中国钢铁厂碳捕集封存预留研究.pdf

中国钢铁行业碳捕集，利用与封存 中国钢铁厂碳捕集 封存预留研究 来源： 中国钢铁行业碳捕集，利用与封存 中国钢铁厂碳捕集 封存 预留 研究 2018 年 11 月 任 利 华，贾智刚，刘牧心 ，王莉，陈晓露 中英（广东） CCUS 中心 ，中国 梁希， MUSLEMANI Hasan， ASCUI Francisco，江梦菲，林千果 爱丁堡大学商学院 ，英国 GIBBINS Jon 英国碳捕集与封存研究中心 DRI Direct Reduced Iron 直接还原铁 EAF Electric Arc Furnace 电弧炉 EOR Enhanced Oil Recovery 提高 石油 采收率 FEED Front-End Engineering Design 前端工程设计 FGD Flue Gas Desulphurisation 烟气脱硫 GCCSI Global CCS Institute 全球碳捕集与封存研究院 GDCCUSC UK-China (Guangdong) CCUS Centre 中 英（广东） CCUS 中心 GIS Geographic Information System 地理信息系统 HAZOP Hazard and Operability Study 危险及可操作性 分析 HMB Heat Gibbins et al., 2006）。 这个想法逐渐受到了一些环保组织的推崇。 2004 年 12 月，美国的环境组织自然 资源保护协会（ NRDC）在中国清洁能源项目列出了“中国以煤气化为基础的多联产项 目开展碳捕集预留”（电力与化工品联产）作为其国家积极行动之一（ NRDC, 2004）。 威尔逊和吉宾斯（ 2005）在 2005 年初提出了一个更广泛的“捕集预留”概 念。他们的 意见包括： a）确保所有类型的新建化石燃料工厂，在目前最佳理解的范围内，可以在未来在 最小的额外成本和最小的性能损失的情况下进行捕集装置改造； b）对将在捕集预留工厂（和其他现有工厂）转换为捕集工厂时所需的技术进行改 进，并将改造经验回馈到捕集预留工厂的设计中； c）确保那些当二氧化碳捕集被广泛普及之时将变得具有竞争力的其他技术，在未 来需要 时 也能立即应用；和 d）发展成熟可靠的和社会能接受的二氧化碳封存方案。 捕集预留不应仅限于捕集，因为 CCS 项目是综合捕集、 运输和封存的整体。 捕集 预留的概念应包括场 址选择，以确保尽可能多的捕集的二氧化碳被运输到封存地点， 以降低 CCS 过程的总成本。 而且， “捕集预留”并不局限于某种特定的工厂设计，而 是工厂所有者在工厂设计和建 设 过程中需要进行的一系列投资和设计决策 （ Bohm et al., 2007）。 全球碳捕集与封存研究院（ 2010）在国际气候基金（ ICF）的支持下，进一步发展 了碳捕集预留的概念，并同时更多地考虑了封存和运输的预留。英国政府在修订 1989 年“电力法案”时采用了捕集预留这一概念。该概念于 2006 年通过中国先进电厂碳捕 集方案（ CAPPCCO）项目被带入中国 （ Li et al.， 2012），同时梁 希 等人（ 2009）通过一 个中国电厂碳捕集预留的假设案例研究中引入了 实物期权 的 概念，使利益相关者了解 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 6 对新工厂进行捕集预留改造的内在价值 3。捕集预留的概念在中国也被多边银行加以推 动，亚洲开发银行（ ADB, 2014）在 2014 年推荐了一项捕集预留工厂设计。同年，中国 业界将捕集预留的概念纳入了华润电力（海丰） 3 号和 4 号机燃煤电厂碳捕集与封存 （ CCS）预留可行性研究中（ GDCCUSC, 2014）。 总之，碳捕集预留的概念随着时间的推移而发展， 从狭义 上 对捕集技术未 来改造的基本要求，到对预测和支持未来 CCS 相关需求的广泛理解。 该概念不 应仅限于“捕集”，因为 CCS 项目是整合捕集，运输和 封存 一体的全链条项目。 因此，碳捕集预留的概念应该合理结合场地选址，以 尽可能 确保捕 集的 CO2 都 被输 送 到 封存地 点 ，以降低整个 CCS 过程的总成本。 3 为了了解在中国建设一个新 CCR 电厂的经济评估和投资特点，梁和他的团队调研了位于广东省的一个典 型的 600MW 煤粉超超超临界电厂。 。 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 7 4. 钢铁厂 碳捕集和封存 预留（ CCS-ready）技术和设计要求 4.1. 