煙氣CO2捕集純化裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

林名楨 閆廣宏 陳宏福 劉坤 李洪言

(1.山東石油化工學(xué)院油氣工程學(xué)院 山東東營(yíng) 257061；2.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 山東東營(yíng) 257026)

0 引言

以CO2驅(qū)油為基礎(chǔ)的三次采油技術(shù)已在油氣田提高采收率中獲得較好效果，據(jù)有關(guān)研究表明，將CO2注入衰竭的油藏中可以提高原油采收率7%～25%，亦可延長(zhǎng)油井的生產(chǎn)壽命，同時(shí)還可以減少CO2的排放，保護(hù)大氣環(huán)境，是一項(xiàng)富有前景的綠色驅(qū)油技術(shù)[1-7]。而要實(shí)現(xiàn)CO2驅(qū)油，最重要的一點(diǎn)就是得到充足且符合驅(qū)油要求的CO2氣體，目前最充足的CO2氣源為化石燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣，因此CO2捕集技術(shù)的高效成熟是驅(qū)油過程中的重要環(huán)節(jié)之一。

雖然目前CO2捕集技術(shù)已成為世界范圍的研究熱點(diǎn)，各種創(chuàng)新成果層出不窮，同時(shí)煙氣CO2捕集示范工程在數(shù)量和規(guī)模上也與日俱增，但受到經(jīng)濟(jì)上和公眾認(rèn)知度等方面的影響，該類工程仍未在世界上獲得大規(guī)模的推廣應(yīng)用?；诖?，本文對(duì)目前的工藝設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)研究，并提出了合理化的建議，以期對(duì)后續(xù)裝置的工藝設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1 裝置系統(tǒng)組成

煙氣具有氣體處理量大、CO2分壓低、雜質(zhì)含量較高等特點(diǎn)。相關(guān)研究表明化學(xué)吸收法是目前幾種分離方法中經(jīng)濟(jì)性最好的一種方法。目前國(guó)外建成的以及已建成的華能北京熱電廠3 000 t/a CO2捕集示范裝置、勝利油田燃煤電廠3萬(wàn)t/a CO2捕集純化裝置、重慶合川雙槐電廠萬(wàn)t級(jí)碳捕集工程、中原油田10萬(wàn)t CO2回收裝置等碳捕集裝置均采用的是化學(xué)吸收法。而利用化學(xué)吸收法對(duì)煙氣中CO2進(jìn)行捕集和純化的裝置主要由以下系統(tǒng)組成：煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、CO2吸收解析系統(tǒng)、CO2壓縮、脫水系統(tǒng)、CO2液化系統(tǒng)、CO2儲(chǔ)存系統(tǒng)以及配套的公用工程系統(tǒng)等，具體組成如圖1所示。

圖1 煙氣CO2捕集純化裝置系統(tǒng)組成

2 預(yù)處理系統(tǒng)

2.1 預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)置的必要性

隨著國(guó)家對(duì)企業(yè)節(jié)能環(huán)保要求的提高，相關(guān)企業(yè)排放的煙氣潔凈度有了較大的改善，但仍然存在一定的粉塵、氮氧化物、硫氧化物等一系列雜質(zhì)。在煙氣的捕集吸收系統(tǒng)中，這些雜質(zhì)雖然大部分會(huì)被除掉，但同樣也會(huì)對(duì)捕集吸收系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的不利影響，比如對(duì)捕集吸收系統(tǒng)的材料性能要求提高、增加吸收溶劑的循環(huán)量、加快溶劑的消耗、對(duì)溶劑造成污染、造成吸收塔填料的堵塞、增加設(shè)備的壓力降，此外進(jìn)入捕集吸收系統(tǒng)的煙氣溫度過高、含有大量的水等都會(huì)影響到捕集效率及設(shè)備、溶劑壽命等，因此有必要在捕集吸收系統(tǒng)之前增加預(yù)處理系統(tǒng)。

目前國(guó)內(nèi)外煙氣CO2捕集裝置所用到的化學(xué)吸收劑大部分是基于MEA的復(fù)合藥劑或改進(jìn)藥劑，因此在預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)首先考慮溶劑的要求，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可以得出基于有機(jī)胺的溶劑在應(yīng)用時(shí)對(duì)煙氣組分和溫度的要求如表1所示[8-9]。

