趙東亞，張 建，李清方，劉海麗，李兆敏，朱全民，4

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）化工學(xué)院，山東青島 266580；2.勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東東營(yíng) 257026；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；4.西英格蘭大學(xué)，英國(guó)布里斯托，BS16 1QY）

0 引言

眾所周知，CO2是導(dǎo)致全球變暖、極端氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā)的主要原因之一，火電廠是CO2釋放的主要來(lái)源之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)有近75%的電力供應(yīng)來(lái)自火電廠，其排放的CO2約占全國(guó)排放量的三分之一?；痣娖髽I(yè)CO2排放相對(duì)集中，是理想的CO2供應(yīng)源，將捕集、純化后的CO2輸送到油田進(jìn)行驅(qū)油并封存在廢棄油層中，即所謂的EOR技術(shù)，是理想的選擇之一。本文在介紹了CO2捕集、純化工藝流程的基礎(chǔ)上建立了其工程—經(jīng)濟(jì)模型，可作為相關(guān)工程投資回報(bào)預(yù)算的重要手段。

1 CO2捕集、純化工藝

CO2捕集與純化工藝主要采用化學(xué)吸收法，溶劑為一乙醇胺 （MEA）?；贛EA的技術(shù)能夠?qū)O2含量提純到99%。國(guó)際上主要有Fluor Daniel公司的Econamine FG和ABB Lummus Crest公司的MEA兩種CO2捕集技術(shù)[1-4]，由于Econamine FG的數(shù)據(jù)更容易獲取，因此本文主要針對(duì)該技術(shù)開(kāi)展工程—經(jīng)濟(jì)建模研究。

CO2捕集、純化工藝流程見(jiàn)圖1。該工藝流程主要包括兩個(gè)過(guò)程，即CO2溶解和CO2釋放。在吸收塔中，CO2與MEA發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生弱鍵連接的產(chǎn)物R-NH-COO-；在再生塔中發(fā)生吸熱化學(xué)反應(yīng)生成CO2和MEA。主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下[5-6]：

圖1 火電廠煙氣CO2捕集、純化工藝流程

由于在吸收過(guò)程中產(chǎn)生了比較穩(wěn)定的R-NHCOO-化學(xué)鍵，因此需要大量的熱才能打開(kāi)這個(gè)化學(xué)鍵，產(chǎn)生CO2和MEA。因CO2夾帶和MEA蒸發(fā)等原因會(huì)損失一些MEA；此外煙氣雖然經(jīng)過(guò)水洗、脫硫等處理，但是其中仍然含有少量氧化物、硫化物和氮化物，它們會(huì)與MEA發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生熱穩(wěn)定的鹽，也會(huì)損失一些MEA，因此在正常生產(chǎn)過(guò)程中，需要不斷地補(bǔ)充新鮮的MEA?？傮w來(lái)說(shuō)，除設(shè)備投資和人員工資外，生產(chǎn)所消耗的熱量和MEA的損失也是生產(chǎn)成本的重要組成部分。

2 工程模型

由于我國(guó)火電廠CO2捕集、純化技術(shù)尚處于起步階段，缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)用以建模與分析。使用諸如ASPEN-Plus等過(guò)程模擬軟件對(duì)之進(jìn)行模擬，針對(duì)模擬數(shù)據(jù)，運(yùn)用回歸分析方法，可建立工程模型。文獻(xiàn) [1-2]使用ProTreat軟件對(duì)CO2捕集、純化過(guò)程進(jìn)行了模擬，經(jīng)過(guò)對(duì)模擬數(shù)據(jù)回歸分析，建立如下工藝性能模型：

式中L——吸收劑流量/（kmol/h）；

G——入口煙氣流量/（kmol/h）；

Q——MEA再生需要的熱量/（GJ/h）；

yCO2——煙氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)；

φl(shuí)ean——貧CO2溶劑負(fù)載/（molCO2/molMEA）；

C——MEA在溶劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Tfg，in——吸收塔入口煙氣溫度/℃；

Tfg，out——吸收塔出口煙氣溫度/℃；

PCO2——CO2產(chǎn)品期望壓力 （表壓）/kPa；

mwlean——貧CO2溶劑平均分子質(zhì)量/（kg/kmol） ;

ecomp——單位CO2壓縮需要的功/（kW·h/t）。

CO2捕集總量為：

式中nCO2——煙氣中CO2摩爾流量/（kmol/h）；

wCO2——CO2摩爾質(zhì)量/（0.044 t/kmol）。

假設(shè)火電廠煙氣脫去絕大部分SOx和NOx后進(jìn)入CO2吸收塔，新加入的MEA和CO2捕集總量成比例關(guān)系，設(shè)比例系數(shù)為K1，則MEA補(bǔ)充流量為：