选址 考虑 工厂的地理位置在决定其是否适合进行 CO2捕集预留方面起着重要作用，因为在碳 捕集装置建成后，捕集的 CO2 将被输送用于封存和 /或用于提高石油采收率。工厂的选 址需要考虑的相关因素包括： 应靠近 CO2封存和 /或利用的地点： 这将使运输变得容易，并降低运输成本。 靠近其他现有或计划中的碳捕集设施 ： 这样可以实现 CO2 基础设施的共 用（包 括 共 用 CO2 输送管线 、道路运输设施 ， 或沿 岸 地 区 的 水路 船舶运输 等） ，从而 降低 CO2 运输成本。此外， 在 已建立工业设施 的 地 区， 通常公众反对兴建新工 厂 的 风险 也 较低 。 本项目研究人员对地理信息系统（ GIS）的初步分析表明，在中国的 142 家年产 量 超过 100万吨的 钢铁厂 中，有 51家位于 距离 潜在 CO2-EOR封 存 地 的 200公里半径之内， 详见 表 1 和图 2。首先， 本项目 根据中国钢铁年鉴 （ 2017） 的数据调查了现有年钢 产量高于 100 万吨的钢铁厂分布，并 在图 2 中 标明。然后， 对 中国主要的潜在 CO2-EOR 封存地 （ Dahowski et al., 2009） 逐一 标记，并且只关注 其 半径 500 公里以内的 所有 钢铁 厂。 由本项目 研究 组完成 的 另一个独立 报告侧重 研究 钢铁厂 非用于驱油的 CO2 封存 机 会。 表 1. 中国大型钢铁厂附近的潜在 EOR 封存地 潜在 EOR 封存地 200 公里半径以内 的 钢铁厂 数量 500 公里半径以内 的 钢铁厂 数量 胜利油田 4 30 冀东油田 16 17 江汉油田 1 14 江苏油田 8 11 靖安油田 7 10 长庆油田 0 8 中原油田 5 7 四川盆地 2 7 辽河油田 3 6 珠江口盆地 2 4 北部湾盆地 1 3 大庆油田 0 3 延长油田 1 1 准格尔盆地 1 1 塔达木盆地 0 1 总量 51 123 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 8 图 2. 中国大型钢铁厂和潜在封存地位置分布 注：图中红色标记为中国大型钢铁厂，蓝色标记为潜在封存地 4.2. 不同烟气的碳捕集技术选择 钢铁厂的烟气排放系统相对比较复杂 不像燃煤电厂那样， 仅从一 根烟囱统一 集中排放。钢铁厂排放源位置相对分散，不同烟气的含量和组分也不相同。因此，对 于 钢铁厂 的不同生产工序，必须考虑各自单独的碳捕集装置。 4.2.1. 钢铁生产工艺和 CO2排放源 一般来说，钢铁生产 包括两个阶段： 1） 炼铁过程 ，从铁矿石中提取生铁； 2） 炼 钢过程 ，生铁被提纯为粗钢。这两个生产过程可进一步分为四个部分： 原料制备，包括铁矿石烧结 /球团、石灰和焦煤制备； 炼铁过程（利用焦炭的作用将金属铁从铁矿石中熔炼出来，或 采用 直接还原成 铁（ DRI）法 通过固态还原把铁矿石炼制成铁），主要包括两条路线： 1）高炉 - 碱性氧气炉（ BF-BOF）路线和 2）电弧炉（ EAF）路线。 BF-BOF 路线 原料采用铁 矿石和废 钢，通常使用 70%100% 的铁矿石，废钢作为补充。 EAF 路线原料采 用直接还原铁、 废钢和铸铁料，废钢使用率在 70%到 100%，其余为铁矿石类原 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 9 料； 炼钢过程（铁水或 DRI 转化为液态金属）；和 钢铁浇铸、加热、轧制和成形。 其他辅助设施 （ 包括发电厂 ） 使用来自各种炼铁和炼钢过程的气体燃料，大多数 为副产品 气 ，如焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气。 图 3 显示了钢 铁 厂的典型 CO2排放源，并标示有每吨卷轧钢生产过程排放的 CO2浓 度范围和 CO2排放指数。 图 3. 钢 铁 厂典型 CO2排放源 来源 ： UNIDO, 2010 中国钢铁企业的 CO2排放源 可 依据国家发改委发布的 中国钢铁生产企业温室气体 排放核算方法与报告指南 （ 2013） 进行认定 评估 。 与传统高炉 - 碱性氧气炉 工艺相比，基于降低制造过程的能耗和碳排放强度目的的 新炼钢工艺设计已经出现。 IEAGHG（ 2018）列出了大量新兴的制造技术，包括电解法 炼钢、先进的 DRI-EAF、 TGRBF（顶气再循环高炉）、先进的熔炼还原（ HIsarna, HIsmelt） 和固态还原（ Corex）。这些新工艺应该在未来 CCS 预留研究中被进一步研究。 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 10 4.2.2. 