现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (2) : 53-58. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.02.010

技术进展

燃烧后CO₂胺法捕集工艺改进研究进展

吕兵兵 ¹^,² ,
美合日阿依·穆太力普 ¹^,²^,^* ,
张增伟 ¹^,² ,
刘欣甜 ¹^,² ,
李帅 ¹^,²

作者信息 +

Progress of research on process modifications for amine solvent-based post combustion CO₂ capture

Bing-bing LV ¹^,² ,
Mutailipu MEIHERIAYI ¹^,²^,^* ,
Zeng-wei ZHANG ¹^,² ,
Xin-tian LIU ¹^,² ,
Shuai LI ¹^,²

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摘要

分别从吸收工艺优化、解吸工艺优化、多工艺组合优化以及系统工艺与吸收剂之间的匹配问题并且结合实际案例进行了系统性分析,在吸收优化工艺方面重点讨论了级间冷却工艺与富液循环工艺的技术路径;解吸工艺优化则涵盖了闪蒸压缩、富液分流、多工艺优化等创新工艺。研究结果表明,闪蒸压缩、级间冷却、多工艺优化展现出了显著的优化效果,而多工艺组合优化系统则有巨大的降低能耗的潜力。基于上述研究未来的研究方向应着重提升经济性与技术可行性,并积极与人工智能、大数据分析等新兴技术进行深度结合,以实现碳捕集系统的智能化。

Abstract

A systematic analysis was conducted on the optimization of absorption processes,desorption processes,multi-process combination optimization,and the matching issues between system processes and absorbents,with practical cases included.In terms of absorption process optimization,the technical paths of inter-stage cooling and rich liquid circulation were mainly discussed.The optimization of desorption processes covered innovative techniques such as flash compression,rich liquid diversion,and multi-process optimization.The research results indicated that flash compression,inter-stage cooling,and multi-process optimization demonstrated significant optimization effects,while the multi-process combination optimization system had great potential for energy consumption reduction.Based on the above research,future research directions should focus on enhancing economic efficiency and technical feasibility,and actively integrate with emerging technologies such as artificial intelligence and big data analysis to achieve the intelligence of carbon capture systems.

Graphical abstract

关键词

系统优化 / 化学吸收 / 胺溶液 / 二氧化碳捕集

Key words

system optimization / chemical absorption / amine solution / carbon dioxide capture

Author summay

吕兵兵(2002-),男,硕士生。

引用本文

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吕兵兵,美合日阿依·穆太力普,张增伟,刘欣甜,李帅. 燃烧后CO₂胺法捕集工艺改进研究进展[J]. , 2026, 46(2): 53-58 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.02.010

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近几年来由于CO₂的排放量越来越高,导致全球气候变暖,从而引起了人们对CO₂的广泛关注度^[1-2]。为应对这一挑战,二氧化碳捕集、利用与封存(carbon capture,utilization,and storage,CCUS)技术被广泛认为是实现大规模减排的重要途径之一^[3]。目前,电厂主要减碳的方法有燃烧前捕集、富氧燃烧、燃烧后捕集^[4-5]。其中化学吸收法由于高效性和成熟的工程应用经验,成为应用最广泛且最具商业可行性的技术^[6]。在化学吸收法中,胺法捕集技术以捕集效率高、操作简便的特点,占据了超过60%的市场份额^[7-9]。

然而,尽管胺法捕集技术在二氧化碳减排领域展现出巨大的潜力,但高能耗问题仍是技术推广的主要障碍^[10]。现有工艺存在再沸器负荷较高、溶剂易降解、设备腐蚀等问题,导致运行成本居高不下^[11]。近年来,学者们从吸收工艺优化、解吸工艺优化以及多工艺组合优化等多方面开展研究,探索通过技术改进实现能耗降低的可能性。

本文中围绕燃烧后CO₂胺法捕集工艺的优化开展研究,系统分析了吸收、解吸及多工艺组合的改进措施及其实际应用案例。通过对现有工艺难点的深入剖析,重点探讨了如何在工艺优化中实现能耗降低,并分析了吸收剂与工艺流程的匹配问题。研究表明,闪蒸压缩、级间冷却等优化技术具有显著的降耗潜力,多工艺组合优化则为未来发展提供了更广阔的空间。此外,吸收剂与工艺流程的结合作为技术发展的重要方向,也为实现碳捕集的经济性和可持续性提供了重要支撑。

