CO2吸收净化系统的设计及三维模拟毕业设计论文

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1、 毕 业 设 计 CO2吸收净化系统的设计 及三维模拟 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

2、作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　  指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　  学位论

3、文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进

4、行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书 指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的

5、能力 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中

6、 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 指导教师：

7、 （签名） 单位： （盖章） 年 月 日 评阅教师评阅书 评阅教师评价： 一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是

8、否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 评阅教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日 CO2吸收净化系统的设计及三维模拟 教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价： 一、答辩

9、过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □

10、良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 教研室主

11、任（或答辩小组组长）： （签名） 年 月 日 教学系意见： 系主任： （签名） 年 月 日 北 京 石 油 化 工 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书 学院（系、部）机械工程学院 专业 环境工程 班级 环07-1 学生姓名 指导教师/职称 朱玲/副教授 1.毕业设计（论文）题目 CO2吸收净化系统的设计及三维模拟 2.任务起止日期： 2011 年 2 月 21 日 至

12、 2011 年 6 月 10 日 3.毕业设计（论文）的主要内容与要求 （含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果） 课题简介： 电厂燃煤烟气所排放的CO2会造成温室效应和全球气候变化，引发严重的环境问题。化学吸收法处理烟气中的CO2是一种简单、高效的净化技术，已经逐步得到推广应用。 本课题的内容包括：对CO2化学吸收工艺中主要设备吸收塔，热交换器、气提塔进行设计计算，对其泵和风机等辅助系统进行计算选型。同时使用UG软件对所设计的系统进行三维模拟。 通过该设计可提高学生综合运用所学知识的能力，培养学生的独立思考和解决问题的能力，提高学生的综合能力、科研水平和创

13、新意识。 原始数据： （1）处理量：150m3/d （2）CO2浓度：9% （3）净化效率：95%以上。 应提交的成果： 1. 检索资料：中文文献不少于12篇，英文文献不少于4篇； 2. 开题报告或文献综述； 3. 英文文献原件及其翻译后的文件； 4. 有关设计的至少3张A0图纸或者相当于3张A0图纸的图量； 5. 毕业设计论文。 4.主要参考文献 （1）有关CO2脱除方面的书籍； （2）有关吸收塔、气提塔设计方面的书籍； （3）有关热交换器设计方面的书籍； （4）有关机械设计和绘图方面的书籍。 （5）有关UG、CAD绘图方面的书籍； 5.进

14、度计划及指导安排 第1周 校内外文献查阅，撰写文献综述； 第2-3周 翻译与本题目有关英文资料，撰写开题报告； 第4周 进行化学吸收工艺的总体设计； 第5周 CO2吸收系统的物料平衡计算、吸收塔基本设计参数计算； 第6周 热交换系统的计算； 第7周 CO2分离系统的物料平衡计算、气提塔基本设计参数计算； 第8周 管道、泵和风机等辅助系统设备的选型与计算；仪器、仪表的选用； 第9周 管路的设计； 第10-11周 系统的三维模拟设计； 第12周 按照标准绘CAD图； 第13周 手工绘制图纸； 第14周 撰写论文； 检查全部图纸； 第15周 整理资料

15、，根据指导教师意见修改论文；根据评阅教师意见，进一步修改论文，制作幻灯片，准备答辩； 第16周 答辩。 任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字）

16、 3 摘 要 电厂燃煤烟气所排放的CO2会造成温室效应和全球气候变化，引发严重的环境问题。因此控制CO2的排放已成为应对气候变暖的最重要的技术路线之一。可以采取多种控制技术控制锅炉烟气中CO2的排放，本文着重介绍了应用广泛的化学吸收工艺技术。 本论文主要对CO2化学吸收法的基本原理、反应机理、工艺流程、应用设备、存在的问题及解决措施作简要的介绍；对CO2处理系统工艺进行了设计；对化学吸收主体设备进行计算设计，主要包括填料、筒体、塔内件（液体分布装置、填料支承装置、除沫器）；对辅助设备进行计算选型；通过UG（Unigraphics NX）对实验系统

17、进行三维模拟。 关键词：二氧化碳吸收，填料塔，设计，Unigraphics NX Abstract Carbon dioxide emission from coal-fired power plant flue would cause the greenhouse effect and global climate change and serious environmental problems. Therefore control the emissions of carbon dioxide has

18、become the most important technical routes of response to climate warming. There are many technologies to control emissions of carbon dioxide. This text emphasizes to introduce the chemical absorption process technology of carbon dioxide which is applied extensively. The article introduces the bas

19、ic principles of the chemical absorption process technology of carbon dioxide, reaction mechanism, process, application and the problems presented and solutions to them. The treatment system of carbon dioxide is designed. A detailed count and design to the chemical absorption of the carbon dioxide i

20、s made, mainly including packing, internals (liquid distribution device, packing supporting device, mist eliminator). The selection of auxiliary equipment is made by detailed calculated. Three-dimensional simulation of the experimental system is finished by UG (Unigraphics NX). Key words：Carbon d

