个人答辩陈述在线视频

余景文同学这个

博士论文通过评审

和最后的审查

那么经清华大学

学位评定委员会的动力工程

及工程热物理委员会审查

同意余景文同学的

学位论文的答辩的申请

并且组成的话 下面的答辩委员会

那么单位会主席的话

由我清华大学热能系

姚强担任

那么我们有4位委员

那么中国科学院的

力学研究所的魏晓玲教授

咱们清华大学

化学工程系的陈建教授

咱们清华大学热能工程系的

刘传福教授

和工程热物理所的

高玲教授

那么秘书的话

由热学系的徐丽珍担任

下面我们答辩就正式开始

先请徐丽珍介绍一下

答辩委员 那个答辩人

余景文的这个简历和学习情况

余景文同学1990年5月16日

生于江西省余干县

2007年8月考入

清华大学热能工程系

能源动力系统及自动化专业

2011年7月本科毕业

2011年8月免试进入

清华大学热能工程系

攻读动力工程及工程热物理

专业博士学位至今

发表在博士学位期间

发表6篇sci论文

一篇ei一篇中文核心期刊

那么就请这个余景文同学

报告一下学位论文的内容

那时间控制在45分钟之内

各位老师同学 大家上午好

欢迎大家来到我的

答辩的这个现场

我的论文的题目是

氨水溶液脱除燃煤电站

烟气中二氧化碳的能耗的研究

那么今天主要从以下4个部分

来介绍我的这样一个课题的

研究情况

那么首先是研究的背景

以这个现状

那本文的研究背景还是基于

二氧化碳减排

这样一个大的背景

那么具体来说 其实是

化学吸收法针对燃煤电站

烟气中进行

烟气进行燃烧后的这样一个

二氧化碳补给

那么采用这样一个化学吸收法

从二氧化碳分离

以及热再生的方式

它具有一些显著的优点

包括它适用于现有电站的改造

适用于低二氧化碳

浓度烟气的处理

以及工艺成熟可靠的

这样的优点

然后当这样一套

碳捕集系统加装到

我们的燃煤电站的时候

会带来显著的蒸汽消耗跟电耗

那么一般认为它会使得

它的电站的净发电效率

下降大约十个百分点左右

事实上 对于这样一个

化学吸收法的工艺来说

它的最大的能耗来源于

热再生过程中的

再沸器的容量的需求

那么这部分容量需求一般

可分为 分为3个部分

一部分是将这个吸收液

从入口的温度

加热到解吸温度的

这个显热部分

以及而逆转化学反应

来释放二氧化碳的

这样一个吸收热部分

还有通过采用水蒸气

来稀释二氧化碳

从而创造解吸驱动力的

气体的部分

那么如果我们采用氨水

这种溶液作为吸收剂的话

它会具有一些显著的优点

包括它具有比较低的

这样一个反应热

那么因此 它第二部分

能量的需求就会比较低

那此外 它的高的循环单载

意味着我单位质量的溶液

能够鞋带的摩擦量是增大的

因此 它第一部分

跟第二第三部分的容量需求

也会比较低

因此氨水溶液作为

二氧化碳的吸收剂

它具有比较低的理论的能耗

那么因此 本文的这个研究对象

确定为继氨水的燃煤电站

烟气二氧化碳比技术

但是氨水氨法脱碳工艺

它的应用受到了氨水本身的

一些缺陷的这样一个限制

包括 包括它的低的反应速率

那就意味着为了在吸收塔内

维持相应的二氧化碳的

特殊速率

我们可能需要采用

比较高的液体循环量

那么从而导致我的

第一部分的这个容量需求

是显著上升的

此外氨水的高硫挥发性使得

从二氧化碳吸收塔出来的

这个烟气中会含

比较高浓度的逃逸氨

那么这部分逃逸氨

需要经过一个氨的清洗装备

来进行清洗

这样才能得到我们的净化烟气

那么这这部分清洗液的再生

会引入 会在原有的

二氧化碳解吸能耗基础上

引入一个氨的再生能耗

那么因此氨法脱碳的工艺

它具有比较高的

这样一个实际的能耗

而为了降低这个氨

降低氨法 氨法溶液的

这样一个脱碳的能耗

那么已有研究主要从

以下3个方面开展了一些研究

那么首先第一个是吸收剂的改良

这主要是通过在

氨水中引入一些物质

形成一个混合的吸收剂

希望能够改善它的这个吸收性质

那么这样 存在两种的思路

一种思路是

通过加入哌嗪这一类

能够与二氧化碳快速反应的物质

来强化这个混合吸收剂的

二氧化碳的吸收率

然后在这种添加剂的这个

带来的弊端就是

它加入的这种哌嗪这种物质

会与氨水形成它的竞争关系

因而导致溶液中的

自由氨浓度是增加的

从而恶化了它的挥发性

而另外一种思路则是通过在

氨水中加入一些氢键类

或者络合类的物质

来与自由氨形成束缚作用

从而来抑制氨的这样一个挥发

但它带来了负面效果就是

它会进一步的降低了

我的反应速率

那么因此可以看到

这样两种思路

其实是对于氨水的反应速率

以及氨水挥发性的

这样二者的这个权衡

如果从能耗的角度来讲

其实是二氧化碳解吸能耗

以及以氨再生能耗

之间的一个权衡

那么因此对于吸收剂的

这样一个改良

它的思路应该是

从能耗的角度去进行分析

但是在已有研究中依然非常缺乏

这种混合吸收剂能耗的分析

那么第二种思路是对于

是对于在操作过程中的

操作参数的调节

那么这种依然 它的核心依然是

这个反应速率以及挥发性之间的

这样一个矛盾性的关系

具体来说

为了提高它的这个反应速率

我们需要采用比较高的气温

高的氨的水溶度

和低的贫液负载

但是这种 这种操作条件

它会进一步的恶化

