先进热能工程丛书--烟气二氧化碳化学吸收技术

1.技术实用——在我国碳中和目标的指引下，速效而实用的碳中和技术之一，采用化学吸收剂吸收二氧化碳进行减排。 2.作者专业——本书内容是作者长期工作的总结，并基于国家重点研发计划的研究成果。在长期研究化学吸收剂和化学吸收工艺、吸收设备开发和应用的过程中，对过程的技术要领把握到位，实用性很强。 3.内容全面——全流程解读二氧化碳化学吸收中的关键技术，包括二氧化碳化学吸收剂、吸收工艺、吸收设备、节能技术、模拟优化、工业应用与运行管理等，以及化学吸收工业面临的各种挑战。对能源应用、环境治理、化工工艺与设备等专业技术人员和相关高校师生有较好的参考作用。

气候变化是当今世界面临的严峻挑战，大规模控制温室气体二氧化碳（CO2）排放迫在眉睫。目前中国年排放二氧化碳100多亿吨，主要来自化石燃料的燃烧，其中发电行业年排放CO2达到40多亿吨，钢铁行业年排放CO2 约18亿吨，水泥行业年排放CO2 约14亿吨。习近平主席在第75届联合国大会期间提出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）技术是现阶段能大幅度减少化石能源使用过程中CO2 排放的唯一选择，是钢铁、水泥等难减排行业深度脱碳的可行技术方案。在众多的CO2 捕集技术中，燃烧后化学吸收法主要采用碱性氨基吸收剂吸收分离烟气中的CO2，因其烟气适应性好、捕集效率高、技术相对成熟，是最具大规模捕集CO2 潜力的技术路线之一。
目前，美国、日本和欧洲等发达国家和地区已投入数十亿美元，积极开展新一代碳捕集技术研究，在大规模碳捕集工业示范上走在前列。全球首个燃煤电站百万吨/年CO2 捕集项目——加拿大边界大坝（Boundary Dam）电站烟气化学吸收CO2 捕集工程于2014年10月2日正式投入运营。美国2017年1月投运的Petra Nova项目设计化学吸收碳捕集能力140万吨/年，捕集产品用于驱油，是世界上规模最大的燃烧后CO2 捕集装置。在化学吸收剂开发方面，以壳牌康索夫（Shell Cansolv）基于氨基的DC-201、DC-103，日本三菱的KS-1吸收剂为代表的第一代和第二代有机胺吸收剂已能够将CO2 吸收再生能耗从3.92GJ/t CO2 降低至2.8～3.3GJ/t CO2。为进一步降低再生能耗，国内外研究机构通过筛选实验，开发出的相变有机胺、功能化离子液体和非水基胺等第三代少水吸收剂能将CO2 吸收再生能耗的理论值降低至2.5GJ/tCO2 以下。在工业应用方面，我国化学吸收碳捕集技术已经具备了大规模示范的条件，目前已经投运的华能上海石洞口12万吨/年燃烧后捕集工程、中石化胜利电厂4万吨/年烟气CO2 捕集工程、海螺水泥集团5万吨/年烟气CO2 捕集工程、国能锦界电厂15万吨/年碳捕集工程等项目为化学吸收技术工业化应用提供了示范。此外，国家能源集团泰州电厂50万吨/年碳捕集利用示范工程、中石化胜利油田电厂200万吨/年碳捕集示范工程、华能集团150万吨/年碳捕集示范工程等均开始规划、建设或投入使用。
本书得到国家重点研发计划项目“用于CO2 捕集的高性能吸收剂/吸附材料及技术” （项目编号：2017YFB0603300）的支持，主要对CO2 化学吸收技术进行了全面介绍，书中很多内容是项目组最新研究成果。本书共分8章：第1章介绍全球气候变暖与CO2 排放控制现状，以及各种CO2 捕集和利用技术，由方梦祥负责编写；第2章介绍CO2 化学吸收机理和吸收剂，由刘飞负责编写；第3章介绍化学吸收工艺和关键部件设计，由陆诗建和张翼负责编写；第4章介绍化学吸收工艺节能技术和模拟优化，由王涛和许诚负责编写；第5章介绍化学吸收技术的工业应用，由张翼负责编写；第6章介绍膜吸收工艺和关键技术，由晏水平负责编写；第7章介绍化学吸收系统启动、运行、控制和事故处理，由陆诗建负责编写；第8章介绍化学吸收工业化面临的各种挑战，包括水平衡和胺排放、污染物排放和控制、吸收剂降解和抗降解措施及溶剂回收，由王涛负责编写。全书由方梦祥整理统稿。此外，易宁彤、徐燕洁、董文峰、王玉玮、余学海、赵瑞、朱江涛、王天堃、常林、张金生、顾永正、韩涛、廖海燕、徐冬、黄艳、高礼、高军、李严等也参加了本书的编写和文献资料的查找。
特别感谢参加国家重点研发计划项目“用于CO2 捕集的高性能吸收剂/吸附材料及技术”项目组全体成员对本书的贡献，特别感谢浙江大学王勤辉教授、清华大学陈健教授、湖南大学梁志武教授对本书提出的宝贵意见，特别感谢国家能源集团新能源研究院和锦界电厂对本书的支持，特别感谢从事碳捕集技术的国内外专家对本书的支持!
本书可作为碳捕集技术相关知识学习的本科生、研究生教材，也可作为从事碳捕集技术相关工程技术人员的参考书。由于编著者水平有限，本书难免有疏漏，敬请批评指正。