碳捕集技术选项 相 关燃烧后 CO2捕集技术的研究明显多于其他方法， 其中以 胺基 吸收 剂 为主的胺法 技术已 处于 商业化运行的 成熟发展阶段（ 用于 燃烧 前捕集也 能找到 商业 化 的技术 )。然 而，大规模实施燃烧后碳捕 集 项目仍然面临各种挑战，例如高能耗、胺降解、胺损失 和其他环境问题，以及 所带来的 捕 集 成本的上升。然而， 一个有利之处在于 燃烧后 技 术是 从 终端 烟道气中 进行碳 捕 集 （这 能够最小化因置入生产工艺中而带来的上下游影 响 ）， 因此能够 降低 装置间交接界面的复杂性 （ Progressive Energy Limited, 2015: 33）。 发展中的 新兴技术 着重于 解决 上述的 问题，包括 开发 新溶剂、物理和化学固体吸附、 膜 法 和低温工艺 等 。 由于 存在 新技术将来商业上变 为 可行的可能性， 碳捕集预留 还 涉及到 确保任何此 类技术在 成熟到能够运 用并具 备 竞争性时也可 以被随即应用于碳捕集 。因此， CO2捕 集 技术根据其 现有的 捕 集能力 从 各 种气体分离技术中筛选，但是其他潜在技术也 应 包括 在 捕集预留 的概念设计的 考虑 范围内。表 2列出了主要 CO2排放源的特性和潜在的捕 集 技术，包括 实施捕集预留 钢铁厂的基本要求。 该表 提供了 一系列的技术 选项 供 以 后 排 选 ， 待选技术名单 并 且 将会不断 地被 回顾和 更新 ，以 便能追 踪 新兴捕 集 技术的进展。 4.3. 捕 集预留装置 的基本要求 根据 IEAGHG（ 2007）关于捕 集预留 的定义，开展捕集预留的工厂的 决策者 有责任 确保在 其 控制 范围 内 识别并消除所有已知 的 可能影响未来 CO2捕 集装置 的安装和运行的 因素。 这些 工作 包括 ： 对 CO2捕 集 改造和潜在的预投资选 项 进行研究； 提供足够的场地并为未来可能需要的额外设施预留使用 通 道 ； 确定 CO2封存的合理途径。 在 针对 这些基本的捕 集预留设施上的 预投资预计 投入较低 。 进一步的预投资选项 ， 则能够 降低 CO2捕 集 改造的成本和停工周期。 4.3.1. 钢铁厂 用于 CCS 的 额外场地 利用胺捕集技术建 设碳 捕集 预留 钢铁厂的首要要求是在现场的适当位置指定足够 的预留 场地 ，以容纳新增的 CO2捕集设备，与现有工厂 设备连接 的 烟 道和管 线 ， 以及各 种 必要的 接口 。另一个要求是允许 配套设施进行扩建 以满足捕 集设备 的 额外 要求（ 循 环 冷却水、辅助配电等）。 根据每个系统和设备对场地的需求，本文对空间安排展开 了讨论，认为应该考虑并包括的设施有 ： 表 2. 不同 CO2排放源的捕集技术选项 排放源 烟 气特征 （ CO 2浓度为体积 %） 潜在 二氧化碳捕集技术选 项 钢铁厂 CO2捕 集预留要 求 1 脱硫 脱硝 预处理 预留 场地 公用工程 化学品 储存 废水 处理 电 蒸汽 冷却水 其他 烧结 球 团 CO2 5-10% 120-150 CO2浓度低， CO浓度高， 成分复杂， 含二噁英、氟化 物、 SOx、 NOx和 粉尘 燃烧后 化学吸收 是 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 是 是 物理吸附 是 * * * 仪表风 焦化烟气 CO2 25% 130 CO2浓度高 成分复杂 SOx、 NOx和粉尘 含量高 燃烧后 化学吸收 是 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 是 是 物理吸附 是 * * * 仪表风 焦 炉 气 (COG)2 H2 45-64% CH4 20-30% CO 5-10% CO2 2-5% 高热值，高附加值 原料（ H2和 CH4 浓 度高 ） 化学吸收 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 是 是 物理吸附 是 * * * 仪表风 石灰窑 CO2 15-30% 110 CO2浓度高 粉尘浓度高 燃烧后 化学吸收 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 是 是 物理吸附 是 * * * 仪表风 钙回路 CO捕集 3 高炉气 4 (BFG) CO2 20-25% CO 20-25% H2 3% 80-150 CO2浓度高 低热值燃料气 燃烧前 化学吸收 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 5 是 是 物理吸收 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 是 是 物理吸附 是 * * * 仪表风 膜分离 是 * * * 工艺水 仪表风 膜分离 +物理吸附 是 * * * 工艺水 仪表风 排放源 烟 气特征 （ CO 2浓度为体积 %） 潜在 二氧化碳捕集技术选 项 钢铁厂 CO2捕 集预留要 求 1 脱硫 脱硝 预处理 预留 场地 公用工程 化学品 储存 废水 处理 电 蒸汽 冷却水 其他 热风炉烟 气 CO2 25-28% 155 CO2浓度高 燃烧后 化学吸收 是 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 是 是 膜分离 +物理吸附 是 * * * 仪表风 膜分离 是 * * * 工艺水 仪表风 膜分离 +物理吸附 是 * * * 工艺水 仪表风 Converter6 转炉气 6 CO2 15-20% CO 60-70% 100 CO2浓度低 CO浓度高 燃烧前 化学吸收 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 是 是 膜分离 +物理吸附 是 * * * 工艺水 仪表风 电厂烟气 CO2 20% 120 CO2浓度高 粉尘浓度低 燃烧后 化学吸收 是 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 是 是 膜分离 是 * * * 工艺水 仪表风 物理吸附 是 * * * 工艺水 仪表风 带钢 热轧机 CO2 10% CO2浓度低 含氧化铁粉尘 水分含量高 燃烧后 化学吸收 是 * * * * 工艺水 脱盐水 仪表风 是 是 Notes: 1. “ *”的数量表示需求的相对大小。 2. 焦炉煤气作为气体燃料送往烧结厂和发电厂，或者 采 用 PSA 工艺 制取 H2，和化学吸收、低温法生产甲醇。 3.由台湾水泥股份有限公司及台湾工业技术研究所联合开发的“钙 回路 CO2捕集技术”。 4.低热值高炉煤气将被送往热风炉、焦炉或电厂锅炉，用作气态燃料。脱碳的应用有助于提高煤气的热值 。 5. Demin water 指的是 脱盐 水； Instru. air 指仪表 用 空气 。 6. 转炉煤气（ Linz-Donawitz gas - LDG）具有较高的热值，作为气态燃料送到发电厂或其他设备。 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 13 碳捕 集 : o 烟气预处理装置 ； o CO2捕 集 单元； o CO2 压缩液化装置 ； o 原 材料储存设施 ， 和 o 综合楼 ，包括集散控制系统（ DCS）控制室、电气 开关柜 室、研究实验 室和办公室。 水 、 电配套 及辅助设施（ 存在 与钢 铁 厂共 用的可能性 ）： o 配电系统（辅助变压器、电缆、 开关柜等 ）； o 循环冷却水系统 ； o 水和脱盐水处理； 和 o 废水 处理和 废物 处置系 统。 其他设施（位于 钢铁厂 的主生产区域） : o 烟道 ; o 公 用工程 分配 系统 的 管架 或埋地管道； 和 o 其他辅助系统，如压缩空气系统、维 修 和消防站。 4.3.2. 潜在碳捕集预留预投资选项 除了满足 场地 、 道 路 与 封存 路径 的基本要求外，如果进行进一步的预投资，还能 够减少二氧化碳捕 集 改造的成本和停 工周期 。一些潜在的捕 集预留 前期投资可以适用 于所有技术，包括 加 大管架 设计 以及为工厂控制系统和现场配电扩 建预先作出安排 。 这些前期投资通常成本较低， 却 能显著减少 CCS 改造的成本和停 工 时间。 潜在的预投 资可应用于： 烟气脱硫设备（ FGD）； 脱硝设备（ DeNOX ）； 颗粒 物 去除单元（袋式过滤器由于 能 改进气溶胶去除 效果 ，可能比静电 除尘 器 更适合于燃烧后 捕集 ）； 蒸汽源和余热回收方案； 水 -蒸汽 冷 凝水 回路 ； 压缩空气系统 ； 冷却水系统 ； 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 14 给 水预处理厂 ； 脱盐水处理系统 ; 污水处理厂 ； 电气设备 ; 化学 加药 和 冷凝水 分析系统 ; 工厂管架 ; 控制和仪表 ; 安全设备 ; 消防和防 火 系统 ； 工厂基础设施 ； 和 用于 CO2压缩 机驱动 的汽轮机 方案 。 虽然一些用于捕 集预留 的 前期 投资预计具有低成本和潜在 的 高 收 益，但是 仍 有两 个主要原因 影响 进 行重大 的 捕 集预留 预投资 的决策 ：经济贴现和不确定性。贴现是一 个 已经确立的经济原则，它意味着未来的经济资源价值低于现在。此外，由于未来法 规和碳信用额度的价值不确定 性 ，是否（或何时）需要捕 集 也不确定。