21、ioxide absorption; Packed tower; Design; Unigraphics NX 目 录 第一章 前 言 1 1.1 引言 1 1.2 研究意义 3 1.3 二氧化碳主要来源 3 1.4 二氧化碳的应用 4 1.5 二氧化碳的吸收方法 5 1.6 化学吸收法在电厂中的运用 14 第二章 吸收塔的设计计算 17 2.1 确定塔设备的选型 17 2.2 吸收剂的确定 18 2.3 填料 22 2.4 塔径的计算 24 2.5 填料层高度的计算 26 2.6 吸收塔附件的设计

22、与选用 26 2.7 塔高 29 2.8 塔体材料 30 第三章 解吸塔的设计计算 31 3.1 平衡线 31 3.2 解吸所需蒸汽量 31 3.3 填料的选择 33 3.4 塔径的计算 33 3.5 填料层高度的计算 34 3.6 解吸塔附件的设计与选用 35 3.7 加热系统 36 3.8 塔高 41 3.9 塔体材料 42 第四章 辅助设备的设计选型 43 4.1 风机的选型 43 4.2 泵的选择 44 4.3 仪器仪表的选择 45 第五章 实验装置的三维模拟造型 50 第六章 结论 55 参 考 文 献 56 致 谢 58 声

23、 明 59 V 第一章 前 言 1.1 引言 全球变暖是当今人类面临的严峻挑战，是国际社会公认的全球性环境问题。全球变暖的主要原因是大气中温室气体的急剧、持续增加。大量的观测和研究表明[1]，大气中的CO2浓度已显著增加，目前已经远远超出工业化前几千年来的浓度值，其中CO2浓度从工业化前约280mL/m3增加到2005年的379mL/m3。由于CO2排放量很大且降解时间长，对全球温室气体的贡献最大。 CO2气体在大气中含量的急剧增加，正是工业时代以来全球变暖的主因。联合国政府间气候变化委员会曾经发布报告指出，如果全球气温上升幅度超过1.5°C，则全球20%～30%的动

24、植物种将面临灭绝。如果气温上升3.5°C以上，则有40%～70%的物种将面临灭绝。因此，防止全球气候变暖，刻不容缓，特别是要减少CO2气体的排放量。这些温室气体就像一张张开的塑料大棚罩在了大地上，阳光可以通过它们进入大地，但大地的热量却被它们隔绝，散发不到大气之中，因此造成气候变暖，而且这种温室气体越多，地球气候变暖就会更加加剧[2]。 IPCC第三次评估报告指出，大气中CO2的浓度稳定在不同水平所造成的影响是不同的，见表1-1。 表1-1 大气中不同CO2浓度所造成的影响[3] 减排情景 CO2浓度/（μL/L） CO2当前浓度/（μL/L） CO2浓度成峰年 2050年全

25、球CO2排放变化（相当于2000年），% 全球平均温度较工业革命前的增加量/°C 只考虑热膨胀条件下全球平均海平面较工业革命前的上升量/m 1 350~400 445~490 2000~2015 -85~-50 2.0~2.4 0.4~1.4 2 400~440 490~535 2000~2020 -60~-30 2.4~2.8 0.5~1.7 3 440~485 535~590 2010~2030 -30~+5 2.8~3.2 0.6~1.9 4 485~570 590~710 2020~2060 +10~+60 3.2~4.0 0

26、.6~2.4 5 570~660 710~855 2050~2080 +25~+85 4.0~4.9 0.8~2.9 6 660~790 855~1130 2060~2090 +90~+140 4.9~6.1 1.0~3.7 2005年大气中温室气体浓度为370μL/L 左右，若要求2050年温度上升不超过2°C（与2000年相比），温室气体浓度必须控制在450～550μL/L，今后10～20年达到峰值，然后以每年1%～3%的速率下降。到2050年，全球温室气体排放比2000年大约降低25%，发达国家在2050年前绝对排放量减少60%～80%（与2000年相比

27、），发展中国家在2050年的排放量与1990年相比，增长幅度不应超过25%。 按现在的一些发展趋势，温室气体不断排放将带来一些不可避免的危害[4]： 1. 导致冰川融化，使海平面上升 从1978 年开始，美国科学家就开始利用卫星技术记录北极海冰覆盖的面积，科学家最先发现的是面积的变化。通过对比这些记录，科学家注意到，从1979年到2006年间，一年的每个月份海冰覆盖的面积都呈下降趋势，其中最明显的是在9月份，平均每年减少约10万m2。海冰的面积在2007年达到了最低点。除此之外，内陆一些长年积雪的山脉，也因温室效应，降雪量减少等原因，雪线面积不断的上升，有些长年积雪的冰川，也开始消融，河