我的这样一个氨的逃逸情况

那么在已有的这样一个

典型的氨法脱碳工艺中

并没有办法来兼顾这二者

我们以这个CSLRO

这个常温工艺来说

它为了保持比较高的吸收速率

采用了大概常温下的

这样一个吸收

那么同时为了使得我的这个

氨的逃逸情况得到控制

它又采取了比较低的

这样一个氨水浓度

而另外一种思路

则是以Alstom为代表

他为了抑制氨的挥发

他采用了比较低的吸收温度

但是为了保证以足够的

这样一个反应速率

又必须得采取

比较高的这样一个氨水浓度

那么基于这样一个

矛盾性的这个参数选择

那么已有研究者对这个

不同的参考条件下的

优化工况的能耗进行一个分析

那么这里综述了在已有研究中

对于按法脱碳的能耗的

这样一个研究数据

那么从这里面可以看到

首先基于原准确的

数据模型研究还非常少

那么只在近几年才出现了

这样个别的这样一个研究

此外 对于氨再生能耗部分的

考虑是严重不足的

第三种能耗降低的思路是

脱碳流程的优化

那么对于这样一个常规的

包括二氧化碳吸收

二氧化碳解吸 氨的清洗

以及氨的再生

这样一个常规的流程来说

它存在两个主要的问题

其一就是在这个

氨的再生能耗部分

它会引入额外的

这样一个一个能耗

那么对于这样的一个解决方案

有研究者提出采用通过

在清洗液里面引入

高负载的二氧化碳

希望能够通过这样

来强化逃逸氨的清洗的效果

来降低这部分的能耗

但是这个研究并没有给出

它这个明显的这个下降的趋势

而第二个

第二个常规流程的问题

存在于这个解吸过程中

那么从这个解吸器

解吸塔出来的

这样一个高温的气体中

含带着非常高浓度的

二氧化碳氨根水

那么这样一个混合气体

在冷凝器中会发生温度的下降

然后在气液分离器中

发生气液分离

那么在这样一个回路中

就很有可能发生碳氨的结晶

那么这部分结晶它的

它的积累会使得这个系统运行

受到非常大的困扰

从而限制了我这个参数的应用

那么对它的解决方案

有研究者提出是采用

直接采用直接水洗的方式

来净化烟气

而不采用原有的这个

冷凝加气液分离的方式

那么这种方式带来的问题是

它会导致这个含有氨的

这样一个清洗液的后处理问题

如果采用

我们继续采用热再生的话

同样会引入额外的这样能耗

另外一个问题是

由于这个解吸中

二氧化碳含量非常高

那么因此在这样一个进化过程中

会发生大量的二氧化碳的

这样一个吸收

那么因此我们

最后得到产物容量是下降的

也相应地带来了解吸能耗的上升

那么因此 我们也看到

在已有研究中 依然缺乏

有效降低系统能耗的

这样一个系统流程优化方案

那么基于这样的一个

研究背景与现状

我们确定了我们

最终的研究方案和研究内容

那么首先研究

研究的对象还是基于

氨水的燃煤电站烟气的

二氧化碳捕集技术

在研究内容上

我们试图解决两个问题

第一是对 如何来降低

氨发脱碳系统能耗好

另外一个是这样

这样一个脱碳能耗

对于碳谱仪电站来说

它意味着什么

那么具体来说 对于降低能耗

我们主要从操作参数优化

工艺流程设计

和吸收剂改良三个方面进行展开

然后对于碳谱仪电站的影响

我们主要考虑对电站的发电效率

以及发电成本的这样一个影响

而为了进行这些研究内容

它的基础是能够得到

准确可比较的氨法脱碳工艺的

能耗的数据

那为了得到这样一个数据

我们采用的是Aspen的

数理模型的研究方法

那为了得到

为了保证这样一个模型

它的准确性

我们采用实验的数据

进行一个验证

而具体到我们研究内容

主要包括四个部分

第一部分是操作参数的优化

我们希望通过对二氧化碳水

这样一个体系的模型的建立

利用模型来考虑操作参数

对于系统能耗的

这样一个影响的规律

第二部分是工艺流程的设计

希望能够涉及一种

新型的工艺流程

来降低整个系统的能耗

第三部分是对于吸收剂的改良

我们针对已有研究中提出的

这个具有最吵的这样一个

强化吸收效果的哌嗪这种物质

我们考虑氨哌嗪

这样一个符合吸收剂

它的二氧化硫吸收效果

和解吸效果

融合得到它的能耗表现

那么最后一部分是对于

经济性的 是对经济性进行分析

那么在电厂应用场景下

我们考虑了碳捕集装置

对于电厂的发电效率

和发电成本的影响

然后比较了前述提到的

不同的这样氨法脱碳的

工艺的路线

那么首先对于第一部分的

这个研究内容

操作参数的优化

我们 我们首先建立了

建立包括建模型的建立过程

以及模型验证过程

然后就用我们这样一个

经过验证的模型

我们进行了单参数的

影响规律研究

和优化工况最低能耗的

这样一个探寻

那么最后给出我们观点

然后来研究结论

首先对于这样一个

氨二氧化碳水体系

我们采用Aspen plus

这样一个商业化的模拟软件

来搭建了热力模型 输运模型跟数理模型

那么采用pitzer模型

来计算其的液相的性质

就用rks方程 来计算气相的性质

对于这样一个模型

我们的验证从两方面展开

首先我们考虑了其热力学模型的

这样一个验证

我们考虑到吸收工况

跟解吸工况的温度的巨大差异

我们考虑了低温时候

以及高温时候的

这个体系的二氧化碳与氨的

这种气场分压的

这样的模型预测值

跟实验值的对比

进一步 我们考虑了