捕 集 技术在未 来 的发展方向也 是不确定的。由于 不断 “ 从实践中学习 ”以及 渐进的 技术进步，捕 集 技术的成本预计将来会 逐步下 降。如果一个工厂已经为现有的单一技术做好了捕 集 准 备，那么它就有被 将来可能过时的 技术锁定的风险，从而使得前期投资毫无价值。因 此， 捕集预留 的工厂应尽可能合理地设计以适应预期的未来技术改进。然而，目前很 难预测未来技术发展，而且 可能被废弃 的风险仍然是未进行 大量特定技术 前期投资的 主要原因。 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 15 5. 50 万吨 CO2捕集规模的假设 碳捕集 预留 项目案例研究 本案例研究的目的是 对一个假设 的 50 万吨级钢铁行业捕集预留项目 进行 概念设计。 因为现行的 钢铁厂 缺少捕集预留规范 ， 本研究使用英国发布的电厂碳捕集准备指南作 为 参考。 2009 年，英国能源和气候变化部 （ DECC, 2009） 发表了碳捕集 预留 指南， 其中 CCR 要求概述如下： “作为第 36 款申请的一部分，申请者将被要求证明： 厂内或附近有足够的场地以容纳未来的碳捕集设备； 应用所选择的碳捕集技术进行改造的技术可行性； 存在一个合适的离岸深层地质封存区域，用于储存电站计划捕集的二氧化碳； 将捕集的 CO2输送到计划的封存区域的技术可行性；以及 在电站的使用年限内存在构建一个完整的 CCS 链 的可能性 ，包括捕集设备、运 输和封存在内的改造在经济上是可行的。 申请 者 必须在其 CCR 评估中明确哪些 CCS 改造、运输和 封 存技术方案被认为最适 合于他们的发展计划。 ” 然而，请注意 上述 提及 的 离岸封存反映了英国的特殊情况，并不是与中国的钢铁 厂 CCS 相关的通用要求。 5.1. 技术假 设 和 研究 方法 最广泛考虑的燃烧后捕集技术涉及使用化学溶剂，通常是有机胺的形式。胺法技 术已经应用于燃煤电厂、天然气厂、煤化工厂等许多工业的 CO2分离。新型胺液还在 不 断地 研发 之 中，市场上销售的有机胺包括由各技术供应商研发的专利有机胺，以及非 专利的普通有机胺，如 MEA 和 MDEA，它们是最早和最常用于 CO2 分离工艺的 有机 胺 家族 的 成员。与 MEA 相比，专利溶剂通常具有较低的再 生热负荷和较高的 CO2 吸收能 力。一般来说，未来新型有机胺对捕集预留（ CCR）的要求不应大于现有普通有机胺的 CCR 要求。 因此，本研究将重点评估使用普通胺溶剂（ 30wt%MEA）作为基 准工况 的相 关碳捕 集预留 要求 （ Arasto 等 , 2013）。 本研究使用 ASPEN Plus（ 过程工程的先进系统 ）软件进行流程模拟，然后利用 模拟 结果 发 展 一个针对碳捕集预留要求（ CCR）的概念设计。 ASPEN Plus 是一个经过验证的 化学过程模拟软件，广泛应用于研发、大型化工系统设计和化工厂 全过程 的生产操作 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 16 优化。 ASPEN Plus 作为一种强大的工程设计工具，可以提供工程设计参数、化学品消耗 以及 公用工程系统 要求 等各种信息 。运行成本的估 算 可以基于 ASPEN Plus 模拟的结果 来 进 行， 以此 作为起点 作 进一步的技术和经济分析。 研究 方法如图 4 所示。 图 4. 捕集预留 假设 案例的研究 方法 5.2. 捕 集预留 研究的假设 5.2.1. CO2排放源 通常，钢铁厂内 CO2 排放 浓度将在 10-35% 范围内变化， 实际浓度 取决于 不同的排 放 源、 生产 原 材 料和钢铁生产工艺。表 3 则以 常规轧制卷钢装置 为例， 给出了 其 主要 的 CO2排放源。 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 17 表 3. 典型的气体入口条件 No. 排放源 吨钢 CO2排放量 CO2浓度 1 烧结球团 厂 288 kg/t 5-10% 2 焦化厂 285 kg/t 25% 3 石灰窑 57 kg/t 30% 4 电厂 709 kg/t 20% 5 高炉 * 20% 6 热风炉 329 kg/t 25-28%; 7 带钢热轧机 84 kg/t 10% 8 火炬 63 kg/t 总计 * 1815 kg/t * 非 直接排放到大气中，通常作为低热值燃料送到热风炉燃烧。 * 1 吨卷轧钢生产过程 中 将向周围环境排放总量 为 1815 公斤 的 CO2。 来源 ： IEAGHG, 2007 本 研究 选取 了一个 具 代表性的 烟气 浓度 25% CO2进行研究。