燃煤电厂烟气大规模CO2捕集过程关键问题研究

项目主要研究燃煤电厂大规模CO2捕集过程中能耗和成本降低的关键科学问题，包括高效低能耗吸收剂、大型高效捕集设备设计基础、捕集全过程能量优化和CO2相态特征及输运技术分析。在高效吸收剂方面，研究新型氨基化合物及其混合溶剂吸收CO2的反应机理、热力学和动力学。在高效捕集设备方面，研究CO2捕集吸收专用的填料和分布器及其流体力学和热质传递性能，继而研究高效捕集设备的放大规律。在捕集全过程能量优化方面，研究新型混合溶剂吸收CO2的热力学、动力学和热质传递的计算模型，建立模拟程序，研究捕集过程及其和燃煤电厂及CO2压缩过程的能量优化和集成规律。在CO2相态特征和输运技术分析方面，研究CO2混合流体的跨临界点的解析式状态方程，进行不同相态压缩能耗优化和输运腐蚀性分析，进行输运技术的经济性分析。项目研究成果将为燃煤电厂烟气的大规模CO2捕集和输运过程的节能降耗提供扎实的理论基础。

项目背景. 在燃煤发电等重要工业过程中进行二氧化碳捕集成为减缓全球气候变暖的一个主要选择，但是面临捕集能耗大和成本高的问题。项目计划在高效溶剂、设备、流程优化和能量集成方面开展关键的基础研究，以期大幅度降低捕集能耗和成本。.主要研究内容. 新型高效低能耗吸收剂的研究，高效捕集设备的热质传递和放大规律研究，捕集全过程的能量优化研究，CO2相态特征和压缩输送技术分析。.重要成果和关键数据. 在高效吸收剂方面，详细研究了二氧化碳在典型多氨基化合物水溶液中的吸收热力学、动力学和反应机理，包括羟乙基乙二胺、二乙烯三胺和环状哌嗪等三类化合物。CO2吸收解吸循环溶解度最高达到100g/L，比工业单乙醇胺溶剂提高1倍，形成新型高效低能耗的二氧化碳捕集溶剂体系。. 在高效捕集设备方面，设计了18种不同结构的填料，在200mm的吸收塔中研究了填料结构对吸收性能的影响。在600mm吸收塔中测定了吸收性能，研究了填料塔吸收设备的放大规律。高效填料的有效传质面积提高20%，考虑气液影响的填料传质面积模型适用于不同塔径的传质计算和放大研究。. 在能量优化集成方面，进行了多种溶剂的捕集过程和新流程的优化研究，和电厂工艺及压缩过程的能量集成研究。流程优化和能量集成的节能达30%。采用新溶剂和新流程的捕集过程能耗降到2.4GJ/吨，和燃煤发电工艺及压缩过程集成后降到1.9GJ/吨。. 在相态和输送方面，建立了二氧化碳加水体系的跨临界点解析式统计缔合流体方程，建立了CO2相态、输运和成本估算的数学模型，研究了气相、一般液相、密相与超临界四种输送方式的特点和成本降低的影响因素。一般情况下气相输送成本较低；没有相变的话，管径小的成本较低；大输送量和长距离时管径大较好；水含量越小越好，水含量增加时密相输送成本最低。. 总之，通过高效溶剂、传质设备、流程优化和能量集成、相态和输运几个方面的研究，大幅度降低了CO2分离捕集过程能耗和成本，实现了项目的总体研究目标。.科学意义. 分子结构和反应机理的关系研究，成为反应热力学和动力学研究的关键，而热力学、动力学、流程优化和能量集成的联合研究，是实现CO2捕集过程降低能耗这个研究目标的关键。