌。

（3）再生塔：1 座，采用圓柱填料塔。考慮運行溫度，塔體按不銹鋼設(shè)計，內(nèi)設(shè)不銹鋼塔盤2 片，不銹鋼孔板波紋規(guī)整填料2段。塔下設(shè)立式溶液煮沸器1座。

（4）提純塔：1 座，新型復合填料塔，圓柱形。塔頂設(shè)冷凝器，塔中段設(shè)2段不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)整填料，下部為儲液區(qū)?？紤]到檢修方便，再沸器與提純塔分體設(shè)置。

（5）產(chǎn)品罐：2 臺，立式雙層真空保冷儲罐，主材碳鋼，每罐容積80 m3，滿足液態(tài)二氧化碳3 d的儲存要求。

（6）引風機：1 臺，離心式。由于濕煙氣具有較強的酸腐蝕性，風機葉輪及殼體等與煙氣接觸部分的材質(zhì)采用316L?？紤]到鍋爐排煙中CO2的體積分數(shù)隨機組負荷變化波動較大，引風機按變頻設(shè)計，配套變頻器以便及時調(diào)節(jié)系統(tǒng)煙氣量。

（7）壓縮機：1 臺。小型二氧化碳壓縮機有活塞式、螺桿式2種。螺桿式壓縮機在運行時需要噴油，雖然其有油過濾器等除油設(shè)施，但本項目所需產(chǎn)品純度要求較高，為防止油對二氧化碳的污染，故選用了氣缸與填料無油潤滑的活塞式壓縮機，氣缸帶不銹鋼缸套以防止腐蝕。設(shè)備形式為L型兩列三缸水冷無油潤滑往復活塞式，排氣壓力2.5 MPa。

（8）制冷機：1 臺?？紤]到環(huán)保需要，工質(zhì)選用對大氣臭氧層無污染的環(huán)保型多元共沸R404a制冷劑，制冷壓縮機為螺桿式，機組配有儲液器、冷凝器、油分離器及電控柜等輔助設(shè)置。

（9）冷換系統(tǒng)：1 套。貧富液換熱器、貧液冷卻器、洗滌液冷卻器等選用板式換熱器，板片選用高效板型以提高換熱效率，主材為不銹鋼。溶液煮沸器、再生氣冷卻器、再沸器、液化器、預冷器、后冷器等則選用管殼式換熱器，并根據(jù)工作條件選用合理的材質(zhì)。為安全起見，換熱器設(shè)計余量取20%以上。

（10）泵類：間斷運行的加堿泵和廢水泵各設(shè)1臺，經(jīng)常運行的泵均按1 用1 備設(shè)置，并根據(jù)工作介質(zhì)的不同選用不同材質(zhì)。裝車泵選用屏蔽泵，其他泵均為離心泵。

（11）干冰機：2 臺，考慮到干冰的制備可以獨立于液態(tài)二氧化碳生產(chǎn)，每臺機產(chǎn)量按500 kg/h 設(shè)計。干冰機所排廢氣分為2路，一路排空，一路接入二氧化碳精制系統(tǒng)。在正常情況下，考慮回收干冰機所排二氧化碳氣體，以便循環(huán)利用。

2.4 設(shè)備布置優(yōu)化

碳捕集裝置與二期擴建主體工程協(xié)同設(shè)計，在合理位置預留碳捕集裝置布置空間，碳捕集所需外部連接管路、電纜橋架等均依托主廠管架或管溝敷設(shè)。碳捕集區(qū)域內(nèi)部根據(jù)功能不同，將整體裝置分為3 個區(qū)域布置，分別為電控間、主裝置區(qū)和產(chǎn)品區(qū)。主裝置區(qū)位于中間，布置有捕集及壓縮精制主要工藝設(shè)備，設(shè)工藝樓1 座，設(shè)備分層布置，并在2層預留了新技術(shù)開發(fā)及試驗平臺所需空間。產(chǎn)品區(qū)主要布置有產(chǎn)品罐、裝車泵及干冰車間等。各區(qū)之間路面硬化，并設(shè)環(huán)形道路便于設(shè)備檢修和人員通行。