28、流因此而来水减少或枯竭，给下游人口的生产、生活和社会经济发展带来困难。 2. 极端天气现象增多 “全球变暖”会影响大气环流，继而改变全球的降水量分布。有些地区的降水量会增大，导致洪涝和风暴潮灾害增多。2008年，南方持续了近一个月的冰雪灾害，使当地人民群众的生产、生活、社会经济发展受到严重影响，造成了巨大的经济损失。2009年的11月份北方和南方的部分地区再次遭受到极端天气的影响，造成交通、生产、生活上的不便。 3. 对全球农业的影响日益严重： 由于“全球变暖”影响到了大气环流，使全球的水循环发生了变化，在有些地区的表现是降水量明显多于往年，甚至发生洪涝灾害，农作物受灾，发生地质灾害等

29、；而在有些地区则表现为高温和干旱。高温蒸干了地表水，部分河流、湖泊干涸，就连人、畜的饮用水都得不到保证。在有些地区，冬季的气温较高形成“暖冬”，有些害虫在冬季得以“安全过冬”，而在来年的农业生产中，害虫将大量繁殖，与人类争抢粮食等作物。 近年来，中国也已经从科学和社会发展等多方面认识到了气候变化的巨大影响，并且开始进行着积极的应对。在2009年12月7日～18日召开的哥本哈根世界气候大会上，中国政府公布了中国控制温室气体排放具体行动目标。这些目标是在11月25日举行的国务院常务会议上通过的。会议决定，“到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，作为约束性指标

30、纳入国民经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法。会议还决定，通过大力发展可再生能源、积极推进核电建设等行动，到2020年我国非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右；通过植树造林和加强森林管理，森林面积比2005年增加4000万公顷，森林蓄积量比2005年增加13亿立方米。这是我国根据国情采取的自主行动，是我国为全球应对气候变化做出的巨大努力”。 目前，我国CO2排放总量占世界总排放量13%，减排压力较大，为积极应对温室气体的形势，人类必须采取行动，减少温室气体排放。 1.2 研究意义 温室气体尤其是CO2的排放逐年上升，成为全球气候变化的罪魁祸首。如果不采

31、取有效措施控制温室气体排放，那么人类的发展将因此而受到极大影响。 我国CO2的排放量仅次于美国，居全球第二。导致这种状况的主要原因是我国能源资源的不均衡及消费结构的不合理，煤炭资源约占我国资源总量的75%左右，煤炭消费占能源消费总量的65%以上，而且以煤炭为主的能源消费结构短期内很难改变，加上我国的人口总数仍将继续增长，因此能源消费和温室气体排放的增长不可避免，能源供应和能源环境问题仍将是制约我国经济发展的突出问题之一。 由于人口、资源和环境的限制，我国的经济发展必须走低资源消耗、低能耗、低碳经济的发展道路，把节能减排与可再生能源的发展结合起来，大力发展高效、节能、清洁技术，依靠科技创新走低

32、碳经济之路，大幅降低温室气体的排放，为我国经济的协调可持续发展提供保障[5]。 作为发展中国家，我国在温室气体减排上付出了实际行动，成立了应对控制温室气体排放的相关机构，制定了节能减排、应对气候变化的一系列政策。我们相信，只要全人类共同努力，减少温室气体排放，缓解全球气候变化的目标是可以实现的。 1.3 二氧化碳主要来源 CO2被许多人认为是温室效应的元凶，是一种有害的废气，人为二氧化碳排放的主要来源是能源生产和交通运输中的化石燃料燃烧。土地用途的改变和森林采伐也释放更多CO2到环境。 1. 发电：多数电厂使用的能源为化石燃料，使用化石燃料发电所排放的CO2，约占全球排放量的36%。

33、 2. 运输：运输工具使用化石燃料所排放的CO2约占全球排放量的24%，以汽车为主要来源。 3. 工业：若不包括电力的使用，工业在全球CO2排放量中约占18%。未来，随着开发中国家的经济成长，CO2的排放量会大幅提升。 4. 建筑物：建筑物使用电力和燃料来产生冷暖气、照明和动力，其中住宅CO2排放量约占全球的8%。 5. 森林：根据联合国粮农组织报告显示，在1980年代砍伐掉的森林，所减少对大气中CO2的吸存能力，约占人为碳排放总量的四分之一。 6. 呼吸作用：动植物的呼吸作用都会产生CO2。 其中，在所有排放CO2的行业中，电力工业是排放量最多的行业之一。减少电力工业CO2排放对控

34、制总排放量的减少具有特殊的重要意义。 1.4 二氧化碳的应用 CO2是很好的资源，是植物进行光和作用的必须原料，在工业、农业、化工等领域有很广泛的应用[6]。 1. 为农业提供服务 作为一种廉价的原料CO2在农业上可用于蔬菜、瓜果的保鲜贮藏，在现代化仓库里常充入CO2，用CO2贮藏的食品由于缺氧和CO2本身的抑制作用， 可有效地防止食品中细菌、霉菌、虫子生长，避免变质和有害健康的过氧化物产生，并能保鲜和维持食品原有的风味和营养成分，CO2不会造成谷物中药物残留和大气污染。用CO2通入大米仓库24h，能使99%的虫子死亡，延长了粮食和蔬菜的保存期。把CO2引入蔬菜温室直接施用CO2作肥料