其他 CO2浓度可能 需要考虑 选择 其他 技术。 5.2.2. 入口烟气条件和 CO2捕集能力 本案例研究假设每年从热风炉 烟 气中捕集 50 万吨 CO2，捕集效率为 90。典型入 口气体条件见表 4。 表 4. 典型热风炉入口烟气条件和 CO2捕集 能力 假设 项目 单位 数值 组成 H2O Vol % 3.83 CO2 Vol % 25.00 N2 Vol % 68.66 O2 Vol % 2.51 总流量 Nm3/h 158,700 年操作小时 Hours 7,200 进入捕集装置的 CO2总量 kg/h 77,903 预期 CO2捕集效率 % 90 总 捕集目标 kg/h 70,127 t/year 504,914 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 18 5.2.3. CO2捕集工艺描述 图 5 给出了胺 法碳捕集 技术的典型 CO2捕 集工艺 流程图。 图 5. 典型胺基吸收 法 工艺流程图 1-吸收 塔 ， 2-解吸塔 ， 3-贫 胺罐， 4-回流 罐 ， 5-水 洗 冷却器， 6-富胺泵， 7-贫 胺泵， 8-吸收塔给料泵， 9-回流泵， 10-中 间 冷 却 泵， 11-水洗泵， 12-贫 /富胺热交换器 ， 13-贫 胺冷却器， 14-冷凝器， 15-再沸器， 16-中间冷却器 该 工艺 过程描述如下： 预处理单元 在预处理单元中， 烟 气温度将降低到 40oC，同时将污染物（ SOx、 NOx、酸雾、灰 尘等）浓度降低到较低的水平，从而防止其与溶剂 发生 不可逆 的 反应，避免对 CO2 吸 收过程造成 其他负面影响。 烟 气被输送到增压风 机 （图中未列出）以获得足够的压力克服下游设备的压降， 然后流 至 洗涤塔 对 烟气 进行急 冷和过冷。洗涤水被送入 预 洗涤 塔内 与烟道气直接接触， 降低 烟 气的温度并降低污染物和 SOx 的含量 水平。从 预 洗涤 塔 底部流出的热水被送至 洗涤 水冷却器冷却，然后送回预洗涤塔再利用。可能需要一 个液 碱供应系统为预洗涤 塔补充碱溶液，以减少二氧化硫 在烟气中的 残留 量 。 CO2胺基吸收法单元 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 19 冷却后的气体随后被输送到 CO2吸收 塔 。 吸收 塔 内装有 多级填 料 床，胺 液从 塔顶下 淋，通过与自塔底进入的烟气逆流接触从中吸收 CO2，富 含 CO2的富 胺 液 从吸收 塔 的底 部排出，而含 低浓度 CO2的 烟气从吸收 塔 的顶部排出。吸收 CO2是 一个 放热反应，因此 为了防止塔内热量积聚，并提高胺的吸收能力，热胺 液 在底部填料段上方的 集液 盘被 收集并泵 入 中间冷却器， 经 冷却水冷却 后再 循环 回 吸收 塔 底部 的填料床重新进行 CO2的 吸收。 处理过的烟气从 CO2 吸收段顶部排出通过水洗段。这部分包括在 CO2 吸收 塔 的顶 部，用于捕 集 来自烟 气 的任何挥发性和夹带的胺雾 滴 。 向 上流 动的 处理 后 气体离开水 洗涤 段后被释放入烟囱 。 来自吸收 塔 底部的富 含 CO2的富 胺在贫富 胺热 交换器中被加热，并被送到 CO2解吸 塔 ，在 塔内 胺 液 通过再沸器提供的热量 得以 再生。来自再沸器的低压（ LP）蒸汽凝 液 被 送 到 工厂 冷凝液收集 系统 。 解吸塔 的塔顶汽被冷凝器冷却 后 ，两相混合物在回流 罐 中分离，回流 液 被返回到 解吸塔 ，而产生的 CO2气体 被送到 CO2压缩系统。图 6 显示了 作为界区 条件 输入 的设计 基础 假设，包括预处理单元入口和胺 法 CO2吸收单元入口处的 烟 气组成、流量和压力及温度 条件 。 图 6. 典型胺基吸收 工艺 的假设设计条件 根据 IEA（ 2011） 数据进行修改 。 备注 ： 1. 典型的 烟 气条件，也 同时 列于表 4 中。 本 案例研究采用 25% CO2的代表性浓度。来源： Iwasa et al., 2015。 2. 高温的 烟 气被 急冷 和过冷，然后在水饱和条件下供 入 吸收 塔 。 5.2.4. Aspen Plus 模拟模型说明 Aspen Plus 包括广泛的单元 工艺 模块，可模拟包括混合和分离、闪蒸、加热 /冷却 和蒸馏的过程，以及诸如反应器、 压力改变设备包括 泵、压缩机、管道 压降 等组件。 模型选取 基于平衡 -传质 的模拟 方法（ Equilibrium-based Mass Transfer Approach）。 