1 胺法捕集技术

1.1 胺法捕集原理

目前,胺溶剂因工艺成熟、操作方便、CO₂捕集速度快等优点,在CO₂捕集工业中得到了广泛的应用,胺溶剂占据了超过60%的碳捕获市场份额^[7-9]。胺液吸收剂是一种弱碱性吸收剂,能够吸收气体CO₂,胺根据氮原子连接的氢原子个数可分为一级胺(—NH₂)、二级胺(—NR'H)与三级胺(—NR'R″),吸收原理为一级胺和二级胺与CO₂反应生成氨基甲酸酯,吸收原理如下^[10]:

(1)$ \mathrm{CO}_{2}+\mathrm{R}^{\prime} \mathrm{R}^{\prime \prime} \mathrm{NH} \rightleftharpoons \mathrm{R}^{\prime} \mathrm{R}^{\prime \prime} \mathrm{NH}^{+} \mathrm{COO}^{-}$

(2)$ \begin{array}{c} \mathrm{R}^{\prime} \mathrm{R}^{\prime \prime} \mathrm{NH}^{+} \mathrm{COO}^{-}+\mathrm{R}^{\prime} \mathrm{R}^{\prime \prime} \mathrm{NH} \rightleftharpoons \\ \mathrm{R}^{\prime} \mathrm{R}^{\prime \prime} \mathrm{NH}^{+}+\mathrm{R}^{\prime} \mathrm{R}^{\prime \prime} \mathrm{NCOO}^{-} \end{array}$

三级胺由于没有活泼的氢原子,所以不能直接与CO₂反应生成氨基酸甲酯,但三级胺可以促进CO₂解离生成氢离子,与氢离子生成碳酸氢盐,吸收原理如下^[10]:

(3)$ \mathrm{CO}_{2}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}^{-}$

(4)$ \mathrm{H}^{+}+\mathrm{R}^{\prime} \mathrm{R}^{\prime \prime} \mathrm{R}^{\prime \prime \prime} \mathrm{N} \rightleftharpoons \mathrm{R}^{\prime} \mathrm{R}^{\prime \prime} \mathrm{R}^{\prime \prime \prime} \mathrm{NH}^{+}$

胺法捕集分为单胺捕集和混合胺捕集,单胺捕集指的是用一种胺液吸收CO₂,最成熟的吸收剂是单乙醇胺^[11](MEA),原因在于MEA溶液具有高吸收率、价格便宜、技术成熟等多种优点^[12],但是MEA的捕集成本很高而且易腐蚀,捕集能耗一般为3~4 GJ/t^[13]。而混合胺捕集指的是利用2种或2种以上的胺液吸收CO₂,相比较单胺,混合胺有着更加优异的CO₂捕集性能,并且有很大降低系统能耗的潜力。

1.2 胺法捕集工艺

工艺流程优化也是一种能够降低能耗的方法,可以根据优化方案的不同,优化系统可以分为吸收工艺优化、解吸工艺优化、多工艺组合优化3种优化方式^[14],其中吸收工艺优化指的是此工艺亦在提高吸收剂对CO₂的吸收容量同时减小CO₂被吸收时所需要的能耗,使吸收剂在合适的条件下能够充分吸收CO₂;解吸工艺优化指的是此工艺主要针对CO₂的解吸,利用不同的方法和条件减小CO₂解吸时所需要的能耗。经过多数学者研究,解吸二氧化碳是整个碳捕集系统里能耗需求最高的过程^[15-17],多工艺组合优化指的是利用多个合适的设备组合在一个系统中,这种优化方法能够进一步减小系统的能耗。文章将从这3种方式对工艺流程模拟进行介绍。图1为传统的碳捕集工艺流程。

