火電廠CO2捕集與純化工藝的工程—經(jīng)濟模型

趙東亞，張 建，李清方，劉海麗，李兆敏，朱全民，4

（1.中國石油大學（華東）化工學院，山東青島 266580；2.勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257026；3.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；4.西英格蘭大學，英國布里斯托，BS16 1QY）

0 引言

眾所周知，CO2是導致全球變暖、極端氣候災害頻發(fā)的主要原因之一，火電廠是CO2釋放的主要來源之一，據(jù)統(tǒng)計中國有近75%的電力供應來自火電廠，其排放的CO2約占全國排放量的三分之一?；痣娖髽I(yè)CO2排放相對集中，是理想的CO2供應源，將捕集、純化后的CO2輸送到油田進行驅(qū)油并封存在廢棄油層中，即所謂的EOR技術(shù)，是理想的選擇之一。本文在介紹了CO2捕集、純化工藝流程的基礎上建立了其工程—經(jīng)濟模型，可作為相關工程投資回報預算的重要手段。

1 CO2捕集、純化工藝

CO2捕集與純化工藝主要采用化學吸收法，溶劑為一乙醇胺 （MEA）?；贛EA的技術(shù)能夠?qū)O2含量提純到99%。國際上主要有Fluor Daniel公司的Econamine FG和ABB Lummus Crest公司的MEA兩種CO2捕集技術(shù)[1-4]，由于Econamine FG的數(shù)據(jù)更容易獲取，因此本文主要針對該技術(shù)開展工程—經(jīng)濟建模研究。

CO2捕集、純化工藝流程見圖1。該工藝流程主要包括兩個過程，即CO2溶解和CO2釋放。在吸收塔中，CO2與MEA發(fā)生化學反應，產(chǎn)生弱鍵連接的產(chǎn)物R-NH-COO-；在再生塔中發(fā)生吸熱化學反應生成CO2和MEA。主要化學反應方程式如下[5-6]：

圖1 火電廠煙氣CO2捕集、純化工藝流程

由于在吸收過程中產(chǎn)生了比較穩(wěn)定的R-NHCOO-化學鍵，因此需要大量的熱才能打開這個化學鍵，產(chǎn)生CO2和MEA。因CO2夾帶和MEA蒸發(fā)等原因會損失一些MEA；此外煙氣雖然經(jīng)過水洗、脫硫等處理，但是其中仍然含有少量氧化物、硫化物和氮化物，它們會與MEA發(fā)生反應，產(chǎn)生熱穩(wěn)定的鹽，也會損失一些MEA，因此在正常生產(chǎn)過程中，需要不斷地補充新鮮的MEA?？傮w來說，除設備投資和人員工資外，生產(chǎn)所消耗的熱量和MEA的損失也是生產(chǎn)成本的重要組成部分。

2 工程模型

由于我國火電廠CO2捕集、純化技術(shù)尚處于起步階段，缺乏相關數(shù)據(jù)用以建模與分析。使用諸如ASPEN-Plus等過程模擬軟件對之進行模擬，針對模擬數(shù)據(jù)，運用回歸分析方法，可建立工程模型。文獻 [1-2]使用ProTreat軟件對CO2捕集、純化過程進行了模擬，經(jīng)過對模擬數(shù)據(jù)回歸分析，建立如下工藝性能模型：

式中L——吸收劑流量/（kmol/h）；

G——入口煙氣流量/（kmol/h）；

Q——MEA再生需要的熱量/（GJ/h）；

yCO2——煙氣中CO2摩爾分數(shù)；

φlean——貧CO2溶劑負載/（molCO2/molMEA）；

C——MEA在溶劑中的質(zhì)量分數(shù)；

Tfg，in——吸收塔入口煙氣溫度/℃；

Tfg，out——吸收塔出口煙氣溫度/℃；

PCO2——CO2產(chǎn)品期望壓力 （表壓）/kPa；

mwlean——貧CO2溶劑平均分子質(zhì)量/（kg/kmol） ;

