【正文】 CO2化學(xué)吸收工藝的設(shè)計及相關(guān)問題研究摘 要電廠燃煤煙氣所排放的二氧化碳會造成溫室效應(yīng)和全球氣候變化，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此控制二氧化碳的排放已成為應(yīng)對氣候變暖的最重要的技術(shù)路線之一。可以采取多種控制技術(shù)控制鍋爐煙氣中二氧化碳的排放，本文著重介紹了應(yīng)用廣泛的化學(xué)吸收工藝技術(shù)。 本論文主要對二氧化碳化學(xué)吸收法的基本原理、反應(yīng)機(jī)理、工藝流程、應(yīng)用設(shè)備、存在的問題及解決措施作簡要的介紹；對二氧化碳化學(xué)吸收主體設(shè)備作詳細(xì)的設(shè)計，主要包括填料、筒體、塔內(nèi)件（液體分布裝置、填料支承裝置、氣體分布裝置、除沫器）；對填料塔附件作詳細(xì)的設(shè)計，進(jìn)行強度校核、工程概預(yù)算。 通過本設(shè)計，盡量解決二氧化碳吸收過程中存在的問題，并對二氧化碳化學(xué)吸收工藝的發(fā)展前景予以展望。關(guān)鍵詞：二氧化碳吸收，填料塔，設(shè)計AbstractCarbon dioxide emission from coalfired power plant flue would cause the greenhouse effect and global climate change and serious environmental problems. Therefore control the emissions of carbon dioxide has bee 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 錄第一章 前 言 1 引言 1 研究二氧化碳吸收的意義 1 吸收二氧化碳技術(shù)分類 2 幾種吸收二氧化碳的方法 3第二章 吸收塔的設(shè)計計算 7 確定塔設(shè)備的選型 7 吸收劑的確定 8 吸收劑的確定 9 填料的選擇 12 塔徑的計算 12 填料層高度的計算 15 吸收塔附件的設(shè)計與選用 16 塔高 25第三章 吸收塔的強度校核 26 選擇材料 26 按計算壓力計算筒體和封頭的壁厚 26 塔的質(zhì)量載荷計算 27 塔的自振周期計算 28 地震載荷計算 29 風(fēng)載荷計算 30 地腳螺栓計算 35第四章 解吸塔的設(shè)計計算 37 平衡線 37 解吸所需蒸汽量 37 填料的選擇 38 塔徑的計算 39 填料層高度的計算 40 吸收塔附件的設(shè)計與選用 40 塔高 43第五章 解吸塔的強度校核 44 選擇材料 44 按計算壓力計算筒體和封頭的壁厚 44 塔的質(zhì)量載荷計算 45 塔的自振周期計算 46 47 風(fēng)載荷計算 48 地腳螺栓計算 52第六章 輔助輔助設(shè)備的設(shè)計選型 54 54 54 55第七章 經(jīng)濟(jì)分析與工程概算 56 經(jīng)濟(jì)分析與評價的意義和基本原理 56 工程概算 57 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 57第八章 結(jié)論 60參 考 文 獻(xiàn) 61致 謝 63聲 明 6465第一章 前 言 引言各種含碳物質(zhì)的燃燒、氧化、人和動物的呼吸活動，都會產(chǎn)生CO2。其中，燃煤產(chǎn)生的CO2所占的比例是最大的。據(jù)統(tǒng)計，%，而燃煤電廠主要以煙道氣將CO2釋放到大氣中從電廠排放的煙道氣中通常含有13% CO73% N2，10% H2O、3% O2和少于1%的各種污染物質(zhì)。19902001年，占世界同期增加量的27% ；預(yù)計到2020年，[1]。