开发适用于澳大利亚条件的基于氨水的 PCC 技术 ： 使用氨水对 SO2 和 CO2 进行联合捕获的过程建模

1能源旗舰澳大利亚条件下基于氨水的 PCC 技术开发使用氨水组合捕集 SO2 和 CO2 的过程建模海宇CSIRO 能源技术PO Box 330, 纽卡斯尔, 新南威尔士州 2300, 澳大利亚李立春 ， 马塞尔 · 梅德纽卡斯尔大学化学系 ， 新南威尔士州卡拉汉 2308 ， 澳大利亚李康康 ， 摩西 · 塔德科廷理工大学化学工程系项目编号:3-0911-0142项目开始日期:15/06/2012项目结束日期:30/09/2015报告期间:30/03/2013 - 30/09/2014 2版权和免责声明© 2014 CSIRO 在法律允许的范围内 ， 保留所有权利 ， 除非获得 CSIRO 的书面许可 ， 否则不得以任何形式或任何方式复制或复制版权涵盖的本出版物的任何部分。重要免责声明CSIRO 建议本出版物中包含的信息包括基于科学研究的一般性陈述。建议读者并需要意识到此类信息可能不完整或无法在任何特定情况下使用。因此，在没有事先寻求专家专业、科学和技术建议的情况下，不得依赖或采取行动。在法律允许的范围内，CSIRO （ 包括其员工和顾问 ） 不承担因使用本出版物 （ 部分或全部 ） 和其中包含的任何信息或材料而直接或间接产生的任何后果，包括但不限于所有损失、损害、成本、费用和任何其他赔偿。 3Acknowledgement作者希望感谢 CSIRO 能源旗舰和澳大利亚国家低排放煤炭研究与开发 （ ANLEC R ＆ D ） 提供的财政援助。澳大利亚煤炭协会低排放技术有限公司和澳大利亚政府通过清洁能源倡议支持 ANLEC 研发。作者还感谢 Alle Lowe 博士和 Athoy Calle 先生对本报告的审查并提供意见和建议。 4目录1执行摘要 72燃烧后捕集溶剂开发的最新进展 93导言 134项目范围 165方法和方法 196结果与讨论 317结论 558未来工作 569 附录 - 状态里程碑错误! 未定义书签。数字列表图 1 (a) 具有和不具有 CCS 的新工厂的平衡电力成本 (LCOE); (b) 具有基于胺的 CCS 的增量 LCOE (结果源自 (a)) 。具有先进的基于氨的 CCS 的估计增量 LCOE 也包括在 (b) 中, 以证明使用基于氨的 CCS 的潜在益处。在这项工作中进行了估计，并基于可以实现氨 CCS 的预期进步的假设 13 。图 2每个基于速率的模型的离散双薄膜模型示意图阶段 ....................................................................................................21图 3 Munmorah 中试装置的简化流程图 ， 两个塔并联运行 23图 4 氨水捕集 CO2 的 SO2 脱除和 NH3 再循环联合工艺 25图 5 实验装置示意图 27图 6 实验总压和预测数据在各种氨浓度和温度下作为 CO2 摩尔浓度函数的比较。实验数据 (点) 来自 G _ ppert 等人 (1988) 和 Kurz 等人 (1995) 31图 7 在各种 NH3 浓度和 （ a ） T = 333K; （ b ） T = 353K 下 ， 实验 （ 点 ） 和预测 （ 线 ） CO2 分压随 CO2 摩尔浓度变化的比较。实验 CO2 分压结果来自 G _ ppert 等 （ 1988 ） 。 32图 8 在氨浓度为 6.3 mol / kg H2O 和 313 K 时 ， 实验 （ 点 ） 和预测 （ 线 ） 液体物质分布随 CO2 摩尔浓度变化的比较。实验结果来自 Lichtfers [25] 32图 9 不同温度下 （ a ） mNH3 = 3.19 mol / kg H2O ， （ b ） mNH3 = 6.08 mol / kg H2O 的 NH3 - SO2 - H2O 总压力 ， 模型数据和 Rumpf 等人的实验数据 [26] 33图 10 在不同 NH3 / SO2 （ N / S ） 摩尔比和 293 K 下 ， SO2 浓度的函数下溶液的 pH 值。实验数据来自 Scott ＆ McCarthy （ 1967 ） 33图 11 预测和测量的 NH3 - CO2 - SO2 - H2O 系统的 CO2 分压作为在各种 SO2 负载 （ SO2 与 NH3 的摩尔比 ） 和 5 wt ％ 的氨浓度下的 CO2 摩尔浓度的函数。 （ a ） 293 K ， （ b ） 313 K 和 （ c ） 333 K 。实验数据从 Qi （ 2014 ） 34 获得图 12 在表 9 列出的条件下 ， 中试工厂测试和基于速率的模型之间 （ a ） CO2 吸收速率和 （ b ） 氨损失率的比较 535图 13 在表 3 列出的条件下 ， 通过实验获得并从基于速率的模型预测的能量需求的奇偶校验图 38图 14 表 10 所列条件下测得和预测的汽提温度的奇偶校验图.......................................................................................................................................................................