CO2化学吸收工艺的设计及相关问题研究摘 要电厂燃煤烟气所排放的二氧化碳会造成温室效应和全球气候变化，引发严重的环境问题。因此控制二氧化碳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二氧化碳的排放，本文着重介绍了应用广泛的化学吸收工艺技术。 本论文主要对二氧化碳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；对二氧化碳化学吸收主体设备作详细的设计，主要包括填料、筒体、塔内件（液体分布装置、填料支承装置、气体分布装置、除沫器）；对填料塔附件作详细的设计，进行强度校核、工程概预算。 通过本设计，尽量解决二氧化碳吸收过程中存在的问题，并对二氧化碳化学吸收工艺的发展前景予以展望。关键词：二氧化碳吸收，填料塔，设计AbstractCarbon 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 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 introduced the basic principles of the chemical absorption process technology of carbon dioxide, reaction mechanism, process, application and the problems presented and solutions to them.; A detailed design to the chemical absorption of the carbon dioxide is made，mainly including packing, shell, internals(liquid distribution device, packing supporting device, bed locator, gas distribution installations, mist eliminator) ; annex to the packed tower for the detailed design, checking for strength, and making the budget.Through this design, the existed problems are solved as possible as we can and the future development of the chemical absorption process technology of carbon dioxide is introduced. Key words：Carbon dioxide absorption，Packed tower，Design目 录第一章 前 言11.1 引言11.2 研究二氧化碳吸收的意义11.3 吸收二氧化碳技术分类21.4 几种吸收二氧化碳的方法3第二章 吸收塔的设计计算72.1 确定塔设备的选型72.2 吸收剂的确定82.2 吸收剂的确定92.3 填料的选择122.4 塔径的计算122.5 填料层高度的计算152.6 吸收塔附件的设计与选用162.7 塔高25第三章 吸收塔的强度校核263.1 选择材料263.2 按计算压力计算筒体和封头的壁厚263.3 塔的质量载荷计算273.4 塔的自振周期计算283.5 地震载荷计算293.6 风载荷计算303.7 地脚螺栓计算35第四章 解吸塔的设计计算374.1 平衡线374.2 解吸所需蒸汽量374.3 填料的选择384.4 塔径的计算394.5 填料层高度的计算404.6 吸收塔附件的设计与选用404.7 塔高43第五章 解吸塔的强度校核445.1 选择材料445.2 按计算压力计算筒体和封头的壁厚445.3 塔的质量载荷计算455.4 塔的自振周期计算465.5地震载荷计算475.6 风载荷计算485.7 地脚螺栓计算52第六章 辅助辅助设备的设计选型546.1热交换器546.2风机的选型546.3泵的选择55第七章 经济分析与工程概算567.1 经济分析与评价的意义和基本原理567.2 工程概算577.3 技术经济分析57第八章 结论60参 考 文 献61致 谢63声 明6453第一章 前 言1.1 引言各种含碳物质的燃烧、氧化、人和动物的呼吸活动，都会产生CO2。其中，燃煤产生的CO2所占的比例是最大的。据统计，在2000年煤的燃烧产生的CO2就占到所有化石燃料的37.8%，而燃煤电厂主要以烟道气将CO2释放到大气中从电厂排放的烟道气中通常含有13% CO2、73% N2，10% H2O、3% O2和少于1%的各种污染物质。1990-2001年，我国二氧化碳排放量净增8.23亿吨，占世界同期增加量的27% ；预计到2020年，排放量要在2000年的基础上增加1.32倍这个增量要比全世界在1990年到2001年的总排放增量还要大1。近年来，随着国民经济的快速发展，天然碳资源不断地被消耗，使大气中的CO2含量迅速增加，导致“温室效应”和气候变暖，这给社会和经济带来严重的负面影响。