表1 胺法捕集對(duì)煙氣基本參數(shù)的要求

2.2 預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

目前應(yīng)用比較成熟的預(yù)處理工藝系統(tǒng)是水洗塔系統(tǒng)，經(jīng)脫硫脫硝后的煙氣進(jìn)入水洗塔中部，與自塔頂噴淋的水洗水充分接觸，如果煙氣中SO2等酸性氣體含量較高時(shí)，可在洗滌液中加堿。為了保證預(yù)處理的效果，應(yīng)在預(yù)處理裝置的進(jìn)出口設(shè)置取樣口，定期檢測(cè)煙氣中的CO2、N2、NOx以及SO2等組分的含量，以便實(shí)時(shí)對(duì)裝置運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，保證進(jìn)入吸收裝置的氣體雜質(zhì)含量滿足要求。另外水洗水管道的出口位置宜設(shè)pH計(jì)，必要時(shí)可與堿液加注泵連鎖，一旦水洗水的pH指標(biāo)不能滿足要求時(shí)，就要啟動(dòng)堿液加注泵對(duì)水洗水進(jìn)行更換，同時(shí)打開排污閥門將吸收了雜質(zhì)的水洗水溶液排放至污水系統(tǒng)。排掉的污水應(yīng)統(tǒng)一進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后方能外排。

3 CO2吸收與解析系統(tǒng)

CO2吸收與解析系統(tǒng)是整個(gè)CO2捕集裝置的基礎(chǔ)和核心，決定著整個(gè)裝置的可行性和有效性，因此該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)過程中有以下問題需要特別注意。

3.1 吸收劑的選擇

目前利用化學(xué)吸收法所用的化學(xué)吸收劑種類較多，同時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但這些藥劑大部分是基于MEA的復(fù)合藥劑或改進(jìn)藥劑。在藥劑選擇過程中，應(yīng)選擇吸收能力強(qiáng)、選擇性高、副反應(yīng)小、再生性能好、腐蝕性小、抗氧化性強(qiáng)、不易降解和原料來(lái)源方便的藥劑。

3.2 引風(fēng)機(jī)的設(shè)置

煙氣進(jìn)入吸收裝置之前應(yīng)設(shè)引風(fēng)機(jī)增壓，主要是因?yàn)闊煔馔ㄟ^吸收塔時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，設(shè)置引風(fēng)機(jī)是為了用來(lái)克服氣體通過吸收塔時(shí)所產(chǎn)生的壓降。流程中設(shè)置預(yù)處理裝置時(shí)，引風(fēng)機(jī)可以設(shè)置在預(yù)處理裝置之前，也可以設(shè)置在預(yù)處理裝置之后。若設(shè)在預(yù)處理裝置之前，則可以減小預(yù)處理裝置的尺寸，但同時(shí)由于氣體雜質(zhì)的影響，對(duì)引風(fēng)機(jī)的材料要求也相應(yīng)的提高；若設(shè)在預(yù)處理裝置之后，雖然會(huì)增大預(yù)處理裝置的尺寸，但對(duì)引風(fēng)機(jī)材料的要求卻相應(yīng)的降低。鑒于兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此具體設(shè)置時(shí)應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

3.3 系統(tǒng)水平衡的保持措施

在吸收解析系統(tǒng)中，水平衡是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，因此工藝設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行水平衡計(jì)算，同時(shí)應(yīng)采取相關(guān)措施來(lái)保持系統(tǒng)的水平衡。設(shè)計(jì)過程中主要可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：①應(yīng)對(duì)進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度進(jìn)行控制，防止其過高，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般要求進(jìn)入吸收解析系統(tǒng)的煙氣溫度不宜高于40 ℃；②煙氣進(jìn)入吸收塔之前應(yīng)進(jìn)行游離水的分離，這可以通過在吸收塔前設(shè)置旋風(fēng)分離器[10]等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)；③對(duì)再生塔頂解析出的CO2中攜帶的飽和水和較低濃度的吸收劑溶液進(jìn)行回收，這部分主要通過在再生塔后設(shè)置冷凝器、氣水分離器以及回流補(bǔ)液泵實(shí)現(xiàn)[9]。

3.4 系統(tǒng)能量的回收利用設(shè)計(jì)

一般情況下，煙氣CO2捕集裝置的能耗非常高，故在工藝設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意能量的回收，這對(duì)降低捕集裝置的能耗至關(guān)重要。能量的回收主要可從以下幾個(gè)方面考慮[9]：①優(yōu)選高效的換熱設(shè)備，使得系統(tǒng)中熱交換器的最小端面溫差盡量滿足以下要求：板式換熱器的端面溫差可以達(dá)到3 ℃，管殼式換熱器的端面溫差可以達(dá)到8 ℃；②設(shè)置富液與再生塔頂再生氣換熱器；③設(shè)置貧富液換熱器；④設(shè)置熱泵系統(tǒng)[11]，目前常用的熱泵系統(tǒng)主要包括吸收式熱泵系統(tǒng)和機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)。

4 制冷液化系統(tǒng)