35、，利用植物根部吸收CO2，可以增进植物的光合作用，能增加蔬菜的生长速度，缩短其生长周期，促进农作物生长，增加产量，提高温室的经济效益。固态的CO2即“干冰”，主要用作致冷剂，用飞机在高空喷撒“干冰”，可以使空气中水蒸气冷凝，形成人工降雨，能解决久旱无雨，庄稼失收的问题。 2. 为工业服务 在轻工业上，生产碳酸饮料、啤酒、汽水等都需要CO2。除此还可以用于有机合成各种化工原料，除了成熟的化工利用以外也可以生产甲醛、加氢合成二甲醚、或者利用环氧丙烷、CO2和甲醇催化合成碳酸二甲酯等，现在又研究成功了许多新的工艺方法，例如合成甲酸及其衍生物，合成天然气、乙烯、丙烯等低级烃类， 合成甲醇、壬醇、草

36、酸及其衍生物、丙酯及芳烃的烷基化，合成高分子单体及进行二元或三元共聚，制成了一系列高分子材料等，另外，利用CO2代替传统的农药作杀虫剂，也在研究之中。 在工业上CO2是很好的致冷剂。它不仅冷却速度快，操作性能好，不浸湿产品， 不会造成二次污染，而且投资少，人力省。利用CO2保护电弧焊接，既可避免金属表面氧化，又提高焊接速度。 3. 其他用途 （1）用于医疗：人体呼吸的有效刺激因素，它通过对人体外化学感受器的刺激，兴奋呼吸中抠。如果一个人长时间吸入纯氧，体内CO2浓度过低，可导致呼吸停止。因此，临床上把5% CO2与95%氧气的混合气体应用于一氧化碳中毒、溺水、休克、碱中毒的治疗和麻醉上的

37、应用。 （2）用于实验室：在实验室里，“干冰”与乙醚等易挥发液体混合，可以提供-77°C左右的低温浴；同时国外普遍利用CO2进行食品、饮料、油料、香料、药物等加工萃取。 （3）用于地下开采：CO2作为油田注入剂，可有效地驱油和提高石油的采油率；也可用于注入地下难于开采的煤层，使煤层气化，获得化工所需的合成气体等。 因此如何吸收净化CO2以及对其进行综合利用是现如今广大环境科技工作者面临的重要课题。 1.5 二氧化碳的吸收方法 CO2的处理技术一般分可为从大气中分离固定和从燃放气中分离回收两大类。现阶段，从大气中分离固定CO2技术主要有生物法，而从燃放气中分离回收CO2技术主要有物理法

38、、化学法和物理-化学法等。 1.5.1 物理法 物理法包括物理溶剂吸收法、膜分离法、低温蒸馏法和吸附法。 1.5.2 物理吸收法 采用水、甲醇、碳酸丙烯酸脂等作为吸收剂，利用CO2在这些溶剂中的溶解度随压力而变化的原理来吸收的方法[7]。 1. 水洗法应用最早，具有流程简单、运行可靠、溶剂水廉价易得等优点，但其设备庞大、电耗高、产品纯度低并造成污染等特点，一般不采用。 2. 低温甲醇法应用较早，具有流程简单、运行可靠外，能耗比水洗法低，产品纯度较高，但是为获得吸收操作所需低温需设置制冷系统，设备材料需用低温钢材，因此装置投资较高。 3. 碳酸丙烯酯法（简称PC法）是近年来中小型氨

39、厂常用脱碳和回收CO2的方法。它具有溶液无毒、浓溶液对碳钢腐蚀性小，能耗比甲醇法低等优点，缺点是PC溶剂循环量大，造成溶剂损耗大，操作费用较高。 典型的物理吸收法有环丁砜法、N-甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法（Selexol法）、低温甲醇法（Rectisol法）、碳酸丙烯酯法（Flour法）等。其关键在于吸收剂的选择，要求吸收剂必须对CO2的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性以及性能稳定[8]。 1. 环丁砜法：由环丁砜一、二异丙醇胺水组成的溶液作为吸收剂，溶液的吸收压力从稍高于大气压至7MPa，净化气中CO2含量可降低至50mg/m3以下，可用于脱除变换气中的CO2。 2.