ecomp——單位CO2壓縮需要的功/（kW·h/t）。

CO2捕集總量為：

式中nCO2——煙氣中CO2摩爾流量/（kmol/h）；

wCO2——CO2摩爾質(zhì)量/（0.044 t/kmol）。

假設火電廠煙氣脫去絕大部分SOx和NOx后進入CO2吸收塔，新加入的MEA和CO2捕集總量成比例關系，設比例系數(shù)為K1，則MEA補充流量為：

式中 mMEA——MEA補充流量/（kmol/h）。

水的消耗量為：

式中mwater——用水總量/（t/h）；

mpw——過程用水總量/（t/h）；

mcw——冷卻用水總量/（t/h）。

蒸汽消耗量為：

式中msteam——蒸汽消耗量/（kg/h）；

qsteam——蒸汽熱焓/（kJ/kg）。

3 經(jīng)濟模型

經(jīng)濟模型主要包括設備投資模型和操作維護成本模型，它們與工程模型直接相關。設備投資模型可使用0.6次冪方法和工程模型輸出數(shù)據(jù)建立，0.6次冪方法是化工過程中常用的工程成本建模方法[7]。

3.1 設備投資成本模型

文獻 [8]使用0.6次冪方法建立如下設備投資成本模型：

式中C1——冷卻器投資成本/萬元；

C10——參考冷卻器成本/萬元；

Vfg——煙氣實際流量/（m3/h）；

Tfg——煙氣入口溫度/℃；

Vfg0——參考冷卻器煙氣流量/（m3/h）；

Tfg0——參考冷卻器煙氣入口溫度/℃。

式中C2——煙氣鼓風機投資成本/萬元；

C20——參考煙氣鼓風機成本/萬元。

式中C3——吸收塔投資成本/萬元；

C30——參考吸收塔成本/萬元。

式中C4——換熱器投資成本/萬元；

C40——參考換熱器成本/萬元；

Vsol——溶劑實際流量/（m3/h）；

Vsol0——參考換熱器溶劑流量/（m3/h）。

式中 C5——再生塔投資成本/萬元；

C50——參考再生塔成本/萬元；

Vsol——溶劑實際流量/（m3/h）；

Vsol0——參考再生塔溶劑流量/（m3/h）。

式中C6——再沸器投資成本/萬元；

C60——參考再沸器成本/萬元；

mste——蒸汽實際流量/（kg/h）；

mste0——蒸汽參考流量/（kg/h）。

式中C7——MEA回收器投資成本/萬元；

C70——參考MEA回收器成本/萬元；

mmak——MEA補充實際流量/（kg/h）；

mmak0——參考MEA補充流量/（kg/h）。

式中C8——CO2干燥、壓縮設備投資成本/萬元；

C80——CO2干燥、壓縮設備參考投資成本/萬元；

mCO2——CO2實際流量/（kg/h）；

mCO20——參考CO2流量/（kg/h）。

于是設備投資總成本模型為：

式中Cequi_tol——設備投資總成本/萬元。

3.2 操作維護成本模型

固定操作維護成本為：

式中Cf——固定操作維護成本/萬元；

Cope——操作人員人力成本/萬元；

Cmaint——維修人員人力成本/萬元；

Cadmin——管理人員人力成本/萬元。

其他操作維護成本為：

式中Cv——其他操作維護成本/萬元；

CMEA——MEA費用/萬元；

Cwater——水的費用/萬元；

Ctransport——CO2運輸費用/萬元。

4 結(jié)束語

本文針對CO2捕集、純化工藝，根據(jù)國內(nèi)外相關文獻，建立了其工程—經(jīng)濟模型，能夠為大型火電廠、油田等企業(yè)投資CO2捕集、純化技術(shù)提供一定的參考依據(jù)。本文所得結(jié)果也可作為CO2定價的參考。我國目前正在加大對CO2捕集、運輸及封存的研究與投資。隨著我國大規(guī)模碳捕獲、利用與封存 （CCUS）生產(chǎn)流程的建立，可利用越來越豐富的實際數(shù)據(jù)資源，建立更加符合我國國情的CO2捕集、純化工藝的工程—經(jīng)濟模型。

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