2 胺法捕集吸收工艺优化研究

2.1 级间冷却工艺

在吸收塔中,吸收剂与CO₂的放热反应会导致塔内温度升高,而该反应的最佳温度约为30℃,此时MEA与CO₂的反应动力学最优,可生成稳定的氨基甲酸盐^[18-20];温度过高则会导致吸收剂对CO₂吸收速率降低。故可以采用级间冷却工艺,以此降低塔内温度并让塔内温度保持在30℃左右,流程如图2所示。该工艺通过在塔中部或底部抽取液体冷却后回流,可提高吸收反应速率,使CO₂吸收效率提升约15%,并降低再生能耗。根据图3,冷却温度降低有助于减少再生能耗,但会增加塔底富液负荷; 同时当冷却温度固定时,级数越大,再生负荷越小。此外,塔内温度的稳定控制减少了溶剂热降解风险,从而降低了长期运行成本。

2.2 富液循环

富液循环工艺指的是:①从吸收塔下端流出的液体中提取部分流体再一次通到吸收塔内部;②从吸收塔内抽取一部分流体并将其再次通入到吸收塔内部,这样做的目的是能够让吸收剂与气体反应的时间加长并且还能够减少吸收塔的高度与吸收塔的直径。Dubois等^[21]研究表明,与传统工艺相比较,在此工艺条件下采用不同吸收剂可以使得系统能耗分别降低8.5%(MEA作为吸收剂的结果)、1.9%(PZ作为吸收剂的结果)、3.3%(MEA+PZ作为吸收剂的结果)。Schuber等^[22]通过研究表明,此工艺与传统工艺相比,可以减少4.6%再生热负荷,流程如图4所示。

2.3 双吸收塔工艺

此工艺的主要作用是增加实际操作或者模拟过程中的灵活性,可以进一步提高CO₂的吸收率,但是缺点在于此工艺需要要较大的设备投资费用。Bui等^[23]串联了2个吸收塔,如图5所示,经过预处理的烟气先通过吸收塔2,经过第一次吸收,之后再通过吸收塔1经过第二次吸收,塔1生成的富液再次通入到塔2,这样能达到多次吸收的目的。经研究表明此工艺在不同的吸收剂流速、蒸气压力条件下,再沸器热负荷也是不同的,其中吸收剂流量越高时,再沸器热负荷就越低,在吸收剂流速为8 L/min时为最优,再沸器热负荷为5.4 MJ/kg,流程如图5所示^[23]。

3 胺法捕集解吸优化工艺研究

3.1 富液分流工艺

富液分流工艺通过将部分低温富液引入再生塔上部,以降低塔顶气体温度并减少冷凝器负荷;其余富液则经与高温贫液换热后进入再生塔。杨晖等^[24]以MEA和MDEA/PZ为吸收剂研究了3种分流方案。模拟结果显示,3种方案的再沸器热负荷分别为2.51、2.53、2.36 GJ/t,较传统工艺降低8.70%~14.70%,其中第3种方案效果最佳,再生热负荷较常规MEA流程降低35.36%,流程见图6^[24]。

3.2 闪蒸压缩工艺

闪蒸压缩指的是利用热泵将温度较低的热源转化为利用度更高的热源从而达到减少能源消耗的目的。闪蒸压缩工艺在燃烧后捕集工艺中分为3种,分别为富液闪蒸压缩、贫液闪蒸压缩和机械蒸气压缩工艺。

富液闪蒸压缩工艺是指将吸收CO₂后的富液经换热加热后进入闪蒸罐降压,使部分CO₂和水蒸气析出形成低压蒸气。该蒸气经压缩升温后回送至再生塔底部,作为辅助热源以减少外部蒸气用量。由于闪蒸蒸气温压较低,节能效果主要受蒸气量及压缩机效率限制。在MEA工艺中,该方法的节能潜力有限,一般仅能降低5%~10%的再生能耗。Karimi等^[25]经研究表明,在吸收剂为MEA的前提下,MEA对CO₂的吸收热较高,且再生温度较高(通常需要110~120℃),导致闪蒸蒸气的热品位不足以显著降低再生塔的蒸气消耗。因此此工艺除了提供一个气液分离阶段之外,这种修改并没有明显降低能耗的作用,流程如图7所示^[25]。