40、N-甲基吡咯烷酮法：用N-2-甲基吡咯烷酮作为溶剂，吸收压力一般为3.6～7MPa，该法可选择脱除硫化氢，用于从高压天然气或合成气中除去大量CO2。 3. Selexol法：用聚乙烯乙二醇二甲酯（DEPG）为吸收剂，操作温度为261K。 4. Rectisol法：以冷甲醇为吸收溶剂，操作温度211～272K，压力214～810MPa， 该工艺气体净化度高、选择性好，气体的脱硫和脱碳可在同一塔内分段、选择性进行，被广泛应用于合成氨、合成甲醇和其他羰基合成和天然气脱硫等气体净化装置中。 5. Flour法：用碳酸丙烯酯为吸收剂，吸收压力一般在1.3MPa以上，净化气中CO2含量小于1%，该法

41、可同时脱除H2S，可用于脱除天然气及变换气的CO2。 以Selexol法为例，Selexol法的溶剂由美国Norton公司开发，一些商业应用的数据尚没有公开，方法在化工行业已得到了多年的应用。所使用的吸收剂具有无毒、热稳定性好、不分解及无腐蚀性等特点，整体设备采用碳钢设备，由于此吸收剂蒸汽压极低，因此挥发损失少。此法之操作条件为吸收温度-5～0°C，CO2回收率可达95%。其主要缺点是工艺流程庞大，而且吸收过程中吸收剂蒸汽压较高，致使其溶剂损失较大。工艺流程如图1-1所示。 物理吸收法的优点是吸收能力强，吸收剂用量少，吸收剂的再生不需要加热，通过降压即可实现，因此所需再生能量相当少，溶剂不

42、起泡，不易腐蚀设备；但由于CO2在溶剂中的溶解服从亨利定律，因此这种方法只适用于CO2分压较高的条件，而且CO2的去除程度不高，成本相对也较高。 图1-1 Selexol法脱CO2工艺流程[9] 1.5.3 膜分离法 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不同来分离气体的。膜是一种起分子级分离过滤作用的介质，驱动力是压差，当混合气体与膜接触，膜两边存在压力时，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， 渗透率低的气体则被选择性的拦截，绝大部分在薄膜进气一侧形成残留气流，两股气流分别引出，从而使混合气体的不同组分被分离，这种分离是分子级的分离。

43、膜分离技术受到世界各技术先进国家的高度重视，近三十年来，美国、加拿大、日本和欧洲国家，一直把膜技术定位为高新技术，投入大量资金和人力，促进膜技术迅速发展, 使用范围日益扩大，为许多行业高质量地解决了分离、浓缩和纯化的问题，为循环经济、清洁生产提供依托技术[8]。 膜分离法包括分离膜和吸收膜两种类型。分离膜和吸收膜如图1-2所示。 图1-2 分离膜和吸收膜[10] 使用薄膜法处理含大量CO2废气时，无论使用哪类薄膜，除要对CO2具有高选择性外，CO2透过率亦需越高越好，只是排放气中主要成分氮气和CO2的分子大小十分接近，高选择性和高渗透率不易同时实现。工业上用于CO2分离的膜材质主

44、要有：醋酸纤维、乙基纤维素、聚苯醚及聚砜等，近年来一些性能优异的新型膜材质正不断涌现，如聚酰亚胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜复合膜、含二胺的聚碳酸酯复合膜、丙烯酸酯的低分子含浸膜等，均表现出优异的CO2渗透性。 膜分离法工艺流程如图1-3所示。 图1-3 膜分离法工艺流程[11] 膜分离法工艺的特点：膜分离法具有一次性投资较少、设备紧凑、占地面积小、能耗低、工艺简单操作方便等优点，是应用前景良好的CO2气体分离方法，但膜分离法的缺点是需要前级处理、脱水和过滤，且难以得到高纯度的CO2。 1.5.4低温蒸馏法 低温蒸馏法利用天然CO2气源中主要组份甲烷和CO2间沸点的差异， 以

45、蒸馏方法将CO2分离出来，主要应用于一些富含60%～90% 的天然CO2气源中回收CO2，供二次采油用。因此，此法具有一定的局限性[7]。 低温蒸馏法工艺流程图如图1-4所示。 图1-4 低温蒸馏法工艺流程 1.5.5吸附法 吸附法是采用固体吸附剂吸附混合气中的CO2，其原理是根据CO2分子空间结构、分子极性等性质，选取对混合气体中CO2组分有强于其他组分吸附力的吸附剂，由于混合气体中各组分分子与吸附剂表面活性点的引力具有差异， 当混合气体在一定压力下通过吸附床所载的吸附剂时，吸附剂对CO2进行选择性吸收，进而实现对二氧化碳气体的分离、回收[6]。 吸附法主要包括变压吸附法（PS

46、A） 和变温吸附法（TSA）。 以变压吸附法（PSA）为例： 变压吸附技术利用吸附剂对混合气体中的不同组分具有不同吸附容量的特性， 在较高压力下选择吸附混合气体中的CO2，然后通过减压的方式使CO2解吸出来，从而实现CO2的分离与提纯。 变压吸附法流程如图1-5所示。 图1-5 变压吸附法流程图[11] 现阶段，变压吸附法发展较为迅速，大型工业化吸附装置已投入使用，其CO2分离效率可达99%以上。在化肥、石化等工业中的应用极其广泛。在国内，西南化工研究院技术力量雄厚，在变压吸附研究、开发、设计、安装方面，处于领先地位。 吸附法特点：吸附法原料适应性广，无设备腐蚀和环境污染，

