火电厂CO2捕集与纯化工艺的工程一经济模型.pdf

第3 9 卷第4 期 石 油工 程 建 设 火电厂 CO2 捕集与纯化 藿韵工程0经济模型 _ 基金项目豳家科技支撑计划⋯ 2 0 t 2 B A C 2 4 B 0 5 、国家自然科学基金 6 l 0 o 4 o 8 o 。 6 1 2 7 3 1 8 8 、 蠢笔电拣辩学莲盈 懒n - || | 。| 赵 东亚 ，张 建 2 ，李清方 2 ，刘海丽 2 ，李兆敏 3 ，朱全民 1 ， 4 I ． 中国石油大学 东化工学院 ，山东青岛2 6 6 5 8 0 ；2 ． 胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营 2 5 7 0 2 6 ；3 ． 中国石油大学 东石油工程学院，山东青岛2 6 6 5 8 0 ；4 ． 西英格兰大学，英国布里斯托，B S 1 6 1 Q Y 摘 要 文章基 于 F 1 t l o r D a n i e 1 E c o n a m i n e F G技 术 ，在介绍 了其 C O ， 捕 集、纯化 工艺流程 的基础 上 ，使 用 P r o T r e a t 软 件 对 C O 2 捕 集 、纯化 过程 进行 了模 拟 ，经过 对模 拟数 据 回归分析 ，建 立工程一 经济模型。此模型 可为大型 火电厂、油田等企业投资 C O 捕 集、纯化技 术提供一定的参考依据 ． 可作 为相 关工程 投 资 回报 预 算 的重要 手段 关 键词 火 电厂 ；C O 2 捕 集 ；E O R技 术 ；工程一 经 济模 型 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 2 2 0 6 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 3 0 引言 众所 周 知 ，C O ， 是 导致 全 球变 暖 、极 端气 候灾 害频发 的主要原 因之一 ．火 电厂是 C O ， 释放 的主 要来源之一 ．据统计 中国有近 7 5 ％ 的电力供 应来 自火 电厂 ．其排放 的 C O ， 约 占全 国排放量 的三分 之一 。火 电企业 C O ， 排放相对集中，是理想的 C O ， 供应源 。将捕集 、纯化后 的 C O ， 输送到油 田进行 驱油并封存在废弃油层 中 。即所谓 的 E O R技术 ． 是理想 的选择之一 本文在介绍 了 C O ， 捕集 、纯 化工艺 流程 的基 础上 建立 了其工 程一经济模 型 ． 可作为相关工程投资回报预算的重要手段 1 C O 捕 集 、纯化 工 艺 C O 捕 集 与纯 化工 艺 主要 采用 化 学 吸收 法 ．溶 剂 为一 乙醇胺 ME A 。基于 ME A的技术 能够将 C O ， 含 量 提 纯 到 9 9 ％ 国 际 上 主 要 有 F 1 u o r D a n i e l 公 司的 E c 0 n a m i n e F G和 A B B L u mm H s C r e s t 公 司 的 ME A两种 C O ， 捕集技术[ 1 - 4 ] ．由于 E c o n a m i n e F G的 数 据 更 容 易 获 取 ．因此 本 文 主要 针 对 该 技 术 开展 工程一经济建模研究 C O ， 捕集、纯化工艺流程见图 1 。该工艺流程 主要包括两个过程 ．即 C O 溶解和 C O ， 释放 。在 吸收塔 中．C O ， 与 ME A发生化学反应 ．产 生弱键 连接的产物 R N H C O 0 一 在再生塔 中发生吸热化 学 反应 生 成 C O ， 和 ME A。主 要 化 学反 应 方 程 式 如 下 C O 2 吸 收 2 RN H2 C O 2 R N H R - N H COO M E A 再生 R - N H C O O 一 R N H ； h e a t 一 CO2 十 2 RNH2 图 1火 电1 -烟 气 CO2捕 集 、 纯化 3 - 艺 流 程 由于 在 吸 收过 程 中产 生 了 比较 稳 定 的 R N H C O 0 一 化学键 ．因此需要大量 的热才能打开这个化 学键 ．产生 C O ， 和 ME A。因 C O ， 夹 带 和 M E A蒸 发 等原 因会损失一些 ME A此外烟气虽然经过水洗 、 脱硫等处理 ，但是其 中仍然含有少量氧化物、硫化 物和氮化物 。