基本信息
- 项目名称：
- 300MW燃煤电厂烟道气中1200000NM3/hCO2 捕集及利用系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 针对燃煤电厂排放烟气中CO2引起的温室效应环境问题，本设计提出并设计了CO2捕集及利用系统，并进行了详细调查、可行性分析、设计，最终得到可行性分析报告、设计说明书及附录、图纸、厂区3D效果图以及厂区漫游。创新点在于用先进的膜吸收技术以及催化重整技术对现有中型燃煤电厂烟气中的二氧化碳进行捕集及再利用，在解决了现有环境问题的基础上达到了CO2的资源化利用，实现了可持续发展，设计成果有望在宜宾落地。
- 详细介绍：
- 当前，由温室效应导致的气候变暖已是一个全球性环境问题，温室气体中对气候变化影响最大的是CO2，而以化石燃料为主要能源的燃煤电厂是一个CO2集中排放源，其排放烟气中CO2排放量在工业CO2排放总量中占了相当大比例。实现燃煤电厂CO2的捕集及资源化技术，对于控制和减少温室气体的排放，应对温室效应、全球变暖问题具有重要意义。发展可靠技术、减少CO2排放的碳捕集、封存及利用系统（CCS&U）将是未来发展的必然趋势。本设计依托300MW燃煤电厂，采用技术先进、效率较高、绿色无污染的膜吸收分离法对电厂烟气中CO2进行捕集，得到纯度较高的CO2再与甲烷和氧气在列管式固定床中进行催化重整，生产工艺用途很广的合成气，在达到CO2减排要求的同时，实现了对CO2的资源化利用，并且带来很好的经济收益。设计规模为年产7.2×108Nm3合成气，厂址建在四川省达州市宣汉县普光工业园区。本设计采用膜接触器来分离、回收燃煤烟气中的CO2技术工艺。燃煤锅炉的烟气经电除尘器除尘、湿法脱硫装置脱硫后变成40~50 ℃的洁净烟气(不经再热器)送入中空纤维微孔膜接触器) ，烟气在中空纤维微孔膜元件间流动，在微孔膜元件中的吸收液与烟气中CO2 进行化学反应，形成一种弱联结的化合物。合成工段将处理后得到的高纯度CO2与CH4和O2进行催化三重整。通过电阻丝对列管式固定床中列管进行加热，在列管中填充13%Ni•13%La2O3/γ-Al2O3催化剂，在700℃、常压的条件下进行反应，制备体积比为1.05的合成气。同时本项目考虑了能源的合理利用，合理利用能源既是提高项目经济效益的有效途径之一，也是项目发展的重要保证。本项目中结合工艺物流的自身特点，在确保稳定生产的前提下，使用了Aspen Energy Analyzer软件对工艺系统进行换热网络的设计，尽可能在冷热工艺流体之间进行热量交换，回收余热，降低公用工程的消耗。厂址选择在普光工业园区，此园区具备丰富的原料气资源，使本项目可以就地取材，大大节约成本，其便利的交通为运输提供了良好条件；产品可就近销往达州化工园区以及其他地方，减轻了产品运输压力；强大的技术后盾（专业院校和研究院的专家加入）为该园区项目的建设提供专业、权威的技术保障；政府积极出台的工业发展政策以及高度重视为本项目的建设提供了保障。社会效益评价分析表明，投资总额为103098.66万元，达产后年经营成本为29671.53万元，投资年收益率为56.78%，投资回收期为2.48年（其中建设期1年）。本设计小组最终完成了可行性报告、工艺路线论证、Aspen Plus流程设计模拟、物热衡算、Aspen Energy Analyzer热集成、设备选型与设计、自动控制、工艺流程图（PFD）、带控制点工艺流程图（PCD）、工业管道及仪表流程图（PID）、总厂布置图、车间布置图、工厂3D设计、Smart3D管道设计等工作，还对了职业卫生与安全、环境保护、经济核算与评估、维修和储运、自动控制、供电及电讯、通风采暖和供热、公用工程、消防、土建和给排水等辅助设计进行了分析与讨论，最终根据《化工工厂初步设计文件内容深度规定》编写了《项目可行性分析报告》和《项目初步设计说明书》，并绘制了相关的图纸。经过综合分析与设计，本项目具有良好的可行性，有望在宜宾当地落地，并可能将在全国示范推广，将为国计民生、低碳经济等做出很好的贡献，同时提高了我们化工专业知识的实践能力。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本设计的主要目的是将CO2的最大排放源——燃煤电厂中的CO2进行捕集并尽量利用，储存不是目的，最终需要实现CO2的资源化利用，变废为宝，以实现节能减排的目的，缓解环境、资源等方面压力，并且项目一旦建成实施要有一定的推广示范作用。 基本思路则是采用现有的较为成熟的化工技术实现捕集和利用，在能够实现的基础上力求创新，将捕集下的CO2进一步资源化利用，与CH4重整制备化工中间产品合成气，合成气具有较高的经济价值且符合可持续发展观念，切实降低了CO2减排的经济成本。 创新点主要在于将温室气体CO2利用化工技术进行捕集和利用实现其资源化再利用，并且在工艺路线、设备设计、热集成、水集成和控制策略中有着不同程度的创新。 技术关键是捕集及利用技术，捕集二氧化碳阶段用到了膜吸收技术与现有的溶剂吸收法、吸附法、膜分离法相比具有明显的优势，其捕集效率高，捕集到的二氧化碳纯度高，条件温和，以及反应易操作，技术清洁，不会对环境造成二次污染，且在长远看来具有良好的经济效益。 主要技术指标要求CO2的捕集率不低于95%，联产具有较高经济价值和符合可持续发展观念的化工产品，降低电厂实施CO2减排的经济成本，促进CO2捕集、存储及利用技术的推广应用，若联产产品无法实现盈利则要求发电成本上浮不超过30%，并尽量采取措施减少本设计工艺系统对环境的不利影响，并对排出的污染物提出合理的治理方案，不能出现二次污染，要让绿色环保设计本身环保绿色且符合生态发展。