47、工艺简单，压力适应范围广（6.66～1.26MPa），产品纯度高，调节能力强，但解吸频繁，需要大量吸附剂，对自动化程度要求高，更适用于CO2浓度在20%～80%的工业气体，而且需要预处理烟气中的水和颗粒物，以免吸附剂吸附效果降低。 1.5.6物理-化学法 目前，物理-化学法主要有CO2分解法。该法是借助高能射线或电子射线等放射线，对排出的含有大量CO2的燃放气进行辐射，使其中的CO2分解为一氧化碳和氧气，一氧化碳在经过高能辐射，转而生成C3O2 和O2，其反应方程式为： 一次辐射：CO2 →CO + 1/2O2； 二次辐射：3CO →C3O2+ 1/2O2 和3CO2 →C3O2 +

48、2O2。 这种方法，尚处于基础研究阶段，要实现工业化，还有大量技术问题需要解决。 1.5.7化学法 化学法分离处理CO2主要包括碳氢化合物转化法及化学吸收法等。 1. 碳氢化合物转化法 碳氢化合物转化法[11]：碳氢化合物转化法是在催化剂作用下，将CO2转化为甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。 日本东北电力公司以铑-镁为催化剂，可使CO2与氢按1∶4（体积比）的比例，在一定的温度与压力下混合，生成甲烷。日本东芝公司采用一种工程上更为可行的原料配合，直接用燃放气与以氢为基底的乙炔混合，利用电子束或激光束激励，生产甲醇和一氧化碳，一氧化碳作为原料，可进一步合成甲醇。

49、碳氢化合物转化法还处于实验室研究阶段，距离工业大规模实用阶段尚远。CO2作为一种潜在的巨大的资源，已引起世界众多国家有关科技人员的关注。 2. 化学吸收法 化学吸收法[12]是使原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应，CO2被吸收至溶剂中成为富液，富液进入脱析塔加热分解出CO2，从而达到分离回收CO2的目的。该方法的关键是控制好吸收塔和解析塔的温度与压力。所选用的吸收剂应具有对溶质CO2具有选择性、吸收剂不易挥发，并避免在气体中引进新的杂质，腐蚀性小、粘度低、毒性小、不易燃。常用的吸收剂有醇胺、立体障碍醇胺及碳酸盐等水溶液，吸收剂浓度通常不超过50%（因浓度过高时，会产生严重的腐蚀）。

50、在化学吸收法中，吸收剂性能的优劣是决定吸收效果好坏的关键因素。根据吸收剂种类的不同，化学吸收法可分为热钾碱法、氨水法、醇胺法[13]。 （1） 热钾碱法 热钾碱法是以K2CO3为吸收剂，高温下吸收CO2。K2CO3吸收CO2生成KHCO3-，在减压加热时放出CO2，又形成K2CO3。K2CO3溶液吸收CO2的速度比较慢，吸收和再生反应都在液相的主体完成，如此循环，完成富集CO2的过程。 由于K2CO3吸收CO2速率较慢，且溶液对设备的腐蚀性较大，因此工业上应用较多的是改良的热碳酸钾法，即向溶液中添加氨基乙酸、硼酸、DEA以及空间位阻胺等活化剂。按照添加的活化剂的不同，热钾碱法又分为G～V

51、法、Flexsoth法、SCC～A法、Benfield（苯菲尔法）等。G～V法起初使用As2O3活化，但因具有As2O3毒性，无法广泛应用，现采用无毒的氨基乙酸活化；Flexsoth工艺采用空间位阻胺作为活化剂；SCC～A法是采用二乙烯三胺（DETA）活化；Benfield法是近年来应用较多的方法，由新的活化剂ACT～1代替原来的二乙醇胺（DEA），含量为1%～3%，可以使净化气中CO2含量降低28%～85%，溶液循环量降低5%～25%，再生热耗降低5%～15%，通气能力增加5%～25%。 （2） 氨水法 氨水法即以氨水为吸收剂，该法脱碳吸收效率高。同时能够吸收绝大部分乃至全部的HCl、H

52、F、SO2等酸性污染物。氨容易再生，并可得到高纯度的CO2，成本仅为一乙醇胺（MEA）溶液的1/6（工业级）；所得副产品NH4HCO3是我国农业上广泛应用的氮肥，具有一定的经济效益。但氨水脱碳工艺中常常存在一些问题如NH4HCO3稳定性较差，作为肥料施加到土壤里以后，很快就会分解释放CO2，使其重新返回到大气中。 （3） 醇胺法 醇胺法以其吸收速率快、吸收效率高等优点在近几十年得到了广泛的研究和应用，发展迅速。该工艺始于20世纪30年，最初主要以MEA为吸收剂。20世纪50年代后期，二异丙醇胺（DIPA）开始应用于天然气和炼油厂气体净化。MEA和DEA溶液回收CO2工艺起步早，已经比较成熟