3 示范工程運行優(yōu)化研究

碳捕集示范裝置于2019 年5 月成功投運，2020年6—12月，進行了多次運行優(yōu)化試驗，并對主要運行參數(shù)進行了分析，結(jié)果如下。

3.1 深度凈化塔運行優(yōu)化

深度凈化塔承擔著降煙溫和捕集煙氣中強酸性氣體的作用。其主要運行參數(shù)是循環(huán)液量、循環(huán)液溫及循環(huán)液pH 值。運行中發(fā)現(xiàn)在秋冬低溫時節(jié)吸收塔水平衡出現(xiàn)問題，吸收系統(tǒng)液量降低明顯，貧富液質(zhì)量濃度逐漸增加。經(jīng)分析，低溫狀態(tài)下原料煙氣經(jīng)過長距離管道輸送后煙溫大幅度降低，而在吸收塔中煙氣與吸收劑接觸反應(yīng)過程中煙溫升高，其飽和水含量增加，自吸收劑中吸收水分。因此在低溫季節(jié)，應(yīng)適當降低深度凈化塔循環(huán)液量，減少或關(guān)閉冷卻水，以保證吸收塔入口煙溫在一定水平。

3.2 吸收塔運行優(yōu)化

吸收系統(tǒng)主要運行參數(shù)是吸收劑循環(huán)流量、吸收塔入口貧液溫度、吸收塔入口煙溫、尾氣洗滌液循環(huán)量及洗滌液溫度等。根據(jù)吸收系統(tǒng)的反應(yīng)條件，將各參數(shù)均設(shè)定了合理的推薦范圍，并通過分散控制系統(tǒng)（DCS）調(diào)節(jié)。吸收劑循環(huán)流量對碳捕集效率、碳捕集量和再生蒸汽耗量的影響分別如圖4—6 所示。由圖可見，各數(shù)據(jù)點呈離散狀，相互偏差較大。分析原因主要是由鍋爐負荷變化造成，本項目煙氣中CO2的體積分數(shù)隨鍋爐負荷變化在10%～15%間波動，鍋爐負荷根據(jù)電網(wǎng)的要求一天中可能會有多次調(diào)整且無法反饋到碳捕集裝置控制系統(tǒng)中，從而對碳捕集裝置造成了較大的沖擊。其次，在運行過程中，由于工況參數(shù)多，每次可能同時調(diào)整多個參數(shù)，各參數(shù)相互之間有干擾或協(xié)同作用，從而造成運行結(jié)果出現(xiàn)偏離。

圖4 碳捕集效率隨吸收劑循環(huán)流量變化的曲線Fig.4 Carbon capture efficiency varying with the absorbent circulation flow

圖5 碳捕集量隨吸收劑循環(huán)流量變化的曲線Fig.5 Carbon capture capacity varying with the absorbent circulation flow

圖6 蒸汽耗量隨吸收劑循環(huán)流量變化的曲線Fig.6 Steam consumption varying with the absorbent circulation flow

雖然數(shù)據(jù)點有較大波動和偏差，但多個數(shù)據(jù)點的趨勢分析結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，隨吸收劑循環(huán)流量的增加，碳捕集效率先降低后增加，碳捕集量及蒸汽耗量則是緩慢增加。因此，從節(jié)能的角度出發(fā)，吸收劑循環(huán)流量不宜太高。但同時也不宜太低，過低的循環(huán)流量將影響碳捕集裝置產(chǎn)量。按碳捕集效率90%、產(chǎn)量1.39 t/h 計，本項目最優(yōu)的吸收劑循環(huán)流量為3 400～3 700 kg/h，吸收劑入口溫度宜取40 ℃，入口煙溫建議控制在38～40 ℃。