40度跟120度

是液相组分的情况

那么基于这样液相组分的预测

我们进一步的考虑到了

40度跟80度时的

二氧化碳吸收热的这样一个

模型预测值跟实验值的对比

那么从这样一个对比结果

我们可以看到

这个模型还是能够比较好的

来预测氨和二氧化碳水体系的

热力学的性质

对模型第二部分的验证基于

是对于它数理模型的

这样一个验证

我们采用的实验数据来源于

CSIRO的这样一个

中试的实验装置

那么这个中试的处理规模

大概在100公斤二氧化碳

每小时的这样一个处理量

那么 这样一个中试装置

它包含了烟前预处理

二氧化碳的吸收

二氧化碳的解吸

以及逃逸氨的清洗的

这样一个设备

从这样一个中试实验装置中

我们抽取出了二氧化碳吸收速率

气相氨浓度 二氧化解吸能耗

以及再沸器解吸温度

这样四个关键的量

对其进行了预测

那么比较预测值

跟实验值的这样一个偏差

可以看到

对于绝大部分的研究工况来说

它的预测偏差在正负15%以内

那么因此 认为本轮模型

还是能够比较合理的来预测

填料塔中的二氧化碳的

吸收过程

基于这样一个

经过验证的数理模型

我们考虑了各研究参数

对于系统能耗的

这样一个影响的规律

考虑还有这样一个

典型的常规工艺流程

那么考虑的参数包括三方面

一方面是与设备相关的部分

这部分主要包括我们主要的

反应塔的这个几何尺寸

包括放热器的温差以及

我再生塔的这样压强

第二部分是与运行相关的参数

这部分参数主要包括

我的吸收液的流量

吸收液中的氨的浓度

吸收液的负载

吸收液和清洗了这样一个温度

第三部分是与电厂相关的参数

这主要包括烟气中的

二氧化碳的浓度

以及环境中存在的

冷却水的这样一个温度

在这部分研究中

我们采取的是单参数的分析原则

就是固定其它所有的参数

只改变其中单一参数

来观察能耗的这样一个变化

我们以这个最核心的参数

这个吸收液中氨浓度为例

来说明这样一个分析过程

那么对于吸收液氨浓度的

这样一个增加

我们可以看到 二氧化碳的

脱除速率也是在不断的增加

同时伴随着氨的逃逸速率

也在增加

而最后得到了负液中

二氧化碳呈现一个

先上升后下降的一个趋势

那么它对于吸收过程的影响

它会反映到我的

能耗的变化上来看

对这样 对于二氧化碳

解吸能耗 我们可以看到

随着夜色氨浓度的增加

它的显热

发生了一个显著的下降

而它的气体热

发生了一个缓慢的上升

进从而 从而导致我们的

二氧化碳解吸能耗呈现了一个

先下降后趋于平稳的

这样一个趋势

而进一步 我们考虑

氨的再生能耗部分

可以看到在二氧化碳解吸能耗

下降的同时

氨的再生能耗

出现了一个显著的上升

从而导致我的二氧化碳

系统总能耗呈现一个

先略微下降后上升的

这样一个趋势

那么相似的这样研究思路

我们应用到了前面提到的

所有的参数的研究上面

我们最后给出这样一个

概括性的结论

那么首先 我们观察到

高的氨水浓度 低的液相流量

和低的二氧化碳负载

会带来解吸能耗的这样一个下降

那么这就说明 吸收过程的强化

它是有利于解吸 然后来降低了

那么对于我们后续工作的

指导意义就在于

有必要开展这样

前面提到的氨哌嗪这样一种

能够快速反应的

这种混合吸收剂的体系的

浓厚的研究

而此外 我们也同样发现

较低的氨水浓度 适宜的液相流量

和较高的二氧化碳负载

会带来总能耗的下降

那么总能耗的变化趋势

以及解吸能耗的变化趋势的不同

它就来源于我的氨再生能耗的考虑

氨再生能耗的考虑会显著的影响

优化参数的这样一个决定

那么对后面的

因此有必要开启这个

开展这样逃逸氨的

低耗再生方案的这样一个设计研究

同时我们也发现

高的填料高度 低换热温差

高解析压力又会带来

能耗的这样一个下降

那么意味着存在着设备投入

与这个运行能耗之间的

这样一个平衡

此外电厂烟气的

二氧化碳浓度升高

冷却水温的降低

都会带来系统总能耗的下降

那么因此 当在电场中

加入碳捕集系统之后

它会对电厂的这样燃烧条件

选址等提出新的要求

因此有必要开展

碳捕集系统与电厂的

这样一个整合研究

那么 在前述的单参数分析的

影响的基础上

我们有 我们试图来找寻到

在优化工况下的这个系统

最低的这样一个能耗的数据

在这部分

我们考虑的是采用正交法则

来寻找最低的能耗值

那么首先确定了

一个二氧化碳的脱除效率

我们观察到

随着二氧化碳

二氧化碳脱除效率的增加

二氧化碳解吸能耗在

出现了一个明显的增加

尤其在脱除效率大于75%之后

那么因此 在本文中我们考虑

在后期的研究中都保持着75%的

这样一个二氧化碳脱除效率不变

我们探讨了 四参数四水平的

这样一个正交矩阵

来给出了其中能耗值

总共16个工况点

我们最后得到

通过比较 我们得到了最低的

二氧化碳解吸能耗出现在

工况13 大概在2.9左右

而最低的二氧化碳总能耗

出现在工况5

大概在4MJ每公斤

二氧化碳左右

我们进一步的去对比了这个

得到的这样一个能耗的数据

可以看到

对于二氧化碳解吸能耗来说

我们通过参数的优化

从技术工况到优化工况

我们同时降低了二氧化碳

解吸过程的反应热

气体热和显热的需求

从而显著的降低了

二氧化碳解吸能耗