方梦祥
2022年2月

《烟气二氧化碳化学吸收技术》对碳捕集技术中最有大规模工业应用前景的CO2 化学吸收技术进行了全面介绍。在介绍全球气候变暖与CO2 排放控制现状，以及各种CO2 捕集和利用技术的基础上，依次介绍了CO2 化学吸收机理和吸收剂的发展，化学吸收工艺和关键部件设计，化学吸收工艺节能技术和模拟优化，化学吸收技术的工业应用，膜吸收工艺和关键技术，化学吸收系统启动、运行、控制和事故处理，最后分析了化学吸收工业化面临的各种挑战，包括水平衡和胺排放、污染物排放和控制、吸收剂降解和抗降解措施及溶剂回收。
本书可供能源工程、环境工程、化工工艺等专业的技术人员、管理人员以及相关专业高等院校师生参考使用。

第1章　温室效应和CO2 排放控制概述001
1.1　全球气候变化和温室效应002
1.1.1　全球气候变化现状002
1.1.2　温室效应与温室气体003
1.1.3　温室效应对气候变化的影响005
1.1.4　温室效应和CO2 排放临界值007
1.2　CO2 排放状况008
1.2.1　全球CO2 排放总量持续增长008
1.2.2　电力、工业和交通运输部门的CO2排放情况009
1.2.3　各国CO2 排放情况009
1.2.4　国际应对措施010
1.3　CO2 排放控制技术012
1.3.1　可再生能源技术012
1.3.2　先进发电技术015
1.3.3　节能技术018
1.4　CO2 捕集、利用与封存技术020
1.4.1　CO2 捕集技术020
1.4.2　CO2 封存与利用技术032
1.5　CO2 减排潜力分析039
思考题041
参考文献041

第2章　化学吸收机理和化学吸收剂043
2.1　化学吸收工艺044
2.1.1　工艺流程044
2.1.2　工艺特点045
2.2　化学吸收机理046
2.2.1　化学反应原理046
2.2.2　溶解度053
2.2.3　传质机理056
2.3　吸收剂性能和选择059
2.3.1　吸收剂性能059
2.3.2　吸收剂选择063
2.4　常规氨基吸收剂067
2.4.1　醇胺吸收剂067
2.4.2　氨水吸收剂068
2.4.3　哌嗪吸收剂069
2.4.4　氨基酸盐吸收剂070
2.4.5　碳酸盐吸收剂071
2.4.6　混合胺吸收剂071
2.5　两相吸收剂072
2.5.1　两相吸收剂工艺和分类072
2.5.2　混合胺两相吸收剂074
2.5.3　非水基胺两相吸收剂077
2.5.4　热致相变吸收剂078
2.6　其他新型吸收剂080
2.6.1　少水吸收剂080
2.6.2　离子液体吸收剂083
2.6.3　纳米流体吸收剂086
2.6.4　胶囊吸收剂089
2.6.5　催化吸收剂092
2.6.6　酶吸收剂093
2.6.7　吸收剂的发展095
思考题096
参考文献096

第3章　CO2 化学吸收关键设备099
3.1　CO2 吸收塔100
3.1.1　吸收塔种类100
3.1.2　填料塔的设计101
3.1.3　板式塔的设计115
3.1.4　填料吸收塔设计案例118
3.2　CO2 再生塔119
3.2.1　塔体设计119
3.2.2　塔内件设计120
3.2.3　填料解吸塔设计案例120
3.3　其他设备和系统121
3.3.1　CO2 烟气预处理塔121
3.3.2　换热器122
3.3.3　CO2 压缩机129
3.3.4　CO2 脱水干燥132
3.3.5　CO2 液化制冷136
思考题139
参考文献139