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 20 模拟 计算中， 主要反应发生在 MEA 和 CO2之间： 22 3+ + 1 2 +22 3 +3+ 2 3 +2 32 +3+ 3 + +2 +3+ 4 +2 +3 5 吸收模拟的主要目 的是确保吸收 塔 顶部排出 的 净化 后 气体中 仅含 0.024 摩尔分数的 CO2。通过调整 吸收溶 液的参数，包括溶液的 组成、吸收温度和循环 量 ，以实现预期的 碳捕 集 性能 指标 。再生模拟的目的是通过调整再生压力、温度和再沸器的热负荷， 使 富 胺液 达到 所期望的 再生程度。 通过 调整塔顶冷凝器的温度，使从塔顶排放的再生气 中 CO2摩尔分数大于 0.9，满足进一步压缩的要求。 5.3. 模拟结果 5.3.1. 流程图 工艺流程图给出了整个系统的工艺路线配置，如 图 5 所示 。该图描绘了一个或多 个物流从进入系统开始的整个工艺过程，包括所有中间操作单元和之间的连接物流连 接管线。 5.3.2. 热量物料平衡 （ HMB） 工艺 模型明确了系统的所有化学成分，从必要的反应物和产品，到蒸汽和冷却水。 流程图中的所有产品 物 流都以热量和 物料 平衡（ HMB）进行汇总；每个 工艺物流 和单 元操作条件都被标记和标识。 工艺 模型中的所有单元操作都保持在特定的操作条件下（ 例如 温度、压力和 流程 ） 完成。下文的表 5 提供了主要工艺 物 流的组成、流 量 、温度、压力和物理性质。模拟 结果表明： CO2 产品气 总量（ 烟 气入口 物 流 S1 为 77902.6kg/h，处理气体 物 流 S2 为 7776.1kg/h） 显示 CO2 捕集量 S7 为 70126.5kg/h（ 每天约 1700 吨），从而实现 90% 碳捕集效率和年捕集 50 万吨的预期目标； 由吸收 塔 中的胺溶剂捕 集 的 CO2以 70126.5kg/h 的速率从 解吸塔 中的 CO2富胺 液 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 21 中 解析出来 ，如 物 流 S7 所示； 在解吸段（解吸塔） 物 流 S7 中回收的 CO2 产 品 气体， 被 冷却到适合于下游 CO2 压缩的 较 低温 度 ， 其 纯度为 97 （ 重量，湿 基 ） 。 在 物 流 S3、 S4、 S5 和 S6 中 给 出 了 胺液 循环 量 ，包括贫胺和富胺的流 量 。 表 5. 主要工艺物流的模拟结果 主要工艺物流 组成 S1 进口烟气 S2 处理后烟气 S3 进吸收塔贫胺 S4 出解吸塔贫胺 S5 进解吸塔富胺 S6 出吸收塔富胺 S7 CO2产品气 S8 进解吸塔回流液 Mass flow kg/h MEA 0.0 76.3 213,613.5 215,433.6 27,243.1 27,243.1 0.0 0.00 H2O 8,996.2 39,365.9 790,735.0 758,223.7 757,489.7 757,489.7 2,164.8 39,934.04 CO2 77,902.6 7776.1 0.0 18.4 13.4 13.4 70,126.5 49.69 H3O+ 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.09 OH- 0.0 0.0 10.3 4.3 1.2 1.2 0.0 0.00 HCO3- 0.0 0.0 472.9 2,294.9 8,765.3 8,765.3 0.0 0.28 CO32- 0.0 0.0 1,973.4 124.2 3,427.8 3,427.8 0.0 0.00 MEAH+ 0.0 0.0 83,177.7 81,216.6 183,568.3 183,568.3 0.0 0.00 MEACOO- 0.0 0.0 131,719.1 131,774.9 280,873.3 280,873.3 0.0 0.00 N2 136,187.4 136,182.6 0.0 0.0 4.8 4.8 4.8 0.00 O2 5,686.9 5,686.5 0.0 0.0 0.4 0.4 0.4 0.00 CO 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.00 H2 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.00 H2S 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.00 S2- 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.00 总流量 kg/h 228,773.0 189,087.4 1,221,701.8 