对 从系统的总能耗的比较来看

我们在降低

二氧化碳解吸能耗的同时

也降低了它的氨的再生能耗

从而使得系统总能耗

出现了一个显著的下降

而与这个 我们作为基准的

这样mea这种

这种脱碳工艺来说

相比的话

氨法脱碳工艺

具有更低的反应热

和气体热的需求

但是显热部分是要较高的

那么总体来说

它具有比较低的

二氧化碳解吸能耗

但是如果我们把氨法脱碳

这样一个

氨再生能耗考虑进来的话

就会使得它的系统总能耗

高于我们作为基准量的mea

因此 最后我们给出这个研究

第一部分的这样一个研究结论

我们认为 强化二氧化碳吸收过程

是降低解吸能耗的

这样有效的途径

此外 氨的再生能耗的考虑

会显著影响我们

操作参数的这样一个选取

而相比mea工艺来说

氨法脱碳工艺它具有比较低的

二氧化碳解吸能耗

但是氨在上涨后的考虑

会使得它的系统总能耗

要高于mea工艺

对第二 第二部分是对于

工艺流程的设计

那么首先我们介绍了

我们的设计思路

以及得到了这样一个新型的流程

然后对这个新型流程

我们进行了实验的研究

得到关于参数的影响规律

基于这样实验的数据

我们搭建了数理模型

对其流程进行了可行性的分析

最后给出关于能耗的

这样一个研究结论

我们首先回顾一下在常规的

氨法脱碳工艺中

存在的主要的问题

包括三个方面 首先

从这个二氧化碳吸收塔出来的

烟气中携带的高的浓度的

逃逸氨 带来非常高的

氨的这个再生能耗

这部分的再生能耗

此外 解吸氨的这个解吸过程

会受到结晶的困扰

影响系统的稳定运行

如果采用文献中提出的

这种水洗的方式

会带来二氧化碳再吸收的问题

而此外 这个流程中

它的烟气的热量

以及这个解吸器部分的热量

都没有得到充分的应用

那么 基于这样常规流程中

存在的一些问题

我们设计了我们的新型工艺流程

那么在原有的二氧化碳吸收

跟解吸的基础上

我们 采用加入预处理塔

氨洗塔以及净化塔

那么从电厂来的烟气中

我们考虑其中的主要成分

包括二氧化碳二氧化硫和氮气

那么在 其中二氧化硫

会从气相进入液相

从而在上部的液流中

构成了二氧化碳二氧化硫水

这样一个复合的体系

而在这个运输塔中

同时氨会发生挥发

因此从运输塔出来的气态中

会含有二氧化碳氨跟氮气

那么这部分气体会进入到

我的二氧化碳吸收塔里面

那么由于二氧化硫

在预处理塔中被处理

因此下面的回路构成的是

氨二氧化碳和水

这样一个简单的体系

而从吸收塔出来的气相中

会含有一定浓度的二氧化碳

以及高浓度的氨和氮气

那么这部分逃逸氨

它会在氨洗塔内被清洗

从而最终能够得到

主要为二氧化碳和氮气的

这样一个净化烟气

在解吸过程中

从解吸塔出来的净化 解吸器中

含有高浓度的二氧化碳氨跟水

这部分解吸器会在净化塔内

被液相冷却

那么其中水会冷凝

其中氨会容易液相

因此我们最终能得到

高纯度的二氧化碳的

这样一项产物

然后在运行过程中

二氧化硫会在上部的

这个液路中不断的累积

那么我们通过氧化跟结晶

我们最终可以得到

硫酸氨的这样一个副产物

那么这样一个新型的工艺流程

它具有3个主要的特点

首先 我们在氨的清洗

逃逸氨的清洗过程中

引入了二氧化硫负载

那么它强化了逃逸案的清洗效果

减少了清洗液的流量

而此外 在产物的进化过程中

我们采用接触式冷却的方式

它避免了结晶的发生

此外 液相中二氧化硫的负载

同时抑制了二氧化碳

在这个进化过程中再吸收

因为我们能够比较

保持比较高的产物的流量

第三点是在这个预处理塔中

我们整合了烟气脱硫

以及氨的再生过程

那么有效的利用解吸器的热量

这部分解吸器的数量

以及烟气的热量来实现了

逃逸氨的低耗再生

那么对于这样一个新

新型的流程

我们首先采用实验研究了

其的参数的一些影响规律

我们考虑 采用的实验设备是

塔基60毫米塔高一米的

这样一个填料塔

我们采用

在这部分采用的是对

预处理塔 氨洗塔 净化塔

这三个关键设备

进行单塔的序列运行

那么考虑到气相跟液相条件

总共得到45个工况点

我们对这个工况点的实验数据

我们以液相二氧化硫负载

这样一个量为代表

来说明它的一个分析的过程

那么可以 首先我们可以观察到

在预处理塔内 随着液相入口

液相二氧化硫负载的

这样一个增加

出口的液相氨的浓度

是持续下降的

那么 对于氨的预处理塔来说

我们希望保持它比较高的

氨的再生率

那么因此可以看到 高的入口

液相二氧化硫负载

是不利于我的预处理塔的

这个氨再生效果的

而同时 我们可以看到

出口液相二氧化硫负载

要比入口液相二氧化硫负载

稳定的高大概0.055摩尔左右

那么因此 在这种过程中

预处理塔保持了比较稳定的

这样一个二氧化硫的脱除效果

而对于氨洗塔说

可以看到同样随着

液相二氧化硫浮在的提高

这个出口液相氨浓度是下降的

而对氨洗塔 我们希望它出口的

气相氨浓度尽可能的低

因此 对于氨洗塔来说

我们希望入口中液相

能够保持比较高的二氧化硫负载

同时观察到 溶液中二氧化

二氧化硫的负载的存在

使得二氧化碳的吸收过程

受到抑制

因此出口的二氧化碳的

体积分数是不断增加的

那么这种抑制效果

在净化塔内表现得尤为明显

随着溶液二氧化硫负载的提高