第4章　CO2 化学吸收热整合和工艺优化141
4.1　化学吸收系统热整合142
4.1.1　节能工艺介绍143
4.1.2　化学吸收系统工艺优化模拟150
4.2　化学吸收系统和电厂热整合161
4.2.1　化学吸收系统与电站锅炉尾部受热面的热集成162
4.2.2　化学吸收系统与电站汽轮机热力系统的热集成179
思考题189
参考文献189

第5章　烟气CO2 化学吸收工程介绍193
5.1　锦界电厂15 万吨/年燃煤烟气CO2 捕集示范工程194
5.1.1　项目概况194
5.1.2　工艺流程197
5.1.3　化学吸收剂特性199
5.1.4　碳捕集系统介绍200
5.1.5　控制和测量分析系统208
5.1.6　环境保护211
5.1.7　捕集系统运行情况212
5.2　其他示范工程介绍213
5.2.1　边界坝电厂100 万吨/年CO2 化学吸收工程213
5.2.2　佩特拉140 万吨/年CO2 化学吸收工程216
5.2.3　华能石洞口第二电厂12 万吨/年碳捕集工程217
5.2.4　海螺水泥5 万吨/年碳捕集工程219
5.2.5　其他示范工程221
思考题224
参考文献224

第6章　膜吸收技术226
6.1　膜CO2 吸收技术与工艺227
6.1.1　膜CO2 吸收原理227
6.1.2　膜吸收过程中的质量传递229
6.1.3　膜吸收技术基本工艺流程232
6.1.4　膜吸收工艺设计与工程应用232
6.1.5　膜吸收技术的潜在风险245
6.2　膜减压再生技术与工艺246
6.2.1　膜减压再生技术产生背景246
6.2.2　膜减压再生工艺流程及操作参数控制247
6.3　膜吸收与膜减压再生技术经济性分析和敏感性分析256
6.3.1　方法论258
6.3.2　经济性分析260
6.3.3　敏感性分析262
6.4　膜浸润问题265
6.4.1　膜浸润的危害266
6.4.2　膜浸润的预防271
思考题272
参考文献273

第7章　CO2 化学吸收系统运行277
7.1　启动前准备278
7.1.1　吹扫278
7.1.2　系统清洗278
7.1.3　系统试压查漏280
7.1.4　循环水洗280
7.1.5　碱洗281
7.1.6　除盐水冲洗282
7.1.7　系统钝化282
7.1.8　启动前检查283
7.2　CO2 捕集系统启动和停运283
7.2.1　CO2 捕集纯化单元启动283
7.2.2　压缩、干燥、液化单元启动284
7.2.3　系统保运285
7.2.4　CO2 捕集系统停运285
7.2.5　数据的测量286
7.2.6　投产资料的整理及保存287
7.3　溶剂管理和回收287
7.3.1　溶液现场配制287
7.3.2　溶液检测与补充287
7.3.3　溶剂净化288
7.4　水平衡控制288
7.4.1　水平衡主要控制点288
7.4.2　水平衡控制方法288
7.5　故障处理289
7.5.1　设备、仪表事故处理289
7.5.2　工艺运行问题处理291
7.5.3　紧急事故处理296
思考题297
参考文献298

第8章　化学吸收碳捕集系统的挑战299
8.1　化学吸收工艺系统水平衡和胺排放300
8.1.1　化学吸收工艺系统的水平衡分析300
8.1.2　吸收塔内水平衡与胺排放304
8.1.3　水洗塔内水平衡与胺排放305
8.1.4　再生塔内水平衡与胺排放307
8.2　吸收塔污染物排放和控制309
8.2.1　污染物排放类型及现状309
8.2.2　污染物排放影响因素312
8.2.3　污染物排放研究314
8.2.4　污染物排放控制手段318
8.3　吸收剂降解和抗降解322
8.3.1　氧化降解322
8.3.2　热降解323
8.3.3　其他影响因素324
8.3.4　两相吸收剂降解研究325
8.3.5　抗降解技术研究328
8.4　吸收剂的管理和回收问题330
8.4.1　热回收332
8.4.2　离子交换333
8.4.3　电渗析334
思考题336
参考文献336