它们会 与 ME A发生反应 ．产生热稳 定 的盐 ．也会损失一些 ME A．因此在正常生产过 程 中．需要不 断地补充新鲜 的 ME A。总体来说 ， l 2 石 油工 { jf建 设 2 0 1 3 年8 月 除设备投资和人员工资外 ．生产所消耗的热量和 ME A的损失也是生产成本 的重要组成部分 2工程模 型 由于我 国火 电厂 C O 捕 集 、纯化技术尚处于 起步阶段 ，缺乏相关数据用以建模与分析 使用诸 如 A S P E N P 1 u s 等过程模拟软件对之进行模拟 ．针 对模拟数据 ．运用 回归分析方法 ．可建立工程模 型。文献 [ 1 2 ]使用 P r o T r e a t 软件对 C O 捕集 、纯 化过程进行了模拟 ．经过对模拟数据 回归分析 ．建 立 如下 工艺 性能模 型 L ／ Ge x p 一1 ． 4 3 5 20 ． 1 2 3 9 Y c o 2 3 ． 4 8 6 3 l 。 0． 01 7 4 7 “] C O一 ，i 2 0 ． 0 3 9 7 C 0 ． 0 0 2 7 1 Q ／ Le x p 2 ． 5 9 1 90 ． 0 0 5 9_y c 0 一6 ． 3 5 3 6咖 l 0 ． 0 2 5 9 C一0 ． 0 0 1 5叼 c o 2 ， 41 ． 1 50 ． 0 6 2 ，i 1 ． 3 0 7兕0 一 1 8 ． 8 7 2 b le a n 0 ． 2 7 C 3 m l 1 6 ． 9 0 72 ． 3 3 3 l 0 ． 2 0 4 C 4 e c - 5 1 ． 6 3 21 9 ． 2 0 7 l n 6 ． 8 9 5 P c 0 1 4 ． 7 5 式 中 吸收剂流量／ k m o l ／ h G 入 口烟气 流量／ k mo l ／ h p ME A再生 需要 的热量／ G J ／ h ； Y C O 烟气中 C 0 摩尔分数 ； l 贫 C O 2 溶剂负载／ m o l C O 2 ／ too l ME A ； 叼 c 0 C 0 2 捕集效率 ； ME A在溶剂 中的质量分数 ．i 吸收塔人 口烟气温度／ ℃； ， 。 广 _ _吸收塔出 口烟气温度／ ； 。 C 0 产 品期望 压力 表压 ／ k P a ； m 广一 贫 C O 溶剂平均分子质量／ k g ／ k m o 1 ； e。 单位 C 0 压缩需要的功／ k W h ／ t 。 C O 捕 集总 量为 ／ T b C O r ／ c o n c o W C O 6 式中ri C O 烟气中 2 摩尔流量 ； 2 C O ／ k m o l ／ h W C O C 0 2 摩尔质量／ 0 ． 。 2 0 4 4 t ／ k mo l 假设火电厂烟气脱去绝大部分 S O 和 N O 后进 入 C O 吸收塔 ，新加入的 ME A和 C O 捕集总量成 比例关 系 ，设 比例 系数为 K ，则 ME A补充 流量 为 ／n M E A K1 m c 0 7 式中m 怔 ME A补充流量／ k m o l ／ h 。 水的消耗量为 ‰ m p w -4 - m 8 式中 m 用水总量／ t ， } 1 ； m 过程用 水 总量／ t ／ h ； m 广冷却用水总量／ t ／ h 。 蒸汽消耗量为 ， 孔 一 Q ／ q st e a m 9 式中 m r蒸汽消耗量／ ／ h ； g 一 蒸 汽热焓／ k J ／ k g 。 3经 济模 型 经济模型主要包括设备投资模型和操作维护成 本模型 ．它们与工程模型直接相关。设备投资模型 可使用 0 ． 6次幂方法和工程模型输出数据建立．0 。6 次幂方法是化工过程中常用的工程成本建模方法 3 ． 1设备 投 资成本模 型 文献 f 8 ]使用 0 ． 6次幂方法建立如下设备投资 成本模型 C l _- C 。 ‘鲁 10 式中 C 冷却器投资成本／ 万元 ； C 参考冷却器成本／ T Y 元 ； 一 烟气 实际流量 ／ m 3 ／ h ； 一 烟气入 E l 温度／ ℃； 参考冷却器烟气流量／ m 3 ／ h ； 参考冷却器烟气人 口温度／ c 【 二 。 C 2 _- C 加 奄 ⋯ 式中 C 一烟气鼓风机投资成本／ 万元 旷一 参考烟气鼓风机成本／ 万元。 C 3 _- C 加 。 