近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然碳資源不斷地被消耗，使大氣中的CO2含量迅速增加，導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”和氣候變暖，這給社會和經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。溫室效應(yīng)和氣候變暖會帶來以下列幾種嚴(yán)重惡果：1)地球上的病蟲害增加；2)海平面上升；3)氣候反常，海洋風(fēng)暴增多；4)土地干旱，沙漠化面積增大?？茖W(xué)家預(yù)測：如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到2050年全球溫度將上升2－4攝氏度，南北極地冰山將大幅度融化，導(dǎo)致海平面大大上升，一些島嶼國家和沿海城市將淹于水中，其中包括幾個著名的國際大城市：紐約，上海，東京和悉尼[2]。因此，減少CO2的排放量，改善氣候變暖和溫室效應(yīng)是當(dāng)務(wù)之急。 研究二氧化碳吸收的意義溫室效應(yīng)、氣候變暖是近年來國際政治、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域最為關(guān)注的課題。據(jù)報道，約60%的溫室效應(yīng)由CO2產(chǎn)生，因此控制CO2的排放已成為應(yīng)對氣候變暖的最重要的技術(shù)路線之一。中國于1998年5月簽署并于2002年8月核準(zhǔn)了《京都議定書》。雖然作為發(fā)展中國家，中國目前還沒有被要求履行《京都議定書》，但是要求我國減排CO2的國際壓力和環(huán)境壓力越來越大，而且溫室氣體的減排直接影響到一個時期國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此，我國必須保持適當(dāng)?shù)臏p排率，充分發(fā)揮科技進(jìn)步在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和氣候保護(hù)方面的作用，以技術(shù)創(chuàng)新控制CO2的排放。同時，CO2作為化工原料、致冷劑、油田增產(chǎn)劑、惰性介質(zhì)、溶劑和壓力源等在國民經(jīng)濟(jì)各部門有著廣泛的用途。為了保護(hù)環(huán)境和充分利用資源，各國科學(xué)家都開始了CO2的減排和利用的研究工作[3]。 吸收二氧化碳技術(shù)分類二氧化碳的處理技術(shù)一般分可為從大氣中分離固定和從燃放氣中分離回收兩大類。煤基電站主要有三類：一是傳統(tǒng)的燃煤電站；二是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站( IGCC) ；再就是富氧燃燒電站。現(xiàn)在，絕大多數(shù)商業(yè)運行的燃煤電站是傳統(tǒng)的燃煤電廠，只在歐美等有極少幾個商業(yè)運行的IGCC電站和中試的富氧燃燒電站[4]。CO2 捕集主要有：(1) 燃燒后捕集。CO2捕集是將低濃度的CO2進(jìn)行富集，這樣更容易進(jìn)行封存和利用。燃燒后捕集，即在燃燒排放的煙氣中進(jìn)行捕碳。理論上講，該技術(shù)路線適合于任何一種火力發(fā)電。但是，通過燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的煙氣通常壓力接近于大氣壓，而且CO2的濃度低(10%～15%)，含有大量的氮氣，產(chǎn)生的氣體流量巨大，捕集系統(tǒng)龐大，需耗費大量的能源。(2) 燃燒前捕集。燃燒前捕集主要運用于IGCC系統(tǒng)中。由于IGCC一般為高壓富氧氣化(20105Pa)，產(chǎn)生的煤氣經(jīng)過水煤氣變換后，主要含有H2和CO2，氣體壓力和CO2的濃度都很高。在此時對CO2進(jìn)行富集，捕集系統(tǒng)小、能耗低，加上在其他污染物控制以及效率上的潛力，這種路線得到了廣泛關(guān)注。