科学性、先进性
- 本项目CO2捕集工艺采用膜吸收技术，主要是将吸收法和膜分离技术相结合而出现的一种新型技术，该技术结合了吸收技术和膜分离技术的优点。吸收剂选择一乙醇胺，吸收速率快，价格便宜，对碳氢化合物吸收极少。CO2利用则采用CO2与CH4、O2进行催化重整，此技术经过不断探索已得到最佳工艺条件并经过中试放大试验，可在工业上推广应用。 本设计将膜吸收技术与催化重整技术联合在一起组成CO2的捕集及利用工艺具有良好的科学性和先进性。另外,本设计经过详细调查以及精确计算，该项目投资总额为约10亿元，达产后年经营成本约3亿元，投资年收益率超过50%，投资回收期约3-5年。整个项目在节能、环境保护、经济发展、就业、国防及工业配置等方面都产生了积极的社会效益，有利于社会和地区的发展。 [1]丁民丞，吴缨。谈捕集和储存技术（CCS）的现状与发展[J]。中国电力企业管理，2009，11：1-4 [2]许世森，郝时旺。燃煤电厂二氧化碳捕集、利用与封存技术[J]。上海节能，2009，9：8-13。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品的部分内容在中国化工学会主办的第四届全国“三井化学杯”化工设计大赛中得到评审、鉴定以及评比，并进入全国总决赛，获全国二等奖。提交至挑战杯的作品经过了进一步的完善，并对参加三井杯的作品主体工艺技术进行了进一步的优化，并且结合宜宾地方经济发展，整个技术作品已有望在宜宾当地落地。
作品所处阶段
- 设计已完成，有望在宜宾本地实施，为地方经济发展贡献力量。
技术转让方式
- 合作开发研究
作品可展示的形式
- PPT、工艺图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目选用的捕集及利用技术均为科学性和先进性较为良好的国内先进技术，能够良好的完成燃煤电厂烟气中CO2的捕集及利用。 设计成果适用于大中型规模的燃煤电厂烟气中CO2的捕集及利用，具有良好的推广应用价值。 项目投资总额约10亿元，建设期约1年，试运行期0.5年，达产后年经营成本约3亿元，年投资收益率超过50%，投资回收期约3-5年。 整个项目在节能、环境保护、经济发展、就业、国防及工业配置等方面都产生了积极的社会效益，有利于社会和地区的发展。 本设计有望在全国的煤电厂进行示范推广，一旦实施将对整个煤电厂实现碳循环，大大的降低CO2的排放量，产生良好的社会经济效益。
同类课题研究水平概述
- 温室气体与气候变化是当前全球研究的核心问题之一。作为温室气体主要成分的CO2在大气中稳定存在。根据美国能源部的预测，在全球范围内必须减少60%的CO2排放才能真正防到期是CO2止气候变化。 目前要求我国减排CO2的国际压力和环境压力越来越大，且温室气体的减排直接影响到国民经济的发展，因此我国必须保持适当的减排率，以技术创新控制CO2的排放。而燃煤电厂烟道气是CO2长期稳定集中的排放源，由燃煤电厂烟道气中捕集回收CO2不仅是缓解CO2排放危机的最直接有效的手段，还能通过副产CO2降低减排成本。因此设计并实现CCS&U系统迫在眉睫，也势在必行。 针对主要由燃煤电厂烟气引起的CO2排放，从能源利用和环境保护的角度出发，提出CO2捕集及利用的方案和具体设计，以达到在节能减排的同时，发展CO2工业的目的。由温室效应导致的气候变暖已经是一个全球性的环境问题，其中CO2占温室气体总量的三分之二，而以化石燃料为主要能源的火电厂是一个集中排放源，因此研究并实现火电厂CO2的捕集及资源化技术，对于控制和减少温室气体的排放，应对温室效应、全球变暖问题具有重要意义。 发展可靠技术、减少CO2排放的碳捕集、封存及利用系统（CCS&U）将是未来发展的必然趋势。 CO2是地球上最丰富的碳资源，若能实现资源化，成为巨大的可再生资源，不仅能大大减小温室效应，还能缓解世界能源危机，为人类社会的可持续发展寻求一条新出路。 本项目产品合成气是用于制合成石油、合成氨、合成甲醇和合成其他有机化工产品所需的、含有一定比例一氧化碳和氢为主要组分的混合原料气。合成气中除含有一氧化碳和氢以外，还含有一定量的甲烷、二氧化碳、硫化氢、氧和有机硫等，需经过一系列净化、精制过程，才能用于合成产品。目前主要从烃类生产合成气，所用方法主要有蒸汽转化和部分氧化两种。合成气用途广泛，利用羰基合成（氢甲酰化）、羰基化及其它反应，制取一系列重要的有机化工产品和原料，如甲醇、合成氨、甲醛、高级醇等；合成气是氢气的主要来源之一；合成气得到的甲醇是重要的有机原料，由甲醇又可以合成一系列有机化工产品。通常将含一个碳源的化合物，如CO、CO2、CH4、HCHO、CH3OH等作为起始原料，合成有机化工中间体或产品的化学。