3.3 引風機運行優(yōu)化

碳捕集效率和碳捕集量隨吸收塔入口煙氣量的變化曲線如圖7—8所示。由圖可知，隨著原料煙氣量的增加，碳捕集效率下降，而碳捕集能力則上升。這是因為隨著入口煙氣量增加，煙氣中攜帶的CO2總量增大，使得可碳捕集到的CO2絕對質(zhì)量增多，但由于裝置碳捕集能力受限，吸收塔出口煙氣中CO2質(zhì)量濃度反而增大，碳捕集效率隨之下降。圖8 中煙氣量為7 000 m3/h，碳捕集量卻僅為924.4 kg/h 的工況點經(jīng)查是由于設(shè)定的再生溫度過低（106.4 ℃），吸收劑再生效果不好造成的。由圖7和圖8 可知，宜將入口煙氣量控制在6 000～7 000 m3/h（標態(tài)、濕基、實際氧），同時應(yīng)根據(jù)入口煙氣中CO2質(zhì)量濃度的變化及時調(diào)整煙氣量。

3.4 再生塔運行優(yōu)化

碳捕集效率和碳捕集量隨再生溫度的變化曲線如圖9—10 所示。由圖可知，隨著再生溫度的升高，碳捕集效率和碳捕集量均有先增加后減少的趨勢。這是因為再生溫度過低時，CO2吸收反應(yīng)生成的銨基甲酸鹽等中間產(chǎn)物分解不徹底，貧液的酸氣負荷較高，吸收余量不大，因此捕集效率和碳捕集量均較低。隨著再生溫度升高，貧液再生效果變好，故碳捕集效率及碳捕集量隨之增大。但再生溫度過高則會導致貧液出口溫度增加，吸收塔進液溫度相應(yīng)提高，反而抑制了吸收反應(yīng)。本碳捕集裝置在再生溫度為109.5 ℃時碳捕集效率最高，產(chǎn)量較大，但同時再生蒸汽耗量也較大。

圖7 碳捕集效率隨吸收塔入口煙氣量變化的曲線Fig.7 Carbon capture efficiency varying with the flue gas at the absorption tower inlet

圖8 碳捕集量隨吸收塔入口煙氣量變化的曲線Fig.8 Carbon capture capacity varying with the flue gas at the absorption tower inlet

圖9 碳捕集效率隨再生溫度變化的曲線Fig.9 Carbon capture efficiency varying with the regeneration temperature

3.5 能耗優(yōu)化

圖10 碳捕集量隨再生溫度變化的曲線Fig.10 Carbon capture capacity varying with the regeneration temperature

碳捕集量、碳捕集效率和再生溫度隨再生蒸汽耗量的變化如圖11—13所示。由圖可知，隨著再生蒸汽耗量增大，再生溫度直線升高，而碳捕集效率和碳捕集量則是先升高再下降。鑒于本項目要求的碳捕集效率為90%，碳捕集量為1.39 t/h，根據(jù)圖9 可知，對應(yīng)的再生溫度為108.7 ℃，由圖13 得其再生蒸汽耗量約為2 100 kg/h，由圖11 可知其碳捕集能力可達1 600 kg/h，高于設(shè)計要求（1 390 kg/h）。為降低能耗，可以采取稍低的再生溫度，或者在采用高再生溫度時適當降低吸收劑循環(huán)流量。綜合分析，本項目合適的吸收劑再生溫度宜控制在108.5～109.0 ℃之間。

圖11 碳捕集量隨再生蒸汽耗量變化的曲線Fig.11 Carbon capture capacity varying with the regeneration steam consumption

圖12 碳捕集效率隨再生蒸汽耗量變化的曲線Fig.12 Carbon capture efficiency varying with the regeneration steam consumption

圖13 再生溫度隨再生蒸汽耗量變化的曲線Fig.13 Relationship between regeneration temperature and regeneration steam consumption

裝置運行優(yōu)化過程中，DCS數(shù)據(jù)庫中蒸汽耗量、電耗量（含碳捕集與精制部分）與碳捕集量隨時間變化的曲線如圖14所示。由圖可知，電耗量基本呈直線，變化較小，碳捕集量和蒸汽耗量則有劇烈波動。碳捕集量與再生蒸汽耗量和電耗量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)關(guān)系如圖15—16 所示。由圖15 可知，大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計條件下，碳捕集量與再生蒸汽耗量的關(guān)系與圖11 有所不同，雖然數(shù)據(jù)點也存在較大的波動，但從趨勢分析上看二者線性正相關(guān)，這是因為大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)彌補了少量樣本情況下偏差的影響。由圖16可知，碳捕集量與電耗量也呈線性關(guān)系。當設(shè)計產(chǎn)量為1 390 kg/h 時，需要的平均蒸汽耗量約為2 080 kg/h（折合單位蒸汽耗量為1.496 t/t CO2），折合單位再生能耗3.07 GJ/t CO2（按蒸汽換熱焓差2 049 kJ/kg 計），電耗量約為433 kW·h，折合單位電耗量312（kW·h）/t CO2。