53、，但这两种溶剂容易降解，腐蚀性强，且再生能耗大。20世纪80年代，甲基二乙醇胺（MDEA）回收CO2得到了广泛应用。MDEA溶液法稳定性较好，再生热小，对设备基本无腐蚀。但吸收剂黏度较高，反应器内湍流程度小，不能与气体充分混和，吸收速率较小。 胺法工艺中使用的醇胺，包括传统的链状取代基醇胺和带支链的空间位阻胺。依据N 原子个数，醇胺分为伯胺（如一乙醇胺，简写为MEA ） 、仲胺（如二乙醇胺，简写为DEA；N-甲基二乙醇胺，简写为DIPA）和叔胺（如三乙醇胺，简写为TEA；二异丙醇胺，简写为MDEA），它们的反应机理大致如下[14]： （a）伯胺、仲胺对CO2的吸收 首先生成两性离子：

54、两性离子与溶液中的碱催化剂进行脱质子反应： 溶液的碱催化剂B包括胺（R1R2NH）、OH-和H2O等。此法吸收速度快，但反应过程中易生成较稳定的氨基甲酸盐，使吸收量减小。 （b） 叔胺对CO2的吸收 由于叔胺的分子结构中无氢原子，所以它和CO2之间不能进行生成氨基甲酸盐的反应，这使叔胺与CO2的反应机理与伯胺、仲胺有明显不同。 叔胺与CO2之间的反应按下式进行： 此法吸收负荷有所提高,但吸收速度较伯胺、仲胺慢。 （c） 空间位阻胺对CO2的吸收 关于空间位阻胺对CO2的吸收，不同的研究者提出的反应机理并不一致，以研究最广泛的AMP （2-氨-2甲基-1-丙醇）为例，按两性

55、机理进行主要反应如下： AMPCOO-为AMP的氨基甲酸盐阴离子，由于空间位阻的影响，又水解生成AMP和HCO3-。 近十几年来，醇胺法吸收CO2发展迅速，出现了用多原子氮有机胺（如：二乙烯三胺、三乙烯四胺等）吸收CO2的研究，选用三乙烯四胺（简称TETA）进行实验。 图1-6为相同条件下，TETA、MEA、DEA、TEA吸收CO2吸收效果的比较，曲线的斜率表示吸收速率，由图可知：TETA具有最快的吸收速率，最大的吸收量。 图1-6 相同条件下TETA、MEA、DEA、TEA对CO2吸收[14] 下面介绍一种典型的化学吸收法分离脱除烟气CO2的工艺流程，其流程图如

56、图1-7所示。 图1-7 典型的胺化学吸收法分离回收烟气中CO2工艺[15] 经过除尘、脱硫等处理后的烟气经初步冷却和增压后，从吸收塔下部进入，在塔内与由塔顶喷射的吸收剂溶液逆相接触。烟气中的CO2与吸收剂发生化学反应而形成弱联结化合物，脱除了CO2的烟气从吸收塔上部被排出吸收塔。而吸收了CO2 的吸收剂富CO2吸收液（简称富液）经富液泵抽离吸收塔，在贫富液热交换器中与贫CO2吸收液（简称贫液）进行热交换后，被送入再生塔中解吸再生。富液中结合的CO2在热的作用下被释放，释放的CO2气流经过冷凝和干燥后进行压缩，以便于输送和储存。再生塔底的贫液在贫液泵作用下，经过贫富液换热器换热

57、、贫液冷却器冷却到所需的温度，从吸收塔顶喷入，进行下一次的吸收。 化学吸收法有两个显著的优点：它能产生相对纯净的CO2气流；它的技术已经成熟，已实现商业化。采用化学吸收法进行燃烧后捕获技术将增加70%的发电成本。改进的吸收剂能减少能量损失，并能降低化学吸收过程的成本。减少能量损失的目标在于降低再生过程所需的能量。通过对吸收器模块和其他主要零部件尺寸进行设计和技术改进，有可能降低成本[16]。 综上所述，化学吸收法捕获CO2是一项高效、节能、环保的新兴技术，现阶段对于火力发电厂CO2的减排具有广阔的应用前景。 1.6 化学吸收法在电厂中的运用 1.6.1 工艺简介 燃煤电厂的废气中含有

58、二氧化硫、氮氧化物、粉尘和CO2等，脱除这些污染物需要多种技术组合，如图1-8所示。首先，用SCR法脱除氮氧化物，其次，用除尘器去除粉尘，然后，用脱硫设备去除二氧化硫，最后处理CO2。 图1-8 电厂烟气处理的工艺流程[17] 1.6.2 国内火电厂化学吸收法应用现状 化学吸收法因其工艺简单、技术较为成熟，近几十年在国外得到了广泛的研究和应用，目前，国内火电厂对CO2捕获技术的研究和应用尚处于起步阶段。2007年底，国内首个“燃煤发电厂年捕集CO23000t试验示范工程项目”在中国华能集团公司所属北京热电厂开工建设，并于2008年正式投产运行。该电厂每年约排放400万t的CO2，

