王偉健

（中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257000）

全球氣候變暖問題非常嚴峻，已經(jīng)成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，控制溫室氣體排放以緩解氣候變化成為目前國際社會關(guān)注的熱點。2020年9月22日，第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上指出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和”。在眾多溫室氣體減排技術(shù)方案中，二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）是一項可實現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的技術(shù)，被稱為實現(xiàn)碳中和的“兜底技術(shù)”。

電廠鍋爐、鋼鐵廠、水泥廠、煉廠等均可產(chǎn)生低分壓、低濃度CO2煙氣；在中國，燃煤鍋爐是CO2的主要排放源，同時，具有集中及固定的特點，是碳捕集的主要對象。目前，國內(nèi)最大的碳捕集項目國華錦界電廠15萬噸/年碳捕集項目已經(jīng)投運成功，國電泰州電廠50萬噸/年碳捕集項目已經(jīng)啟動建設(shè)，甘肅隴東能源公司150萬噸/年二氧化碳捕集利用與封存研究及示范項目也在策劃實施中。

對于我國，發(fā)電廠豐富的CO2資源對開展CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)具有獨特優(yōu)勢，加快建設(shè)百萬噸級CCUS項目，打造系統(tǒng)CCUS大規(guī)模樣板工程，對提高中國CCUS技術(shù)能力和“雙碳”目標實現(xiàn)具有重要意義。

1 二氧化碳捕集吸收多功能塔

針對百萬噸級低分壓CO2捕集工程，水洗塔、吸收塔等大型塔器的設(shè)計和制造是一項難度大并且具有挑戰(zhàn)性的工作。目前，國外僅有兩個百萬噸級低分壓CO2捕集工程應(yīng)用案例，其反應(yīng)塔器都是分體設(shè)計和建造的，塔器系統(tǒng)龐大、煙道安裝空間大，國內(nèi)尚未有百萬噸級低分壓CO2捕集工程的應(yīng)用案例。美國140萬噸/年的新佩特拉碳捕集項目和加拿大100萬噸/年的邊界壩碳捕集項目則借鑒了脫硫塔和冷卻塔的設(shè)計制造經(jīng)驗，將吸收塔設(shè)計為方塔形式。方塔較之圓塔主要優(yōu)勢在于，方便采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，填料加工難度小，造價相對經(jīng)濟，塔內(nèi)件分塊類型較少，同類型之間可替換，設(shè)計、制造及安裝方便。

二氧化碳捕集吸收多功能塔是在二氧化碳捕集工程分塔模式基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化設(shè)計，主要用于二氧化碳捕集系統(tǒng)，吸收CO2在二氧化碳捕集系統(tǒng)中是一個重要環(huán)節(jié)，包含水洗段、吸收段、冷洗段、熱洗段。

以小試試驗裝置（5800mm×2400mm）為例，具體工藝流程為：來自界外的煙氣由水洗段下部煙氣進口a進入塔內(nèi)，與水洗段的噴淋堿洗水接觸；同時，溫度降至45℃，然后，經(jīng)百葉窗進入多功能塔吸收段，與從塔頂噴淋而下的貧液進行傳質(zhì)傳熱，脫除煙氣中的CO2，然后依次進入冷洗段、熱洗段洗滌后返回界外（圖1）。

圖1 二氧化碳捕集吸收多功能塔結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 水洗段

水洗段設(shè)置有水洗床、干床、捕霧床、堿洗水進口與堿洗水出口；水洗段作用為去除煙氣中的SO2及部分NOX，為了保證脫硫效果，吸收多功能塔堿洗水呈堿性，可在洗滌水管線中加入少量氫氧化鈉。水洗床作用為相當于氣液分布器，是液體與煙氣接觸更加充分。

2.2 吸收段

吸收段設(shè)置有吸收床、干床、貧液進口與富液出口；吸收段作用為吸收煙氣中的CO2,煙氣從煙道進入多功能塔吸收段，與從塔頂噴淋而下的貧液進行傳質(zhì)傳熱，脫除煙氣中的CO2，貧液為復(fù)合胺溶液，富液為吸收CO2后的復(fù)合胺溶液。

2.3 冷洗段

冷洗段設(shè)置有冷洗床、捕霧床、冷洗水進口與冷洗水出口；冷洗段作用為洗掉煙氣中的胺溶液，有效控制了胺逃逸，減少了藥劑損耗。

2.4 熱洗段

熱洗段設(shè)置有導(dǎo)流床、熱洗床熱洗水進口、熱洗水出口與煙氣出口；熱洗段作用為脫除CO2的煙氣經(jīng)過熱洗，可以帶走系統(tǒng)內(nèi)部水分，使系統(tǒng)內(nèi)水分降低，有效減少藥劑損耗。

3 設(shè)備特點

二氧化碳捕集吸收多功能塔器集原料氣深度凈化、CO2吸收反應(yīng)、吸收溶劑逃逸控制、系統(tǒng)水平衡控制等功能于一體的新型二氧化碳捕集吸收多功能塔。相比傳統(tǒng)分塔模式，新型多功能塔簡化了工藝流程，降低了占地面積；并設(shè)置通過高溫堿性熱水洗滌，控制排煙溫度和系統(tǒng)的水平衡的同時回收部分吸收劑，減少了吸收劑損耗。

4 結(jié)語

新型多功能塔雖然相比傳統(tǒng)分塔模式，簡化了工藝流程，降低了占地面積。但由于是首次采用此結(jié)構(gòu)，且為特大型塔器，在進行工程應(yīng)用前，需針對一些關(guān)鍵問題開展研究，以指導(dǎo)工程設(shè)計：一是多功能吸收塔存在諸多拐角，設(shè)置較多折流板可能會增加局部阻力，需優(yōu)化塔內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及通道，選取最佳填料布置位置和高度，降低煙氣的全程流阻并確定流阻大小，便于風(fēng)機選型；二是由于多功能吸收塔流動通道復(fù)雜，進料點較多，塔徑較大，需開展氣液分布器優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)氣液均布從而有效傳熱傳質(zhì)，保證塔效；三是內(nèi)構(gòu)件支撐件跨度較大，需要進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度核算，確保長期穩(wěn)定支撐。