近年來，很多國家都重新提出并開始了IGCC發(fā)電的項目。國內(nèi)除了國家電網(wǎng)公司的煙臺IGCC項目外，華能、大唐、中電投等發(fā)電集團(tuán)也開始在實質(zhì)性推進(jìn)IGCC項目。但I(xiàn)GCC發(fā)電技術(shù)仍存在投資成本高、可靠性還有待提高等問題。(3) 富氧燃燒技術(shù)。富氧燃燒仍采用傳統(tǒng)燃煤電站的技術(shù)流程，只是通過制氧技術(shù)，將空氣中大比例的N2脫除，直接采用高濃度的氧氣與抽回的部分煙氣的混合氣體來替代空氣，這樣煙氣中將直接得到高濃度的CO2氣體，可以直接進(jìn)行處理和封存。現(xiàn)在，在歐洲已有在小型電廠進(jìn)行改造的富氧燃燒的項目。該技術(shù)路線遇到的最大的困難是制氧技術(shù)的投資和能耗太高，現(xiàn)在還沒找到一種廉價低耗能動技術(shù)。 幾種吸收二氧化碳的方法物理法分離處理二氧化碳技術(shù)主要有：物理吸收法、膜分離法、物理吸附法等。1. 物理吸收法通過交替改變二氧化碳與吸收劑(有機(jī)溶劑)之間的操作壓力和操作溫度以實現(xiàn)二氧化碳的吸收和解析，從而達(dá)到分離處理二氧化碳的目的。在整個過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而所需的能量消耗相對較少。一般講來，有機(jī)溶劑吸收二氧化碳的能力隨著壓力增加和溫度下降而增大，反之則減小。物理吸收法其關(guān)鍵在于確定優(yōu)良的吸收劑。對吸收劑的要求是：對二氧化碳的溶解度大、選擇性好、沸點高、無腐蝕、無毒性、化學(xué)性能穩(wěn)定。常見吸收劑有丙烯酸酯、N甲基2D吡咯烷酮、甲醇、乙醇、聚乙二醇及噻吩烷等高沸點有機(jī)溶劑，以減少溶液損耗和蒸氣外泄[5]。分離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公司低溫甲醇法（Rectisol法)。這兩種方法都屬于低溫吸收過程。Selexol法的吸收溫度一般在10～15℃；Rectisol法的吸收溫度一般在75～0℃。另外，這兩種技術(shù)能夠同時脫除CO2和H2S，且凈化度較高[6]。2. 膜分離法膜分離法是利用一些聚合材料，如醋酸纖維和聚酰亞胺等制成的薄膜對不同氣體具有不同的滲透率這一特性來分離氣體，其中包括分離膜和吸收膜兩種類型。 工業(yè)上用于二氧化碳分離的膜材質(zhì)主要有醋酸纖維、乙基纖維素、巨苯醚及聚砜等。近些年來，隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出不少性能優(yōu)異的新型膜質(zhì)材料，如聚酰亞胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜復(fù)合膜、含二胺的聚碳酸酯復(fù)合膜及含相對分子質(zhì)量低的丙烯酸脂的浸膜等，它們均表現(xiàn)出了良好的二氧化碳滲透性。隨著高分子材料的不斷發(fā)展和制膜技術(shù)的不斷完善，膜分離法在從燃放氣中分離二氧化碳方面一定會大有作為。3. 物理吸附法物理吸附法是利用固態(tài)吸附劑(活性炭、天然沸石、分子篩、活性氧化鋁和硅膠等)對原料混合氣中的二氧化碳進(jìn)行有選擇性的可逆吸附作用來分離回收二氧化碳的技術(shù)。吸附劑在高溫(或高壓) 條件下吸附二氧化碳，降溫(或降壓) 后將二氧化碳解吸出來，通過周期性的溫度(或壓力)變化，實現(xiàn)二氧化碳與其他氣體的分離。采用吸附法時，一般需要多座吸附塔并聯(lián)使用，以保證整個過程中能連續(xù)地輸入原料氣，連續(xù)地取出二氧化碳?xì)饧拔次綒怏w[7]. 物理吸附法有變壓吸附法( PSA)、變溫吸附法(TSA)等。相對來說，由于TSA熱慣性較大，所以系統(tǒng)龐大。PSA是更適合于電廠捕碳的物理吸附技術(shù)，原理是利用氣體組分在固體材料上吸附特性的差異以及吸附量