每 12 式中 C 吸收塔投资成本／ 万元 参考吸收塔成本／ Y 元。 』I ， ＼ O 6 C 4 【 1 3 式 中 C 换热器投资成本／ 万元 C r 一参考换热器成本／ 万元 ； 溶剂实际流／ m3 ／ h ； 厂 参考换热器溶剂流量／ m ／ h 。 C 5 _- C 如 1 4 第 3 9卷第 4期 赵东亚等 火 电厂 C O 捕集与纯化工艺的工程一 经济模 型 l 3 式中 C 一再生塔投资成本／ 万元 C 旷 ～参考再生塔成本／ 万元 ； s o 】 溶剂实际流量／ m ； 参考再生塔溶剂流量／ m 3 ／ h 。 ， 0 ． 6 c 1 5 式中 C 再沸器投资成本／ 万元 参考再沸器成本／ 万元 ； m 广蒸汽实际流量／ k g ， h ； m 广蒸 汽参 考 ／ k g ／ h 。 f 1 6 ＼ m ／ 式 中 C 广ME A回收器投资成本／ 万元 C 厂参考 ME A回收器成本／ 万元 ； m k - 一ME A补充 实 际流量／ k g ／ h ； 『_ 参考 ME A补充 流量／ k g ／ h 。 C 8 ， 式中 C 广C 0 干燥 、压缩设备投资成本／ T Y 元 ； C C 0 干燥 、压 缩设 备参考投资成本／ 万 元 m 。 ， C 0 实 际流量／ k h ； D2C O z0 参考 C 0 2 流量／ k g ／ h 。 于是设备投资总成本模型为 c 呻 d C i 1 8 式 中C d 设备投资总成本／ 万元 。 3 ． 2操 作 维护 成本模 型 固定操作维护成本为 C f C C C 1 9 式 中 C 广固定操作维护成本／ 万元 C 。 。 一操作人员人力成本／ 万元 ； C 一广一 维修 人员 人 力成 本／ 万元 ； C 。 广一 管 理人 员人 力成 本／ 万 元 。 其他操作维护成本为 C G M E A C 岫 C 2 O 式 中 C 广其他操作维护成本／ 7 Y 元 ； C Ⅷ ME A 费用／ 万 元 ； C ⋯ 水 的费 用／ 万 元 ； C 一。 C 0 2 运 输 费用／ 万元 。 4结束 语 本文针对 C O 捕集 、纯化工艺 ，根据 国内外 相关文献 ．建立了其工程一经济模型 ．能够为大型 火 电厂 、油 田等企业投 资 C O 捕集 、纯化技术 提 供一定 的参考依据 。本文所得结果也 可作为 C O ， 定价 的参考 。我 国 目前正在加大对 C O ， 捕集 、运 输及封存 的研究与投资 。随着我国大规模碳捕获 、 利用与封存 C C U S 生产流程 的建立 ．可利用越 来越丰富的实际数据资源 ．建立更加符合我国国情 的 C O 捕集 、纯化工艺的工程～经济模型。 参 考文 献 [ 1 ]R a o A B，R u b i n ，E S ． A t e c h n i c a l ，e c o n o m i c ，a n d e n v i r o n m e n t a s s e s s me n t o f a mi n e b a s e d CO c a p t u r e t e c h n o l o g y f o r p o we r p l a n t g r e e n h o u s e g a s c o n t r o l『 川． E n v i r o n m e n t al S c i e n c e＆ T e c h n o l o gy ， 2 0 0 2，3 6 2 0 4 4 6 7 4 4 75 ． [ 2 ]R b u i n E S ，C h e n C，R a o A B ． C o s t a n d p e r f o r m a n c e o f f o s s i l f u e l p o w e r p l a n t s w i t h C O2 c a p t u r e a n d s t o r a g e [ J ] ． E n e r g y p o l i c y ， 2 0 0 7 ， 3 5 9 4 4 4 4 4 4 5 4 ． [ 3 】K l e m e s J ，B u l a t o v I ， C o c k e r i l l T ． T e c h n o - e c o n o mi c m o d e l i n g and c o