净化塔出口的气相的

二氧化碳纯度以及二氧化碳流量

都发生了一个显著的增加

那么因此 对于净化塔来说

同样也希望保持其液相中

比较高的二氧化硫负载

相似的这样一个研究思路

我们用到了前面的参数

所有的参数中我们给出

这样一个概括性的结论

那么对于

首先对于液相氨浓度来说

我们发现在氨洗塔跟净化塔内

它不断地发生氨的

这样一个吸收过程

因此其液相氨浓度在不断的上升

而对于预处理塔来说

发生的是氨的再生过程

其液相氨浓度会不断的下降

而对于入口液相来

液相条件来说

我们希望氨洗塔跟净化塔的入口

液相氨浓度要尽可能的低

而对于预处理塔来说

则希望它尽可能的高

那么相似的结论

我们应用到了

其它的这样一个参数上

而对于气相的条件

我们发现这样一个流程

它能够处理比较高浓度的

这样一个逃逸的氨

但是高浓 逃逸氨浓度的增加

它是不利于我们后续

净化塔跟预处理塔的操作的

那对于烟气中的二氧化硫来说

这个流程对于高浓度的

二氧化硫具有

烟气具有非常好的处理效果

而且它二氧化硫浓度的增加

它是有利于我们的

氨洗塔跟净化塔的操作

那么在进行

这样一个实验的基础上

我们一方面得到了这种

参数的影响规律

另一方面我们得到了

可供于模型验证的

这样一个实验数据

因此我们建立了二氧化碳

二氧化硫水这样一个

复合体系的的模型

其中采取了两个假设

一是考虑二氧化硫的吸收反应

为瞬时反应

因此 二氧化硫相关的反应

不考虑在这个

数据控制反应的里面

此外 我们暂时不考虑烟气中的

氧气的这样一个氧化作用

那么 基于这样一个假设

我们建立的模型

首先 我们考虑了二氧化硫

二氧化碳水体系的

二氧化碳分压的数据

以及氨二氧化硫水体系的

气相总压和ph值的

这样一个数据

我们探讨了模型预测值

跟实验值的

这样一个对比的情况

那么可以看到还是出现了

比较好的这样一个吻合

进一步的我们采取

采用前面实验中提到的

这样一个实验数据

进行了一个数理模型的研究

提取了其中的气相氨浓度

二氧化硫 液相二氧化硫负载

和沿程的温度

这样一个三个关键量

可以看到对于45个工况点来说

绝大部分的数据还是出现了

一个比较好的符合

基于这样一个模型

我们进一步的对这样一个流程

进行了全流程的这样一个模拟

来对它进行了可行性分析

那么首先我们看

看到了这个预处理塔中的

这个氨的再生效果

和二氧化硫的这个脱除效果

可以看到

在没有额外的热量输入的情况下

这个流程实现了90%左右的

这个逃逸氨的再生

而剩下10%左右的逃逸氨

会在 会在液相中

与这个二氧化硫结合

停留在液相中

那么实现了这个逃逸氨的

高效的低耗的回收

而对二氧化硫的脱除来说

它一直保持了非常高的

二氧化硫这样一个脱除效果

而对于在清洗流程下的

二氧化碳的吸收过程

我们可以看到

对于占有率上来说

二氧化碳脱除效率

它迅速的达到稳定

且其需要高于

这样一个常规的工艺

而对于其沿程的组份分布

我们可以看到 在吸收塔内

其氨的 逃逸氨的浓度最高

能达到16000个pbm

那么 这么高的逃逸氨浓度

意味着氨的逃逸清洗装置

是不可避免的

前面提到了16000pbm的逃逸氨

它会在氨洗塔内被得到清洗

那么从这个流程中

我们可以观察到

在考虑的时间范围内

其氨洗塔塔出口的气相氨浓度

在一直保持在50个pbm以下

这保持的比较好的

这样一个氨的清洗效果

而从这个氨的浓度变化

我们看到

它的液相氨在稳定之后

是呈现一个先下降后上升的趋势

那么这种变化其实来源于

我的液相氨浓度的增加

以及液相二氧化硫负载

增加速度的

这样一个不匹配

那么当溶液中的氨的累积

那么需要匹配更高的

二氧化硫的负载

最后我们关注一下净化塔

那么对于净化来说

我们首先观察到

随着时间的进行

其一直保持了非常高的

这个气相的二氧化碳纯度

一直在98%以上

然后随着时间的进行

二氧化碳的这个流量

也在缓慢的增加

这波缓慢的增加

是来源于液相二氧化硫负载的

这样一个增加

而二氧化硫量的增加

就意味着我的能耗的下降

那么 这里给出了

常规工艺下的这个

系统的总能耗

系统的二氧化碳解吸能耗

以及新型工艺下的

系统总能耗的这样一个比较

可以看到

当采用这样一个新型工艺

能够将这个系统的总能耗

从原有的六兆焦

每公斤二氧化碳左右

降低到四兆焦

每公斤二氧化碳左右

显著的降低了体系的总能耗

那么因此我们认为

这样一个新型流程

它达成了我们预期的一些目标

包括它的气相

逃逸氨的这样清洗效果

包括二氧化碳脱除净化效果

以及二氧化硫的脱除效果

和这样一个氨再生过程

无热耗的这样一个预期目标

在进行这样可行性分析的基础上

我们进一步过考察了

这样一个新型流程的

这样一个能耗的表现

我们首先考虑它

考虑了液相中吸收氨的浓度

对于能耗的这样一个影响

我们首先观察到

对于随着吸收氨液

氨浓度的这样一个增加

再沸器的功率是下降的

也就是意味着氨浓度的增加

它是有利于我们的解吸过程的

但是氨浓度的增加 带来的

是我的逃逸氨浓度的

这样一个增加

因此会有大量的氨

从在氨洗塔内进入液相

这部分自由氨

会在净化塔内去结合二氧化碳

从而看到