4.1 液化工藝的選擇

根據(jù)產(chǎn)品用途、輸送方式及儲(chǔ)存方式的不同，CO2液化一般可采用高壓液化法和低溫液化法。

所謂高壓液化法，是指將氣體CO2壓縮至中壓進(jìn)行脫水后，進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮至6～9 MPa，經(jīng)冷卻液化后直接外輸。當(dāng)CO2采用該種方式液化時(shí)，應(yīng)采用管道直接外輸?shù)妮斔头绞健?/p>

所謂低溫液化法，是將氣體CO2經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到2～3 MPa左右，再經(jīng)脫水后進(jìn)入制冷系統(tǒng)被液化，該種液化方式下，CO2的冷凝溫度一般為-25～-12 ℃。當(dāng)CO2采用該種方式液化時(shí)，CO2液體可采用大罐儲(chǔ)存或槽車運(yùn)輸。

低溫液化法液化壓力較低，設(shè)備的耐壓要求低，產(chǎn)品的輸送及使用方式較為廣泛靈活，但是需要專門的制冷機(jī)組，系統(tǒng)較為復(fù)雜；而高壓液化法無(wú)需專門的制冷機(jī)組，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)的耐壓要求高，產(chǎn)品的輸送和使用方式較少。由于兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，故選用時(shí)應(yīng)綜合比較后確定。

4.2 配套制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.2.1 制冷劑的選擇

當(dāng)采用低溫液化法時(shí)，必須有配套的制冷系統(tǒng)，目前用于CO2的制冷系統(tǒng)中常用的冷卻介質(zhì)主要用氨和氟利昂，與氟利昂相比，氨具有單位容積制冷量大、導(dǎo)熱系數(shù)大、蒸發(fā)潛熱大、節(jié)流損失小、能溶解于水、有漏氣現(xiàn)象時(shí)易被發(fā)現(xiàn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在目前的煙氣二氧化捕集純化裝置中，所采用的制冷劑大多都為氨。

4.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

由于氨在裝置中常于較低的溫度下存在，且具有一定的毒性、可燃性和易爆性，并且對(duì)鋅、銅、銅合金有腐蝕作用等，故在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

(1)氨壓縮機(jī)進(jìn)出口必須設(shè)置液氨分離器，同時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度以及觀察有否結(jié)霜，防止液氨將結(jié)霜帶入氨壓縮機(jī)，發(fā)生液擊事故。

(2)氨冷卻器、液氨儲(chǔ)罐、中間冷卻器、氨液分離器、低壓循環(huán)貯液器、排液桶、集油器等均應(yīng)設(shè)氨用液位指示器或防霜液位計(jì)(0 ℃以下的容器用防霜液位計(jì))。

(3)氨制冷系統(tǒng)中設(shè)置緊急泄氨器，當(dāng)發(fā)生重大緊急事故時(shí)能快速將系統(tǒng)內(nèi)的氨放出，溶于水中(每1 kg/min的氨至少應(yīng)提供17 L/min的水)后排至事故廢水池。

(4)氨制冷系統(tǒng)管線上的閥門應(yīng)選用專用的氨截止閥，其密封面形式應(yīng)為凹凸面；不得有銅及合金部件，安全閥應(yīng)選用氨用微啟式彈簧安全閥。

(5)液氨使用場(chǎng)區(qū)應(yīng)設(shè)置水霧噴淋和收集系統(tǒng)，主要包括收集圍堰、事故廢水池、預(yù)處理(中和)池。一旦發(fā)生泄漏事故時(shí)，可快速開啟水噴淋裝置，用大量霧狀水進(jìn)行噴淋吸收氨氣，以保證人員安全。收集的事故廢水必須經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放。

5 結(jié)論

(1)CO2捕集技術(shù)是驅(qū)油過程中的重要環(huán)節(jié)之一，通過調(diào)研及分析對(duì)比煙氣CO2回收的幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，得出化學(xué)吸收法是目前回收煙氣中CO2最適宜的方法。

(2)目前應(yīng)用比較成熟的預(yù)處理系統(tǒng)是洗滌塔系統(tǒng)，預(yù)處理進(jìn)出管道取樣口的設(shè)置、水洗水出口pH的設(shè)置及其與堿液加注泵的連鎖是比較關(guān)鍵的問題。

(3)吸收劑的選擇、引風(fēng)機(jī)的設(shè)置、系統(tǒng)的水平衡計(jì)算及保持系統(tǒng)水平衡的相關(guān)措施、系統(tǒng)能量的回收利用是吸收解析系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在。

(4)高壓液化法和低溫液化法是目前CO2液化最常用的兩種方式。

(5)低溫液化法中配套制冷系統(tǒng)中的制冷劑多采用氨。由于氨制冷工藝的特殊性，其在工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選材、裝置區(qū)的安全設(shè)計(jì)等方面都有一些特殊的要求。