贫液闪蒸压缩工艺技术指的是将高温贫液(通常来自再生塔底部)通过闪蒸塔降压闪蒸,释放出大量蒸气。这些蒸气经过压缩机升温后,作为热源返回再生塔,用于加热富液,从而减少外部蒸气的消耗。Hsiao等^[26]经调查表明,使用MEA作为吸收剂的此工艺技术是研究最多的压缩技术,此技术能够节省12.8%~26.8%的再沸器负荷。Liu等^[27]经研究发现在贫液闪蒸压缩工艺系统中解吸塔的压力高时有利于节能,他们还比较了在0.20、0.22、0.24的贫液负荷下此系统的能耗情况,发现最小总能量为3.24 GJ/t,与传统工艺相比,此系统可以减小10.0%的总能耗,此工艺适用于高贫液温度的情形、高CO₂分压的烟气处理、解吸塔压力较高的情形以及使用高效压缩机的情形,流程如图8所示^[27]。

机械蒸气压缩工艺指的是采用压缩机直接压缩解吸塔顶排出的气体,此气体没有预先用冷凝器进行冷凝,经过压缩后的气体产生的热量用于CO₂的再生,压缩后的气体温度升高,热量被用于再生塔中富液的加热,从而减少外部蒸气的消耗,流程如图9所示^[28]。

3.3 多工艺优化

在单一工艺模型基础上引入多工艺耦合可有效降低系统能耗。国内研究已开发多种组合工艺并取得实际成果。在年处理15万t规模的燃煤电厂燃烧后碳捕集示范工程中,级间冷却、富液分流和MVR闪蒸3种单一工艺均表现出良好的节能效果,使再沸器能耗降至2.35 GJ/t。进一步将“级间冷却+富液分流+MVR闪蒸”组合应用后,系统能耗得到更大幅度削减,整体经济性显著提升。Cui等^[29]经过研究统计,相比乙醇胺(MEA)的吸收体系,再沸器体系能够降低40%的系统能耗,流程如图10所示^[29]。

3.4 各工艺优化效果的比较分析

通过多工艺组合优化分析,结合不同吸收剂和操作条件的效果,对比了不同优化工艺在二氧化碳捕集中的表现。各工艺与吸收剂之间的匹配对系统能耗的影响见表1。通过实验数据的分析,级间冷却工艺及新型吸收剂在提升捕集率的同时,能够显著降低系统能耗。其中,级间冷却相较于传统单级冷却流程可使再沸器负荷下降约25%,表现出显著的能效优势。相较之下,水蒸气压缩工艺虽能提高整体捕集率,但受高操作温度影响,能耗水平有所增加。此外,不同吸收剂在各工艺流程中的表现亦存在明显差异,例如MEA在低温条件下具有较高吸收性能,但在常温下可能出现挥发损失,从而影响整体效率。总体而言,多工艺组合流程在节能方面展现出显著潜力,平均降耗幅度可超过20%,显示出相较单一工艺更优的应用前景。

4 结语与展望

主要从吸收工艺优化、解吸工艺优化、多工艺组合优化3个方面对燃烧后CO₂胺法捕集工艺流程模拟进行阐述,并且阐述了多工艺结合流程在实际运行过程中可以降低系统运行的能耗。在吸收工艺优化方面,级间冷却系统的优化表现最优,再沸器负荷降低量最高能达到25%。在解吸优化方面,3种闪蒸压缩工艺通过添加热泵回收高温蒸气潜热有较好的降低能耗的效果,再沸器负荷平均降低20%以上,但是需要消耗额外的压缩功。解吸塔中间加热工艺与多压力解吸工艺的系统能耗降低量在8%左右。富液分流工艺可以使再沸器负荷降低10%左右。多工艺组合优化是一种非常具有发展潜力的降耗方式,但效果依赖于工艺之间的合理匹配。总体来看,尽管工艺优化能减少能耗,但提升空间有限,难以完全满足日益提高的工业要求。未来,吸收剂与工艺流程的协同优化将成为关键方向,但复杂吸收剂体系可能带来降解、腐蚀与回收困难等问题。因此,在工艺优化的同时合理筛选吸收剂至关重要。吸收剂选择与工艺流程匹配的有效结合,是实现燃烧后碳捕集节能的关键途径。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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