我们看到二氧化碳的产物流量

也是呈现下降的趋势的

那么最后就会使得我的

二氧化碳解吸能耗

呈现一个相对稳定的

这样一个状态

而当随着液相氨

吸收液中氨浓度的增加

那么需要处理的氨的

逃逸氨的量会增加

那么因此有可能就会出现

这个在净化塔内

按照再生率不能达到 达到要求

那么这个时候

我们需要对这个预处理塔的

液相进行预热

那么这部分能耗我们引入

这部分能耗

我们当做氨的再生能耗来处理

那么我们观察可以看到

在这个二氧化碳解吸能耗

相对稳定情况下

氨的再生能耗

是会有一个上升的趋势

那么使得系统的总能耗

呈现了一个先略微下降

后上升的这样一个趋势

对于贫液负载和吸收温度来说

我们可以看到

贫液负载的增加

以及这个吸收温度的下降

都会带来系统总能耗的下降

那么最后考虑的参数

是这个解吸过程的压强

同样我们可以看到

随着解吸压强的增加

再沸器的功率是呈现下降的

在下降的趋势

那么基于前面的部分的研究

我们发现

这部分下降来源于显热的

在于气体热的下降

而由于我的净化塔运行在

与解吸塔相同的压力下

因此我们可以看到

二氧化产物流量

也是呈现一个下降的趋势

那么最终的效果使得

二氧化碳解吸能耗

呈现一个缓慢的下降

而我们前面提到

随着解吸压强的提高

其显热 其气体热的部分下降

那么因此进入到净化塔内的

热量就下降

那么因此我们同样需要引入

额外的这个氨的再生能耗

来保证我的氨的再生效果

那么同样可以看到

当解吸压强超过

大概七个拔左右之后

我们需要引入可观的

这样一个氨的再生能耗

来保证我的氨的效果

因此 因此系的

其系统总能耗也依然呈现出了

这样一个略微下降

或上升的这样一个趋势

那么 通过这样一个分析

我们发现这样一个新型流程

它在 它的 它的最低的能耗值

大概在二点六兆焦

每公斤二氧化碳左右

我们最后给出这样一个研究结论

我们首先 我们认为

本文提出这样的新型的

这样工艺流程

它实现了逃逸氨的

这样一个低耗再生

并且消除了解吸塔的解吸问题

而对于流程可行性的分析表明

这个流程它达成了我们的

诸多的一些目标

从能耗的角度我们发现

这样一个新型流程的应用

它使得系统总能耗

从四兆焦每公斤二氧化碳左右

降低到了二点六兆焦

每公斤二氧化碳左右

显著的降低了我们系统的

这样一个总的能耗

第三部的研究内容

是关于这个吸收剂的改良

主要考察氨哌嗪这样一种

混合吸收剂的这样一个效果

我们 我们建立了氨哌嗪

二氧化碳水体系的这样一个模型

然后利用热力学数据和实验数据

进行模型验证

然后对这样一个混合体系的

二氧化碳吸收 跟二氧化碳

解吸过程进行了一个模拟分析

然后最终给出了

能耗相关的研究结论

对于这样一个模型验证

我们跟前述相同

这就也再去不再赘述

那么对于热力学模型的预测

由于氨哌嗪这样一个

复合体系热力学数据的缺乏

我们采用的是哌嗪二氧化碳

水体系的二氧化碳分压

以及氨二氧化碳水体系的

二氧化碳分压和氨的分压

以及氨哌嗪水体系的氨的分压

这样一些数据

那么对于这样一个复合体系

我们现有的数据只有这个

四十度跟六十度时候的

吸收热的数据

我们同样对它进行了

一个模型预测值跟实验值的比较

那么可以看到

这样一个模型还是能够

比较好的来预测

氨哌嗪二氧化碳水体系力学性质

而对于其数理模型的预测

同样需要相关的实验数据的支撑

那么在已有文献中

依然缺乏这方面的数据

因此我们利用前述提到了填料塔

我们进行了这个氨哌嗪

复合吸收剂的这样一个吸收实验

那么考察了这个液相参数

对于我们的气相氨浓度

二氧化碳浓度

以及温度分布的影响

总共得到十六个实验工坊点

对于从这个实验 实验数据中

我们提取了二氧化碳的特殊

特殊效率

氨的气相浓度以及沿程的温度

这样三个关键的参量

对其模型预测值跟实验值的

对比情况进行了一个分析

那么可以看到

对于绝大部分的工况来说

这个模型还是能够比较合理的

来预测这样一个混合吸收剂

它吸收二氧化碳的过程

基于这样一个模型

我们探讨了其各个参数对于我们

系统运行的这样一个影响规律

那么首先 对于哌嗪来说

我们在氨水中引入不断

引入不同质量浓度的哌嗪

可以看到随着哌嗪的增加

二氧化碳的这样一个

特殊效率是显著的上升的

同时带来的是这个氨的

逃逸浓度的上升

那么逃逸 氨逃逸浓度的上升

被认为来源于两个方面

一方面是哌嗪的增加

会使得二氧化碳吸收量增加

从而导致沿程的这样一个温度

是增加的

此外 由于哌嗪

与二氧化碳的快速反应

使得在吸收塔的上部

出现了比较高的

这个自由氨的浓度

那么因此 温度的升高

以及自由氨浓度的升高

共同导致了我的

氨的逃逸量的也增大

相似的我们考虑了

这个液相的氨的浓度液气比

以及贫液温度

和贫液二氧化碳负载

它对于我们吸收过程的一个影响

那么同时我们采用

我们引入这样

作为基准mea这种物质的

它的形成一个对比

那么可以看到 操作参数

对于氨哌嗪中

混合吸收剂的这个影响

它具有与氨水相似的

这样一个规律

那么高的哌嗪浓度

高的氨的浓度 高业绩比

低反应温度 低二氧化碳负载

都会增加二氧化碳的吸收量

但是哌嗪的加入会使得

优化工况存在一些差异

而此外 我们发现

