1、毕业论文 开题报告 化学工程与工艺 年捕集 4 万吨二氧化碳车间 -设备选型与工厂布置设计 1 选题的背景、意义 全球应对气候变化的核心是减少温室气体排放，其中主要是减少燃煤能源消耗产生的 CO2 气体的排放。二氧化碳捕集、封存和利用（ CCS&U）技术是减少 CO2 排放的一种有效措施。当前，我国是全球 CO2 排放第二大国， 2004 年占世界 CO2 排放总量的 17.8%。 2000 2004 年间我国 CO2 排放的增长量占世界同期 CO2 排放增长量的一半以上， 2010 年前我国 CO2 排放量 已 可能超过美国，成为世界第一排放大国。我国 CO2 排放量较快增长的态势将越来越受
2、到国际社会的关注。燃煤电厂烟道气脱碳是十分重要和必要的。 CO2 是碳和含碳化合物氧化的最终产物，是主要的温室气体之一。同时 CO2 也是地球上最丰富的 C 资源之一，具有储量大、安全无毒和价廉易得等优点。因此， CO2 资源利用具有重大的经济和环境意义 1,2。 近几十年来，许多化学家都在为 CO2 的资源化利用而努力。从 CO2 与环氧化合物出发合成环状碳酸酯是目前 CO2 资源化利用最典型的成功范例之一。如果在反应过程中不使用有机溶剂，则该过程将是一个符合绿色化学标准的原子经济反应。环状碳酸酯广泛应用于纺织、印染、高分子合成以及电化学领域，同时在药物和精细化工中间体的合成中也占据重要的地
3、位。 本 项目 为以 二氧化碳原料生产碳酸乙烯酯 项目的子项目。即进行 捕集燃煤电厂烟道气的二氧化碳 的生产车间设计 。该工艺路线既提高了资源利用率，又避免了大量二氧化碳的排放。同时，碳酸乙烯酯又是重要的化工中间体和有机溶剂，其经济价值巨大。 本项目主要在于设计一个年捕集 4 万吨二氧化碳的车间、工厂与设备选型、场址选择等。 在总体规划的基础上，根据企业的性质、规模、生产流程、交通运输、环境保护以及防火、安全、卫生、施工及检修等要求，结合 场地自然条件，经技术经济比较后，设计多种方案后 ，对 总平面布置 进行 择优 选择 。 成功捕集燃煤电厂排放出的二氧化碳对环境保护、节约资源、能源再利用等都
4、有着十分重要的意义。 2 相关研究的最新成果及动态 目前，捕集工厂排放出的过量二氧化碳的方法有很多种，概括起来主要分为以下六种： （ 1） MEA 法吸收 CO2【 3】 以一乙醇胺为主溶剂的 MEA 法是一种传统的回收烟气 CO2 方法。 CO2 + 2HOCH2CH2NH2HOCH 2CH2NHCOO- + HOCH2CH2NH3+ MEA 法脱碳效率可以达 到 90%，得到 CO2 纯度可以达到 99.5%，不足之处是 MEA 溶剂价格较氨水高，再生耗能也高。采用该技术的代表性电站有美国 Warrior Run 电站和 Shady Point 电站。流程示意图如下： 图 1 烟道气回收
5、CO2 工艺流程 （ 2） ECO2 法 【 4】 ECO2 法 即以氨水为吸收剂的捕集 CO2 的方法。 由于电厂烟气中 CO2 含量高达 15%，这样，脱除过程所需的氨气浓度必然会很高，而氨气的爆炸极限是 15% 28%，若设计不合理，则很容易引起爆炸，因此不推荐采用干法脱碳。一般都采用氨水喷淋的方法，脱碳效率可达 95%-99%，不足之处是氨易挥发，损失大，总反应式如下 ： CO2 + NH3 + H2ONH4HCO3 实际反应比较复杂，可视为分步反应： 2NH3 + CO2NH 2COONH4 NH2COONH4 + CO2 + 2H2O2NH 4HCO3 NH2COONH4 + H2
6、ONH 4HCO3 + NH3 NH3+H2O + CO2NH 4HCO3 2NH3 + H2O + CO2(NH4) 2CO3 (NH4)2CO3 + H2O + CO22NH 4HCO3 氨水吸收 CO2 的反应不是纯放热反应；每千克 氨可吸收高达 1.2kg 的 CO2；氨水易于再生、可得到高纯度的 CO2；副产品 NH4HCO3 是氮肥，具有一定的经济价值。 再生时的反应为 ： 2NH4HCO3(aq) (NH 4)2CO3(aq) + H2O + CO2(g) NH4HCO3(aq)2NH 3(aq) + H2O + CO2(g) (NH4)2CO32NH 3(aq) + H2O +
7、 CO2(g) （ 3）膜分离法 5 膜分离法是利用某些聚合材料制成的薄膜对不同气体的渗透率差异来分离气体的。膜分离的驱动力是压差，当膜两边存在压差时，渗透率 高的气体组分以很高的速率透过薄膜，形成渗透气流，渗透率低的气体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流，两股气流分别引出从而达到分离的目的。其一般流程如下： 图 2 膜分离法流程图 目前许多研究者都在开发硅石、沸石和碳素膜等无机膜。日本 Yamaguchi 大学的研究小组制造了一种沸石矿物膜， CO2 通过膜的速度是 N2 的 100 倍；英国 BG 公司用溴磺化聚环氧丙烷制成脱除CO2 的高效分离膜，对 CO2 和天然气的渗透比率为 59