3.6 性能試驗

經(jīng)過運行優(yōu)化調(diào)整后，示范裝置運行平穩(wěn)，由第三方機構(gòu)進行了性能考核試驗。性能試驗共測試了3 個工況，每個工況對應(yīng)的吸收塔入口煙氣量分別為6 874，6 702，6 678 m3/h（標態(tài)、濕基、實際氧）。利用吸收塔入出口煙道上預留的煙氣測孔，利用網(wǎng)格法分別測量了入/出口煙氣量、煙溫及煙氣組分等數(shù)據(jù)，煙氣參數(shù)測試儀器為S型皮托管、熱電偶、紅外煙氣分析儀、自動煙塵測試儀和煙氣含濕量溫度檢測器等。性能試驗期間，吸收塔入口平均煙溫為40 ℃，入口平均CO2體積分數(shù)為14.8%（干基、實際氧），出口平均CO2體積分數(shù)為0.41%（干基、實際氧）。碳捕集量、蒸汽耗量和電耗量分別根據(jù)DCS 記錄的液位、流量、電流、電壓等數(shù)據(jù)計算得到。產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)指標是自產(chǎn)品罐前密閉采樣器取樣并送至專門計量檢測機構(gòu)化驗取得。性能試驗結(jié)果取各工況下平均值，主要技術(shù)指標見表2。

圖14 碳捕集量、蒸汽耗量、電耗量隨時間變化的曲線Fig.14 Curves of carbon capture capacity，steam consumption and electricity consumption varying with time

圖15 碳捕集量與再生蒸汽耗量統(tǒng)計數(shù)據(jù)關(guān)系曲線Fig.15 Carbon capture capacity varying with the regeneration steam consumption

圖16 碳捕集量與電耗量統(tǒng)計數(shù)據(jù)關(guān)系曲線Fig.16 Carbon capture capacity varying with the statistics electricity consumption

由表2 可知，裝置各項技術(shù)指標均達到或超過設(shè)計值。其中，碳捕集效率和電耗量顯著優(yōu)于設(shè)計值。這是由于在性能試驗時，將吸收劑循環(huán)流量、再生溫度分別設(shè)定為37 000 kg/h 和109 ℃，在此條件下吸收劑再生效率高、碳捕集能力強，故獲得了較高的碳捕集效率。

但由于入/出口煙氣中含水率高達16%，入口煙氣中CO2濕基質(zhì)量分數(shù)僅為12.43%，低于設(shè)計值，故產(chǎn)量只有1.39 t/h，與設(shè)計值持平。裝置蒸汽耗量為2.14 t/h，單位蒸汽耗量為1.54 t/t CO2，折合再生能耗3.2 GJ/t CO2，略低于設(shè)計值但略高于裝置優(yōu)化運行均值。裝置總電耗量為431.32 kW，單位電耗量為310.3（kW·h）/t CO2，其中碳捕集段功率約為100.0（kW·h）/t CO2，這說明壓縮機和制冷機對裝置電耗影響較大。

性能試驗期間屬于初冬，氣溫較低，系統(tǒng)制冷所需電機功率有所降低，同時深度冷卻塔循環(huán)泵低流量運行、引風機變頻運行也有益于減少運行電耗。

表2 碳捕集裝置主要技術(shù)指標Tab.2 Main technical indexes of the carbon capture device

4 運行成本分析

通過以上參數(shù)優(yōu)化，按年捕集10 000 t 二氧化碳計，裝置年運行成本約為379 萬元，碳捕集成本約為379 元/t，與國內(nèi)同類工程相比較費用屬于中等水平（國內(nèi)碳捕集成本在300～500 元/t 之間［25］），遠低于國外同類工程。各項費用取值及計算詳見表3。