1,189,090.8 1,261,387.1 1,261,387.4 72,296.5 39,984.1 总 液相 流量 m3/h 1,158.2 1,193.2 1,189.3 1,138.0 40.5 总气相流量 Nm3/h 163,814.0 165,908.0 38411.9 总气相实际流量 m3/h 173,780.2 205,906.1 30353.1 压力 kPag 8 2 300 76 205 2 48 200 温度 40 73 40 119 112 56 46 46 摩尔气相分率 1.00 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.00 0.00 密度 kg/m3 1.316 0.918 1,054.9 996.6 1,046.3 1,108.4 2.382 988.4 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 23 5.3.3. 设计参数 1) 吸收塔、解吸塔设备计算 Aspen Plus 使用填料 计算 法（塔尺寸基于化 工 填料高度和直径）进行塔尺寸估算。 塔设备采 用压降 通用关联式 进行 计算 （ 见 表 6）。 吸收塔和 解吸 塔的填料参数请 见 表 7和表 8。吸收器和 解吸 塔直径分别估计为 7.3m 和 5.8m。 表 6. 塔计算准则 准则 说明 用分数表示最大能力接近程度 在交互计算模式下，塔径计算是使得最接近该段中任何点的最大能力等于该值。 设计能力因子 在交互计算模式下，塔径计算是使得最大能力因子等于该 值。应采用最高流量的设计条件下，应用该因子进行尺寸 （直径）计算。 表 7.吸收塔参数 设计参数 Values Unit 塔径 7.3 m 最大负荷分率 0.58 最大负荷因子 0.06 m/s 塔段压降 2318 N/m2 平均高度压降 77.25 N/m3 最大持液量 9.23 m3 最大液相空塔速度 0.01 m/s 比表面积 249 m2/m3 表 8. 解 吸塔参数 2) 换热器设备计算 根据指定的操作条件， ASPEN Plus 输出 加热或冷却设备的热负荷，并且 也给出 在指 定压力和温度下，所需蒸汽和冷却水的 消耗 量（ 见 表 9）。 设计参数 Values Unit 塔径 5.8 m 最大负荷分率 0.59 最大负荷因子 0.04 m/s 塔段压降 852 N/m2 平均高度压降 42.58 N/m3 最大持液量 1.90 m3 最大液相空塔速度 0.01 m/s 比表面积 249 m2/m3 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 24 表 9. 换热器的模拟 输出 参数 热负荷 (GJ/h) 所需加热和冷却介质 贫胺冷却器 101 3026 m3/h Cooling water 贫 /富热交换器 223 N/A 冷凝器 103 3100 m3/h 冷却水 再沸器 290 137 T/h 低压蒸汽 3) 泵、增压风机和压缩机 设备计算 泵、增压风机，压缩机的 输送能力 和压力变化将由工艺路线配置决定。 基于 输入 信息， ASPEN Plus 提供了 驱动转 动 设备所需的电机 功率 ，如表 10 到 表 12 所示。 5.4. CO2捕集、压缩概念设计 本节 内容 概述了 基于 Aspen Plus的模拟结果 而进行的 二氧化碳捕 集 和压缩 装置 概念 性 设计。 5.4.1. 设备规格 所需设备可分为四类： 塔、 容器 、罐； 热交换器； 转 动 设备； 和 其他 特殊 设备（包括过滤器等）。 依 据从 ASPEN Plus 模型中提取的工程设计参数，关键 的 规 格 信息总结 在 表 10 和 11 的 初步设备清单 中 。 表 10. 二氧化碳捕获初步设备清单 塔、容器和罐 No. 设备名称 外形尺寸 (mm) 数量 备注 1 预洗涤塔 D 7,300 1 2 吸收塔 D 7,300 1 3 解吸塔 D 5,800 1 4 贫胺罐 D 7,000 1 5 新胺液罐 D 7,000 1 6 回流罐 D 2,000 x H 5,000 1 水平式 7 冷凝液罐 D 2500 1 8 胺液收集罐 D 2,500 x H 4,000 1 水平式 中国钢铁厂碳捕集封存预留研究 25 换热器 No. 设备名称 热负荷 (GJ/h) 数量 备注 1 洗涤水冷却器 16 1 2 贫胺冷却器 51 2 3 贫 /富胺热交换泵 112 2 4 冷凝器 52 2 5 再沸器 150 2 6 其他冷却器 100 2 转动设备 No. 设备名称 流量 & DP 电机 kW 数量 备注 m3/h kPa