温室效应和气候变暖会带来以下列几种严重恶果：1)地球上的病虫害增加；2)海平面上升；3)气候反常，海洋风暴增多；4)土地干旱，沙漠化面积增大。科学家预测：如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升24摄氏度，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包括几个著名的国际大城市：纽约，上海，东京和悉尼2。因此，减少CO2的排放量，改善气候变暖和温室效应是当务之急。1.2 研究二氧化碳吸收的意义温室效应、气候变暖是近年来国际政治、经济、科学和环境等领域最为关注的课题。据报道，约60%的温室效应由CO2产生，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。中国于1998年5月签署并于2002年8月核准了京都议定书。虽然作为发展中国家，中国目前还没有被要求履行京都议定书，但是要求我国减排CO2的国际压力和环境压力越来越大，而且温室气体的减排直接影响到一个时期国民经济的发展，因此，我国必须保持适当的减排率，充分发挥科技进步在经济发展和气候保护方面的作用，以技术创新控制CO2的排放。同时，CO2作为化工原料、致冷剂、油田增产剂、惰性介质、溶剂和压力源等在国民经济各部门有着广泛的用途。为了保护环境和充分利用资源，各国科学家都开始了CO2的减排和利用的研究工作3。1.3 吸收二氧化碳技术分类二氧化碳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。煤基电站主要有三类：一是传统的燃煤电站；二是整体煤气化联合循环电站( IGCC) ；再就是富氧燃烧电站。现在，绝大多数商业运行的燃煤电站是传统的燃煤电厂，只在欧美等有极少几个商业运行的IGCC电站和中试的富氧燃烧电站4。CO2 捕集主要有：(1) 燃烧后捕集。CO2捕集是将低浓度的CO2进行富集，这样更容易进行封存和利用。燃烧后捕集，即在燃烧排放的烟气中进行捕碳。理论上讲，该技术路线适合于任何一种火力发电。但是，通过燃烧系统产生的烟气通常压力接近于大气压，而且CO2的浓度低(10%15%)，含有大量的氮气，产生的气体流量巨大，捕集系统庞大，需耗费大量的能源。(2) 燃烧前捕集。燃烧前捕集主要运用于IGCC系统中。由于IGCC一般为高压富氧气化(20105Pa)，产生的煤气经过水煤气变换后，主要含有H2和CO2，气体压力和CO2的浓度都很高。在此时对CO2进行富集，捕集系统小、能耗低，加上在其他污染物控制以及效率上的潜力，这种路线得到了广泛关注。近年来，很多国家都重新提出并开始了IGCC发电的项目。国内除了国家电网公司的烟台IGCC项目外，华能、大唐、中电投等发电集团也开始在实质性推进IGCC项目。但IGCC发电技术仍存在投资成本高、可靠性还有待提高等问题。(3) 富氧燃烧技术。富氧燃烧仍采用传统燃煤电站的技术流程，只是通过制氧技术，将空气中大比例的N2脱除，直接采用高浓度的氧气与抽回的部分烟气的混合气体来替代空气，这样烟气中将直接得到高浓度的CO2气体，可以直接进行处理和封存。现在，在欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧的项目。该技术路线遇到的最大的困难是制氧技术的投资和能耗太高，现在还没找到一种廉价低耗能动技术。1.4 几种吸收二氧化碳的方法1.4.1物理吸收法物理法分离处理二氧化碳技术主要有：物理吸收法、膜分离法、物理吸附法等。1. 物理吸收法通过交替改变二氧化碳与吸收剂(有机溶剂)之间的操作压力和操作温度以实现二氧化碳的吸收和解析，从而达到分离处理二氧化碳的目的。在整个过程中不发生化学反应，因而所需的能量消耗相对较少。一般讲来，有机溶剂吸收二氧化碳的能力随着压力增加和温度下降而增大，反之则减小。物理吸收法其关键在于确定优良的吸收剂。对吸收剂的要求是：对二氧化碳的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、化学性能稳定。常见吸收剂有丙烯酸酯、N-甲基-2-D吡咯烷酮、甲醇、乙醇、聚乙二醇及噻吩烷等高沸点有机溶剂，以减少溶液损耗和蒸气外泄5。分离CO2的典型物理吸收法是Norton公司的聚乙二醇二甲醚法（Selexol法）和Lurgi公司低温甲醇法（Rectisol法)。这两种方法都属于低温吸收过程。Selexol法的吸收温度一般在-1015；Rectisol法的吸收温度一般在-750。另外，这两种技术能够同时脱除CO2和H2S，且净化度较高6。2. 膜分离法膜分离法是利用一些聚合材料，如醋酸纤维和聚酰亚胺等制成的薄膜对不同气体具有不同的渗透率这一特性来分离气体，其中包括分离膜和吸收膜两种类型。 工业上用于二氧化碳分离的膜材质主要有醋酸纤维、乙基纤维素、巨苯醚及聚砜等。近些年来，随着材料科学的迅速发展，涌现出不少性能优异的新型膜质材料，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及含相对分子质量低的丙烯酸脂的浸膜等，它们均表现出了良好的二氧化碳渗透性。随着高分子材料的不断发展和制膜技术的不断完善，膜分离法在从燃放气中分离二氧化碳方面一定会大有作为。3. 物理吸附法物理吸附法是利用固态