s t f u n c t i o n s o f C O 2 c a p t u r e p r o c e s s [ J 1 ． C o mp u t e r s a n d C h e mi c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 3 1 5 - 6 4 _4 5 4 5 5 ． [ 4 ]D a v v i s o n J ． P e r f o rm a n c e a n d c o s t s o f p o w e r p l a n t s w i t h c a p t u r e a n d s t o r a g e o f C O 2 叨． E n e r gy， 2 0 0 7 ， 3 2 7 1 1 6 3 - 1 1 7 6 ． [ 5 ]Ma n e e i n t r K，I d e m R O，T o n t i w a c h w u t h i k u l P，e t a 1 ． C o mp a r a t i v e ma s s t r a n s f e r p e r f o r ma n c e s t u d i e s o f CO2 a b s o r p t i o n i n t o a q u e o u s s o l u t i o n s o f D E AB a n d ME A[ J 】 ．I n d u s t ri a l a n d E n g i n e e ri n g C h e mi s t r y Re s e a r c h， 2 0 1 0， 1 8 9 8 7 5 ～ 8 8 0 ． [ 6 】P e n t t i l a A，D e l l ’ E r a C，Uu s i - K y y n y P，e t a 1 ． T h e He n r y ’ S l a w c o n s t a n t o f Nz O a n d C O2 i n a q u e o u s b i n a ry a n d t e r n a ry a mi n e s o l u t i o n s ME A，D E A， DI P A， MD E A， a n d AMP [ J 1 ． F l u i d P h a s e E q u i l i b ri a ， 2 0 1 1 ， 3 1 1 1 5 9 6 6 ． [ 7 ]7 Wi t t h o l z M K， O’ N e i l l BK， C o l b y C B， e t a 1 ． E s t i m a t i n gt h e c o s t o f d e s ali n a t i o n p l a n t s u s i n g a c o s t d a t aba s e [ J ] ． D e s ali n a t i o n ， 2 0 0 8， 2 2 9 1 - 3 l 0 2 0 ． [ 8 】R u b i n E S ， R a o A B， C h e n C ． U n d e r s t a n d i n g t h e c o s t o f C O2 c a p t u r e a n d s t o r a g e for f o s s i l f u e l p o w e r p l a n t s [ A J ．P r o c e e d i n g o f 2 8 t h I n t e m a t i o n a l T e c h n i c al Co n f e r e n c e o n Co a l Ut i l i z a t i o n ＆F u e l S y s t e ms 【 C 】 ． C l e a r w a t e r ， F L I T C C UF S ， 2 0 0 3 ． 作 者 简介 赵 东亚 1 9 7 5 ～ ，男，山 东济 宁人 ， 中国石 油 大学 华 东化 学工程学 院，副教 授 ，2 0 0 9年 毕业于上 海 交通大学控制理论与控制工程专业 ，博士 ，主要从 事石油 、 化 工过程建模与控制工作 收稿 E t 期 2 0 1 2 1 2 2 6修回 日期2 0 1 3 0 5 1 7