5%的氨水加上5%的哌嗪的

这样一个混合吸收剂

它能够达成以30%质量浓度

与mea相似的

这样一个吸收效果

对于吸收效果的影响

会反映到我们的能耗上

那么从这里我们首先观察了

常规的这样一个

氨法脱碳流程下

它的能耗随着哌嗪浓度的

增加的一个情况可以看到

随着哌嗪浓度的这样一个增加

其二氧化碳解吸过程

所需要的显热气体热

跟反映热都会

呈现一个略微下降的趋势

从而导致我的二氧化碳解吸能耗

出现一个显著的下降

但是我们前面提到这个

哌嗪的加入会使得

逃逸氨的量是增加的

因此 我们可以看到

在二氧化碳解吸能耗下降的同时

氨的再生能耗

出现了一个显著的上升

那么因此最后导致

我的系统总能耗呈现一个

随哌嗪浓度增加

而上升的这样一个趋势

那么因此从常规能耗的角度来说

在常规的工艺下

我们认为哌嗪的加入

它是不利于我们能耗的降低的

但是 在我们前面提的第二

第二部分提出的新型流程下

我们可以看到同样

在取得哌嗪的加入

导致的这个再沸器功率的下降

意味着这样一个吸收过程的强化

有利于它的解吸过程

但是同样哌嗪的加入

使得这个逃逸氨浓度增加

因此在净化塔内

二氧化碳再吸收量是增加的

因此二氧化碳产量也是下降的

因此 最后导致的二氧化碳

解吸能耗出现了一个

略微下降的趋势

而对于氨的再生能耗来说

我们同样看到 当哌嗪的量

超过一定的值之后

我们就需要引入额外的

这样一个氨的再生能耗

来保证氨的再生效果

那么因此 对于其总能耗来说

呈现了一个先下降后上升的

这样一个趋势

那么最低的能耗能够从

原有的2.6大概降

降低到大概2.47兆焦

每公斤二氧化碳左右

那么因此我们最后给出

这部分的这样一个研究结论

我们认为

本文建立的氨哌嗪二氧化碳水

这样一个体系的数据模型

还是能够比较好的来预测

二氧化碳的吸收过程

而哌嗪的加入会使得

二氧化碳的吸收速率增大

然后同时导致了这个

氨的逃逸量的显著增大

而从能耗的角度

哌嗪的加入会降低体系的

显热气体热和反映热

从而降低二氧化碳解吸能耗

但是同时带来了氨再生能耗的

这样一个显著的上升

那么在常规的氨法脱碳工艺下

会随着总能耗不断升高

但是在新型工业下

它能够进一步的降低到

大概二点四一兆焦

每公斤二氧化碳左右

最后一部分的研究内容

是关于经济性分析

那么我们再确定了

电厂的条件的基础上

我们考察了三种不同的

氨法脱碳工艺

包括常规流程下的氨法脱碳工艺

以及新型流程下的氨法脱碳工艺

和新型流程下的氨哌嗪

这种混合吸收剂的

氨法脱碳工艺

然后对于我们电厂的发电效率

以及发电成本的这样影响

那么对于电站来说

我们选取了这个

美国能源信息管理局提出的

六百五十兆瓦的超临界燃煤电站

作为基准的这样一个

那个一个电站

那么考虑到在燃煤电站

加装氨法脱碳装置之后

对于系统的影响

包括蒸汽的

蒸汽的消耗以及系统的电耗

我们 我们对

如果对这些部分进行计算

如果能计算得到的话

我们就能够知道

加装碳捕集电站之后

这样一个燃煤电站的

这样一个发电情况

我们首先考察了

这样一个常规的流程

电厂烟气在经过脱硝除尘

和脱硫之后

会进入到二氧化碳的处理部分

然后从二氧化碳处理部分

出来的烟气中

会进入到氨的处理部分

然后最后得到了氨的产物

会进入一个压缩的部分

那么对于这样一个流程来说

我们分别计算了其电站的部分

烟气处理部分 二氧化碳处理部分

氨处理部分和压缩部分

以及其它设备的

这样一个电量的消耗

那么通过这样电量的消耗计算

我们就能发现

在燃煤电厂加装碳捕集装置之后

会使得它的净发电效率

从原有的38.9%降低到27.8%

出现了一个显著的一个下降

而从它这个电耗的来源分布

我们可以看到

首先二氧化碳解吸过程的

整体消耗占比是最大的

占到52% 是降低

因而它成为降低电耗的

这样一个主要的方向

我们经过简单计算可以发现

解吸能耗降低一兆焦

每公斤二氧化碳的话

电厂的净发电效率

将提升大概两个百分点

而此外 我们也发现氨的再生能耗

它进一步的增大了我们这个

氨法脱碳的这样一个

蒸汽的消耗

大概占到百分之六左右

而此外 为了控制氨的

这样一个逃逸

我们在这个常规流程中

需要采取比较低的反应温度

那么这样一个操作带来了

比较高的这样一个

制冷的电耗 大概达到17%

而此外 同样最后我们也观察到

压缩过程中电耗也比较高

因此如果来拓展

低压二氧化碳产物的

这样一个应用的途径

将有利于降低这部分的一个电耗

相似的这样一个分析过程

我们应用到了这个新型流程的

氨法脱碳工艺的分析上面

需要说明的是

由于这个这样一个新型工艺

它能够处理烟气中二氧化硫

那么因此 也有电站中的脱硫塔

是被去除掉了

它的消耗的电能以及消耗的成本

都会从这个电站中折算就扣除掉

那么对于这样一个工艺流程

我们发现它的净发电效率

从原有的38.9%降低到了30.3%

那么从这个电耗的分布来看

我们发现

蒸汽消耗 压缩电耗

和制冷的电耗

依然是电耗的最大的来源

而同时我们发现

氨的再生能耗 它只占0.2%

因此 这个这样一个流程

它确实是实现了逃逸氨的

低耗的再生过程

我们 我们最后进行一个对比

我们可以看到