8、1。 （ 4）低温蒸馏法 该法主要用于回收油田 伴生气中的 CO2。较典型的工艺是美国 Koch Process(KPS)公司的RyanHolmes 三塔和四塔工艺，整个流程包括乙烷回收、甲烷脱除、添加剂和 CO2 回收。低温蒸馏法能耗高，分离效果较差，只适用于油田伴生气中 CO2 的回收。在未来的 IGCC 设计或 CO2 再循环系统中，由于烟气中含有高浓度 CO2，低温蒸馏法值得考虑，其优点是可以产生用管道输送的液体 CO2。 （ 5）吸附法 6 压缩机 预处理 缓冲罐 膜反应器 压缩机 残气 烟气 吸附法是利用固态吸附剂对混合气中 CO2 的选择性可逆吸附来分离回收 CO2 的。吸附法又
9、分为变温吸附法 (TSA)和变压吸附法 (PSA)。 吸附剂在高温或高压时吸附 CO2，降温或降压后将 CO2 解析出来，通过周期性的温度或压力变化，从而使 CO2 分离出来。 该法的关键是吸附剂的载荷能力，其主要决定因素是温差或压差。 （ 6）电化学法 【 7】 熔融碳酸盐燃料电池是在闭合电路 (应用一个外部电动势 )下通过膜传输 CO2，其反应原理如下： 阴极 O2 + 2CO2 + 4e=2CO32- 阳极 H2 + 2CO32-=2CO2 + 2H2O + 4e 熔融碳酸盐在燃料电池方面的应用有广泛的技术基础；随着温度的升高，约 100%的熔融碳酸盐对 CO32-进行 了传输；在 60
10、0 显示了高约 1 s/cm 的电导率， CO32-的扩散率相当于 10.5 cm2/s；从电厂烟气中分离 CO2 的附加电力费用较低。熔融碳酸盐在高温下具有极强的腐蚀性，其制作和操作都很困难；烟气中的 SO2 也会毒化电池；在高温烟气环境下，还存在电解质隔离和电极退化问题。此外，熔融碳酸盐电化学法还需要在具有更高传导性的碳酸盐离子固态电解质研制方面取得突破并进一步优化工艺，可望成为一种有竞争力的 CO2 分离捕集技术。 总之，各种捕集二氧化碳的工艺各有利弊。从我国现有的化工生产条件及原料经济状况出发，本项目选择 了以氨水吸收法作为捕集工艺，拟进行相关设计。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方
11、法（技术路线）、难点及预期达到的目标 3.1 课题研究的内容 本课题将在氨水吸收法的工艺设计基础上，对一个年捕集 4 万吨二氧化碳的工厂进行设计，着重于车间设计以及设备选型。 实际反应分步 如下 ： 2NH3 + CO2NH 2COONH4 NH2COONH4 + CO2 + 2H2O2NH 4HCO3 NH2COONH4 + H2ONH 4HCO3 + NH3 NH3+H2O + CO2NH 4HCO3 2NH3 + H2O + CO2(NH4) 2CO3 (NH4)2CO3 + H2O + CO22NH 4HCO3 总反应如式下 ： CO2 + NH3 + H2ONH4HCO3 所选择的工
12、艺流程图如图 3 所示： 图 3 氨法脱碳工艺流程图 各设备选型时需要的主要物料参数详见表 1。 表 1 主要工艺参数 项目 指标 烟道气流量（ Kg/h） 37615.1 氨的流量（ Kg/h） 542 水的流量（ Kg/h） 18000 进料温度（ ） 100 再沸器温度 （ ） 120 反应温度（ ） 31-33 二氧化碳停留时 间（ s） 2.54 二氧化碳脱除率（ %） 90 解析塔压力（ bar） 3 吸收塔压力（ bar） 2 3.2 设计 研究路线 研究路线分为三个大部分： （ 1）对工厂的整体布置。将厂区分为 厂前区、生产辅助区、生产区和储罐区 。 工厂总平面图应在节约用地的
13、基础上，满足工厂的生产、运输、安全要求；按功能分区，功能分区内各项设施的布置应紧凑、合理；在符合生产流程、操作要求和使用功能的前提下，建筑物、构筑物等设施应联合多层布置，厂区、功能分区及建筑物、构筑物的外形宜规整 。 （ 2）对车间的布置。总共有两个大车间 分别是捕集二氧化碳车间及生产车间，重点在于对捕集车间的设计及布置。设计图纸见附录。 （ 3）设备选型。根据已经给定的工艺参数，主要进行对塔设备、泵、换热器、储罐的选型。 3.3 设计的难点： （ 1）在进行厂区布置时要充分考虑到交通、地理环境、市场、供电供水等多种因素。 （ 2） 车间布置时要充分考虑到供水、供电、设备仪器、安全等多种因素。
14、 3.4 预期达到的目标 设计出一个一年可以捕集 4 万吨二氧化碳的工厂。 4 论文详细工作进度和安排 2010 年 11 月 -2011 年 1 月 ：查阅文献，撰写文献综述和开题报告； 2011 年 2 月 -2011 年 3 月：开题报告答辩； 2011 年 3 月 -2011 年 5 月：实验室探索，完成英文翻译； 2011 年 5 月 -2011 年 6 月：补充数据，撰写论文，本科论文答辩； 参考文献 【 1】 陈长虹 ,鲍仙华 .全球能源消费与 CO2 排放量 J.上海环境科学 ,1999,18(2):62 64 【 2】 费维扬 ,艾宁 ,陈健 . 温室气体 CO2 的捕集和分
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