式中 mMEA——MEA補(bǔ)充流量/（kmol/h）。

水的消耗量為：

式中mwater——用水總量/（t/h）；

mpw——過(guò)程用水總量/（t/h）；

mcw——冷卻用水總量/（t/h）。

蒸汽消耗量為：

式中msteam——蒸汽消耗量/（kg/h）；

qsteam——蒸汽熱焓/（kJ/kg）。

3 經(jīng)濟(jì)模型

經(jīng)濟(jì)模型主要包括設(shè)備投資模型和操作維護(hù)成本模型，它們與工程模型直接相關(guān)。設(shè)備投資模型可使用0.6次冪方法和工程模型輸出數(shù)據(jù)建立，0.6次冪方法是化工過(guò)程中常用的工程成本建模方法[7]。

3.1 設(shè)備投資成本模型

文獻(xiàn) [8]使用0.6次冪方法建立如下設(shè)備投資成本模型：

式中C1——冷卻器投資成本/萬(wàn)元；

C10——參考冷卻器成本/萬(wàn)元；

Vfg——煙氣實(shí)際流量/（m3/h）；

Tfg——煙氣入口溫度/℃；

Vfg0——參考冷卻器煙氣流量/（m3/h）；

Tfg0——參考冷卻器煙氣入口溫度/℃。

式中C2——煙氣鼓風(fēng)機(jī)投資成本/萬(wàn)元；

C20——參考煙氣鼓風(fēng)機(jī)成本/萬(wàn)元。

式中C3——吸收塔投資成本/萬(wàn)元；

C30——參考吸收塔成本/萬(wàn)元。

式中C4——換熱器投資成本/萬(wàn)元；

C40——參考換熱器成本/萬(wàn)元；

Vsol——溶劑實(shí)際流量/（m3/h）；

Vsol0——參考換熱器溶劑流量/（m3/h）。

式中 C5——再生塔投資成本/萬(wàn)元；

C50——參考再生塔成本/萬(wàn)元；

Vsol——溶劑實(shí)際流量/（m3/h）；

Vsol0——參考再生塔溶劑流量/（m3/h）。

式中C6——再沸器投資成本/萬(wàn)元；

C60——參考再沸器成本/萬(wàn)元；

mste——蒸汽實(shí)際流量/（kg/h）；

mste0——蒸汽參考流量/（kg/h）。

式中C7——MEA回收器投資成本/萬(wàn)元；

C70——參考MEA回收器成本/萬(wàn)元；

mmak——MEA補(bǔ)充實(shí)際流量/（kg/h）；

mmak0——參考MEA補(bǔ)充流量/（kg/h）。

式中C8——CO2干燥、壓縮設(shè)備投資成本/萬(wàn)元；

C80——CO2干燥、壓縮設(shè)備參考投資成本/萬(wàn)元；

mCO2——CO2實(shí)際流量/（kg/h）；

mCO20——參考CO2流量/（kg/h）。

于是設(shè)備投資總成本模型為：

式中Cequi_tol——設(shè)備投資總成本/萬(wàn)元。

3.2 操作維護(hù)成本模型

固定操作維護(hù)成本為：

式中Cf——固定操作維護(hù)成本/萬(wàn)元；

Cope——操作人員人力成本/萬(wàn)元；

Cmaint——維修人員人力成本/萬(wàn)元；

Cadmin——管理人員人力成本/萬(wàn)元。

其他操作維護(hù)成本為：

式中Cv——其他操作維護(hù)成本/萬(wàn)元；

CMEA——MEA費(fèi)用/萬(wàn)元；

Cwater——水的費(fèi)用/萬(wàn)元；

Ctransport——CO2運(yùn)輸費(fèi)用/萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)CO2捕集、純化工藝，根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，建立了其工程—經(jīng)濟(jì)模型，能夠?yàn)榇笮突痣姀S、油田等企業(yè)投資CO2捕集、純化技術(shù)提供一定的參考依據(jù)。本文所得結(jié)果也可作為CO2定價(jià)的參考。我國(guó)目前正在加大對(duì)CO2捕集、運(yùn)輸及封存的研究與投資。隨著我國(guó)大規(guī)模碳捕獲、利用與封存 （CCUS）生產(chǎn)流程的建立，可利用越來(lái)越豐富的實(shí)際數(shù)據(jù)資源，建立更加符合我國(guó)國(guó)情的CO2捕集、純化工藝的工程—經(jīng)濟(jì)模型。

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