由表3可知，對于萬噸級裝置來說，蒸汽、電、人工和吸收劑費用在運行費用中占比較高，其中蒸汽和電費分別占35.23% 和24.48%，合計占比達59.80%。這說明，需要從降低蒸汽耗量和電耗量入手來減少裝置運行成本。

表3 碳捕集裝置運行費用Tab.3 Operation cost of the carbon capture device

5 結(jié)論與展望

本文針對依托某電廠2 臺1 000 MW 燃煤機組所建設(shè)的10 000 t/a二氧化碳捕集示范項目，進行了技術(shù)路線比選，綜合考慮燃煤電廠煙氣特性和各種碳捕集技術(shù)的適用條件，選定了有機胺法捕集+壓縮精制技術(shù)路線，所用吸收劑為多元復合醇胺水基溶液，項目產(chǎn)品精制為食品級液體和干冰后回用。在示范裝置設(shè)計過程中進行了工藝流程、設(shè)備選型和布置優(yōu)化。

在裝置投運后，進行了多次優(yōu)化試驗，通過不同工藝運行參數(shù)的設(shè)定，考察了吸收塔入口煙氣量、入口煙溫、吸收劑循環(huán)流量和再生溫度等工藝參數(shù)對裝置碳捕集效率、碳捕集量、蒸汽耗量和電耗量的影響。通過運行試驗數(shù)據(jù)的分析，得到了一系列關(guān)系曲線以及主要工藝運行參數(shù)的最佳范圍。在性能考核試驗中，各項技術(shù)指標均達到或優(yōu)于原設(shè)計值，對本碳捕集裝置今后運行類似項目具有指導作用。研究主要結(jié)論如下：

（1）隨吸收劑循環(huán)流量增大，碳裝置能耗、碳捕集量相應(yīng)提高，碳捕集效率則先降后升，推薦的吸收劑循環(huán)流量為3 400～3 700 kg/h。

（2）隨吸收塔入口煙氣流量增大，碳捕集量增大，但碳捕集效率反而下降，本裝置適宜的煙氣流量為6 000～7 000 m3/h。

（3）隨再生溫度的提高，再生蒸汽耗量、碳捕集量均增加，而碳捕集效率則先升后降，本項目最佳再生溫度為108.5～109.0 ℃。

（4）在性能試驗中，本示范裝置單位蒸汽耗量為1.54 t/t CO2，電耗量為310.3（kW·h）/t CO2，以此核算運行成本為379 元/t CO2，運行成本中蒸汽耗量和電耗量占比較高。

（5）長期優(yōu)化運行中能耗指標略優(yōu)于性能試驗，其中蒸汽耗量為1.496 t/t CO2，電耗量為310.3（kW·h）/t CO2。

本項目的碳捕集成本為379 元/t，相對較高，這與示范工程規(guī)模較小有關(guān)，但從能耗分析來看單位能耗還有下降空間。下一步擬進行吸收劑配方調(diào)整，將再生能耗和胺液損耗進一步降低。同時，研究吸收塔級間冷卻、富液分流、余熱梯級利用、高效填料和高效換熱器等工藝優(yōu)化手段對能耗的影響，提出碳捕集系統(tǒng)綜合節(jié)能優(yōu)化方案，以期獲得低成本碳捕集技術(shù)。另外，本示范裝置年碳捕集量僅1萬t，而常規(guī)300 MW 燃煤機組的年碳排放量高達160 萬～180 萬t。在下一階段需要進行中大型碳捕集技術(shù)研究，包括中大型碳捕集設(shè)備選型與設(shè)計、中大型碳捕集裝置與燃煤電廠主機系統(tǒng)耦合的研究等。在“碳達峰、碳中和”總體目標要求下，低成本CCUS 成為燃煤機組的一條必由之路，本技術(shù)還需要進行深入研究和優(yōu)化，為將來“雙碳”目標的實現(xiàn)提供切實的技術(shù)保障。