59、项目使用醇胺吸收法，系统能够捕捉其中的0.075%，CO2回收率大于85%，约3000t，而捕捉能耗占电厂能耗比例则在30%以上。分离、提纯后的CO2纯度达到99.5%以上，可用于食品行业[18]。 工艺流程图如图1-9所示。 图1-9 华能北京热电厂CO2捕集系统工艺流程图 烟气CO2捕集系统由烟气预处理系统、填料吸收塔、填料再生塔、排气洗涤系统、溶液煮沸器、胺回收加热器、产品气处理系统（包括冷凝器、气液分离器、压缩机）以及系统水平衡维持系统组成。 脱硫后的烟道气由引风机送入吸收塔，其中CO2被胺溶液吸收，尾气由塔顶排入大气。吸收CO2后的富液由塔底经泵送入换热器，回收热量后

60、送入再生塔。解吸出的CO2气，经处理后送入精处理系统。经过压缩加压、除湿、脱硫、制冷等工序，得到最终产品——液态CO2。 该项目的实施表明了，化学吸收法捕获火电厂烟气中CO2具有极大的实际应用价值和广阔的应用前景。 华能上海石洞口第二电厂是全球最大的燃煤发电厂CO2捕捉项目，总投资1.5亿元，2009年7月份开工，预计年捕捉10万t的CO2，2009年底建成。 另一个项目是中电投重庆合川双槐电厂，在一期两台30万千瓦的机组上建造碳捕集装置，由中电投远达环保工程有限公司自主研发设计，年处理烟气量为5000万标准立方米，年生产工业级CO21万吨。该碳捕集项目于2010年1月20日投入运营。

61、 第二章 吸收塔的设计计算 2.1 确定塔设备的选型 处理量：150m3/d =6.25m3/h（60℃时） CO2回收率：≥95% 吸收塔操作温度：38～45℃ 再生塔操作温度：110～120℃ 吸收液（MEA溶液）浓度：15%～20% 烟气组分见表2-1。 表2-1 烟气成分及其含量 成分 N2 CO2 O2 含量 88.3% 9.0% 2.7% 根据以上参数及吸收液的性质，将吸收塔和解吸塔均设计为填料塔。 填料塔具有结构简单、压力降小，且可用各种材料制造等优点。在处理容易产生泡沫的物料以及用于真空操作时，有其独特的优越性。过去

62、由于填料本体及塔内构件的不够完善，填料塔大多局限于处理腐蚀性介质或不适宜安装塔板的小直径塔。近年来由于填料结构的改进，新型的高效、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效果，又保持了压力降小及性能稳定的特点，因此填料塔已被推广到所有大型气液操作中。在某些场合，还代替了传统的板式塔。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔已大量地用于工业生产中。 填料塔结构如图2-1所示。 图2-1 填料塔结构 2.2 吸收剂的确定 根据文献和工程实际，此设计选用工业最常用的MEA（一乙醇胺）作为吸收剂，浓度15%。 确定吸收塔操作条件为： 温度： 40℃ 压力： 1atm

63、2.2.1 平衡线 缺少CO2在15%MEA溶液、40℃时的溶解度数据，现近似取40℃下CO2在15 %浓度的MEA溶液中的溶解度，并把分压转化为操作压力下的气相摩尔分数y，经验数据见表2-2[19]。 表2-2 不同压力下CO2气相、液相摩尔分数的变化 p，mmHg 1 5 10 30 50 70 100 200 y 0.00132 0.00662 0.0133 0.0411 0.0704 0.101 0.152 0.357 x 0.383 0.438 0.471 0.518 0.542 0

64、.558 0.576 0.614 由上表可得所需的平衡曲线。 图2-2 平衡曲线 2.2.2 吸收量的确定 （2-1） （2-2） （2-3） 式中：Y1—进口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比； Y2—出口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比； y1—进口气相溶质的摩尔分数； y2—出口气相溶质的摩尔分数； x1—出口液相溶质的摩尔分数； x2—进口液相溶质的摩尔分数。 MEA贫液含有0.05～0.2 mol CO2/mol MEA，使用低压解吸塔，则来自解吸塔的M

65、EA贫液一般由0.15 mol CO2/mol MEA，故可取：。 吸收塔温度：313K 15%MEA溶液的比重： 运动粘度： MEA分子量：M=61.1，MEA溶液的粘度： （2-4） 质量浓度： 摩尔浓度： 烟气的摩尔质量： 入塔烟气密度： （2-5） 烟气摩尔流量： （2-6） 烟气质量流量： （2-7） 惰性气体流量： （2-8） 查平衡曲线，y1=0.099时，x1*=0.556。 最小气液比为： （2-9） 式中：x1*——与气相溶质摩尔分数

66、成平衡的液相溶质摩尔分数 液体最小流量： （2-10） 取实际气液比为最小气液比的1.5倍，则 MEA溶液量： （2-11） （2-12） 2.3 填料 2.3.1 填料的种类 填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。 规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。 2.3.2 填料的选择 填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。 1．填料种类的选择 填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面： （1）传质效率要高一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料。 （2）通量要大在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。