对于我们涉及到的三种的

氨法脱碳工艺

我们的电站净进发电效率

分别从38.9%降低到了

28.7% 30.3%和30.9%

而对于其这个

这样一个电耗来源的

分布的对比情况

我们也看 可以看到

新型流程一下

蒸汽消耗显著下降

它来源于

二氧化碳解吸能耗的下降

以及氨再生能耗的这样一个下降

同时会发现 新型流程下

制冷的电耗 以及这个泵耗

都是出现了下降

它来源于我这个

循环流量的一个降低

此外我们也发现

混合吸收剂的应用

它进一步的降低了

我的系统的电耗

因此强化吸收是

降低电耗的有效的方式

在进行前述的这个

发电效率的分析的基础上

我们可以进行这个

发电成本的这样一个分析

采用经济性评价的方法

那么我们得到了电厂部分的

这样一个发电成本

和碳捕集部分的这样一个成本

首先 电厂部分我们考虑

采用的是这样EIA的

研究的结论给出

那么碳捕集部分

我们主要关注的是设备的投资

那么这部分采用aspen的

这样一个基础模块来进行计算

对于固定运行成本 我们考虑

我们采用的

这文献中广泛采用的

这样的设备投资的3.5%

对与可变型成本

基于前述的这样一个能耗的研究

可以得到它的溶液消耗

以及它的电能消耗

然后精异形评价的指标

我们考虑了品种

平准化的发电成本

和二氧化碳的规避成本

这样两个关键的指标

同样的我们对于其涉及到的

烟气处理部分二氧化碳处理部分

氨处理部分和压缩部分等

各个部分的材料成本

和人工成本进行单独的核算

那么最后能够得到

这样一个脱碳装置的

它的总的建设成本

我们首先针对电厂的条件

我们可以得到电站在这个

没有氨装脱碳系统之前

它的平准化发电成本大概在

平准化发电成本

大概在七十二左右 美金左右

那么在对于加装脱碳装置之后

它的平准化发电成本

上升到了一百二十三点一

而二氧化碳

基于这样两个平准化发电成本

我们就可以计算到

得到二氧化碳规避成本

因此我们可以看到

二氧化碳捕集系统的增加

会使得电站的建设成本

上升百分之二十四

运行成本增加约百分之二十八

净发电量下降百分之二十九

同时带来了平准化发电成本的

显著上升 大概增加百分之七十一

对应的二氧化碳规避成本

大概在八十三美金

每吨二氧化碳左右

那么折合大概是五百人民币

这样每吨二氧化碳

最后我们也进行了这样

我们前期提到三种的工艺的

这样一个对比

我们可以看到

首先我们可以看到

对于绿色的部分

也就是新型流程下的

氨哌嗪混合吸收剂的应用

它具有最低的二氧化碳规避成本

和平准化发电成本

因此氨哌嗪混合吸收剂的应用

它能够提高这样一个

技术的经济性

而此外

我们以常规流程相比的话

采用新型流程会使得我的

碳捕集电站的建设成本

跟运行成本都略有上升

也就是红色跟绿色部分

会比蓝色的部分要高

但是它带来的效果

却是我的平准化发电成本

跟二氧化碳规避成本

都是要并且下降的

那么这样一个矛盾性的结果

它其实是来源于碳捕集系统的电耗

对于碳捕集成本的这个显著的影响

事实上 我们对于各个

这样一个关键性的参量

对于进行灵敏度的分析可以看到

当这些参数变化

正负百分之十的时候

对于二氧化碳规避成本的

这样一个影响 可以看到

相比于碳捕集电站

碳捕集系统的这样一个

建设成本和运行成本来说

碳捕集系统电耗具有

具有对二氧化碳规避成本

具有更为显著的这样一个影响

那么因此最后我们给出

关于经济性分析那部分的结论

我们认为在燃煤电站加装

二氧化碳的捕集装置

会导致电站发电效率的

这样一个显著下降

那么脱碳系统的电耗

主要来源于增益电耗制冷电耗

和产后压缩

那么因此 这样一个碳捕集装置

在电厂的应用受到了很大的挑战

同样 同时我们认为

新型流程下的氨法脱碳工艺

它带来了蒸汽消耗量的下降

同时带来了系统的冷却复合

输液泵电耗的下降

因而相比于常规工艺来说

更具有优势

而从成本的角度我们发现

本文的新型流程

它会使得我电站的这样一个

建设成本和预期成本都略有上升

但是它会带来平准化发电成本

和二氧化碳规避成本的

这样一个显著的下降

这个报告最后给出我们

本文的研究结论和创新点

那么研究结论我们

我们认为有些氨的再生能耗

对于氨法脱碳工艺

它有着显著的影响

而此外

我们认为流程优化

是提高氨法脱碳工艺技术

技术积极性的它的有效的手段

它能够显著地降低

碳捕集电厂的发电效率损失

和发电成本

而最后第三点

我们认为

氨哌嗪混合吸收剂的应有

它有赖于有效的逃逸氨

低耗再生方案的提出

因为我们发现氨哌嗪

这样一个体系 它的降价

它会降低二氧化碳的解吸能耗

但是同时会增加氨的再生能耗

那么 在常规流程下

它会使得系统总能耗上升

那么为了应用这种混合吸收剂

它就有赖于有效的

逃逸氨低耗再生方案的

这样一个提出

那本文的创新点同样也是三点

第一点 揭示了氨法脱碳工艺

关键参数对系统能耗的影响规律

那么第二点提出了一种

新型的氨水溶液脱除

二氧化碳的这个工艺流程

第三点发现了氨哌嗪

这种混合吸收剂

脱除二氧化碳能耗的变化规律

最后是在一个文章的发表情况

在博士阶段我共发表

以第一作者身份发表六篇sci文章

一篇ei文章和一篇核心期刊文章

谢谢大家 欢迎批评指导