一種基于二氧化碳捕集吸收塔裝置的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王偉健

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

全球氣候變暖問題非常嚴(yán)峻，已經(jīng)成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，控制溫室氣體排放以緩解氣候變化成為目前國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。2020年9月22日，第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上指出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。在眾多溫室氣體減排技術(shù)方案中，二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）是一項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的技術(shù)，被稱為實(shí)現(xiàn)碳中和的“兜底技術(shù)”。

電廠鍋爐、鋼鐵廠、水泥廠、煉廠等均可產(chǎn)生低分壓、低濃度CO2煙氣；在中國(guó)，燃煤鍋爐是CO2的主要排放源，同時(shí)，具有集中及固定的特點(diǎn)，是碳捕集的主要對(duì)象。目前，國(guó)內(nèi)最大的碳捕集項(xiàng)目國(guó)華錦界電廠15萬噸/年碳捕集項(xiàng)目已經(jīng)投運(yùn)成功，國(guó)電泰州電廠50萬噸/年碳捕集項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)建設(shè)，甘肅隴東能源公司150萬噸/年二氧化碳捕集利用與封存研究及示范項(xiàng)目也在策劃實(shí)施中。

對(duì)于我國(guó)，發(fā)電廠豐富的CO2資源對(duì)開展CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，加快建設(shè)百萬噸級(jí)CCUS項(xiàng)目，打造系統(tǒng)CCUS大規(guī)模樣板工程，對(duì)提高中國(guó)CCUS技術(shù)能力和“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

1 二氧化碳捕集吸收多功能塔

針對(duì)百萬噸級(jí)低分壓CO2捕集工程，水洗塔、吸收塔等大型塔器的設(shè)計(jì)和制造是一項(xiàng)難度大并且具有挑戰(zhàn)性的工作。目前，國(guó)外僅有兩個(gè)百萬噸級(jí)低分壓CO2捕集工程應(yīng)用案例，其反應(yīng)塔器都是分體設(shè)計(jì)和建造的，塔器系統(tǒng)龐大、煙道安裝空間大，國(guó)內(nèi)尚未有百萬噸級(jí)低分壓CO2捕集工程的應(yīng)用案例。美國(guó)140萬噸/年的新佩特拉碳捕集項(xiàng)目和加拿大100萬噸/年的邊界壩碳捕集項(xiàng)目則借鑒了脫硫塔和冷卻塔的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，將吸收塔設(shè)計(jì)為方塔形式。方塔較之圓塔主要優(yōu)勢(shì)在于，方便采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，填料加工難度小，造價(jià)相對(duì)經(jīng)濟(jì)，塔內(nèi)件分塊類型較少，同類型之間可替換，設(shè)計(jì)、制造及安裝方便。

二氧化碳捕集吸收多功能塔是在二氧化碳捕集工程分塔模式基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要用于二氧化碳捕集系統(tǒng)，吸收CO2在二氧化碳捕集系統(tǒng)中是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，包含水洗段、吸收段、冷洗段、熱洗段。

以小試試驗(yàn)裝置（5800mm×2400mm）為例，具體工藝流程為：來自界外的煙氣由水洗段下部煙氣進(jìn)口a進(jìn)入塔內(nèi)，與水洗段的噴淋堿洗水接觸；同時(shí)，溫度降至45℃，然后，經(jīng)百葉窗進(jìn)入多功能塔吸收段，與從塔頂噴淋而下的貧液進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，脫除煙氣中的CO2，然后依次進(jìn)入冷洗段、熱洗段洗滌后返回界外（圖1）。

圖1 二氧化碳捕集吸收多功能塔結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 水洗段

水洗段設(shè)置有水洗床、干床、捕霧床、堿洗水進(jìn)口與堿洗水出口；水洗段作用為去除煙氣中的SO2及部分NOX，為了保證脫硫效果，吸收多功能塔堿洗水呈堿性，可在洗滌水管線中加入少量氫氧化鈉。水洗床作用為相當(dāng)于氣液分布器，是液體與煙氣接觸更加充分。

2.2 吸收段

吸收段設(shè)置有吸收床、干床、貧液進(jìn)口與富液出口；吸收段作用為吸收煙氣中的CO2,煙氣從煙道進(jìn)入多功能塔吸收段，與從塔頂噴淋而下的貧液進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，脫除煙氣中的CO2，貧液為復(fù)合胺溶液，富液為吸收CO2后的復(fù)合胺溶液。

2.3 冷洗段

冷洗段設(shè)置有冷洗床、捕霧床、冷洗水進(jìn)口與冷洗水出口；冷洗段作用為洗掉煙氣中的胺溶液，有效控制了胺逃逸，減少了藥劑損耗。

2.4 熱洗段

熱洗段設(shè)置有導(dǎo)流床、熱洗床熱洗水進(jìn)口、熱洗水出口與煙氣出口；熱洗段作用為脫除CO2的煙氣經(jīng)過熱洗，可以帶走系統(tǒng)內(nèi)部水分，使系統(tǒng)內(nèi)水分降低，有效減少藥劑損耗。

3 設(shè)備特點(diǎn)

二氧化碳捕集吸收多功能塔器集原料氣深度凈化、CO2吸收反應(yīng)、吸收溶劑逃逸控制、系統(tǒng)水平衡控制等功能于一體的新型二氧化碳捕集吸收多功能塔。相比傳統(tǒng)分塔模式，新型多功能塔簡(jiǎn)化了工藝流程，降低了占地面積；并設(shè)置通過高溫堿性熱水洗滌，控制排煙溫度和系統(tǒng)的水平衡的同時(shí)回收部分吸收劑，減少了吸收劑損耗。

4 結(jié)語

新型多功能塔雖然相比傳統(tǒng)分塔模式，簡(jiǎn)化了工藝流程，降低了占地面積。但由于是首次采用此結(jié)構(gòu)，且為特大型塔器，在進(jìn)行工程應(yīng)用前，需針對(duì)一些關(guān)鍵問題開展研究，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)：一是多功能吸收塔存在諸多拐角，設(shè)置較多折流板可能會(huì)增加局部阻力，需優(yōu)化塔內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及通道，選取最佳填料布置位置和高度，降低煙氣的全程流阻并確定流阻大小，便于風(fēng)機(jī)選型；二是由于多功能吸收塔流動(dòng)通道復(fù)雜，進(jìn)料點(diǎn)較多，塔徑較大，需開展氣液分布器優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)氣液均布從而有效傳熱傳質(zhì)，保證塔效；三是內(nèi)構(gòu)件支撐件跨度較大，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度核算，確保長(zhǎng)期穩(wěn)定支撐。