图 15 实验测量的产物流中氨浓度的平均值和从模拟 41 获得的值的奇偶校验图图 16 中试装置数据与模拟结果的比较 (a) 溶液 pH; (b) 气体 SO2 浓度; (c) 气体氨浓度; (d) 气体 CO2 流量出口 43图 17 (a) NH3 再利用效率和排放浓度 (b) SO2 去除效率和排放浓度作为循环次数的函数 43图 18 预处理塔出口处主要含 SO2 物质的浓度与循环次数的关系 44图 19 (a) NH3 去除效率和 (b) 温度曲线作为填充高度的函数 45图 20 （ a ） 液体和气体温度曲线 ， （ b ） SO2 去除效率和 NH3 再循环效率 ， （ c ） 溶液 pH 曲线 ， （ d ） N / S 比曲线作为填充高度的函数 46图 21 （ a ） SO2 和 CO2 的去除效率以及 （ b ） 塔出口处的 SO2 浓度与在各种 SO2 入口浓度和 313 k （ 40 °C ） 温度下的 （ NH4 ） 2SO3 浓度的函数 47 。图 22 (a) SO2 和 CO2 的去除效率和 (b) 在两个温度 (25oC 和 40oC) 和入口 SO2 浓度为 445ppm 时出口 NH3 浓度与 (NH4) 2SO3 浓度的函数关系 CO2 入口浓度为 10.4% 48图 23 (a) NH3 去除效率和 (b) 在 10 和 25 °C 下作为 (NH4) 2SO3 浓度的函数的柱出口处的 NH3 浓度入口处的 NH3 浓度约为 2000ppm, CO2 入口浓度为 2.0% 48图 24 在 288 K 的温度下 ， 氨与脯氨酸钾的混合物中 CO2 的传质系数与 CO2 负载量的关系。在 313 K 49 下获得了 30 ％ MEA 的数据图 25 在 288 K 的温度下 ， 氨与哌嗪的混合物中 CO2 的传质系数随 CO2 负载量的变化。在 313 K 50 下获得 30 ％ MEA 的数据图 26 在 288 K 的温度下 ， 氨与 2 - 甲基哌嗪的混合物中 CO2 的传质系数随 CO2 负载量的变化。在 313 K 50 下获得 30 ％ MEA 的数据图 27 在恒定的 CO2 负荷 [CO2] / [NH3] = 0.3 和使用不同的 k7 值下 ， 不同浓度 PZ 的传质模型估计值 KG （ 实线 ） 与湿壁测量值 （ 菱形 ） 的比较........................................................................................................................52表列表表 1 近期燃烧后 CO2 捕集技术的最新发展 9表 2 NH3 - CO2 - SO2 - H2O 体系中的化学反应和平衡常数 20表 3 NH3 - CO2 - SO2 - H2O 系统中反应的动力学参数 k 和 E 22表 4 柱内径和填料高度 23表 5 典型进口烟气成分 23 6表 6 实验条件总结 24表 7 SO2 去除实验中的实验活动和观察结果。烟气流量 = 936 kg / h ， CO2 流量 = 120 kg / h ， SO2 浓度 = 约 200 ppmv ， 液体流量 = 39 L / min ， 气体入口温度 = 35 - 38 oC ， 入口洗涤水温度 = 25表 8 电站烟气和 CO2 吸收器 26 的性质表 9 在吸收器 36 中的各种实验条件下进行的基于速率的模型预测和中试试验结果汇总表 10 在各种实验条件下在汽提塔中进行的基于速率的模型预测和中试试验结果摘要 39 71执行摘要该研究项目的重点是开发基于先进的氨水 （ NH3 ） 的燃烧后捕集 （ PCC ） 技术 ， 以大大减少澳大利亚燃煤发电站的 CO2 排放。目前, 可商购的 PCC 技术主要基于烷醇 / 烷基胺溶液。该技术将使发电厂效率降低 25 - 30%, 并且涉及大量的资本 / 投资成本, 包括澳大利亚发电厂未安装的昂贵的烟气脱硫。作为有前途的溶剂, 氨水具有优于基于胺的捕获技术的许多优点, 包括在 O2 存在下不降解、比单乙醇胺 (MEA) 更高的 CO2 吸收能力、低再生能量。它还具有从燃煤电厂的烟气中捕获氮氧化物 （ NOx ） 和二氧化硫 （ SO2 ） 的潜力，并生产增值化学品，例如硫酸铵和硝酸铵，它们通常用作肥料。该研究项目基于 CSIRO PCC 中试工厂试验，在 Delta Electricity 的 Mmorah 电站的 700 万美元 AUD 中试工厂中，在实际烟气条件下使用基于氨水的液体吸收剂，以及该领域正在进行的工作。中试工厂试验证实了该工艺的技术可行性，并证实了一些预期的好处。中试工厂试验还强调了在 PCC 工艺中使用氨水时的一些问题。这些包括相对低的 CO2 吸收速率和高的氨损失。这些问题目前限制了基于氨水的 PCC 方法的经济可行性。此处提出的研究策略是扩展 CSIRO 先前开发的许多新颖方法，以解决已发现的问题并使该过程在经济上有利。在这个项目中进一步探索的这些新方法包括通过引入添加剂来提高 CO2 吸收速率，联合去除 SO2 和 CO2 以及回收氨，以及在压力下吸收以进一步增强 CO2 吸收并抑制氨损失。此外，该研究项目将结合实验和建模方法，为基于氨水的捕获过程开发严格的基于速率的模型，该模型允许可靠的过程模拟，优化和扩大规模。该研究项目的成果将包括在 CSIRO 位于纽卡斯尔的工艺开发设施中，以至少 10 g / h 的 CO2 捕集速率演示基于先进氨水的 PCC 。该先进技术有望实现与基于 MEA 的标准解决方案相媲美的 CO2 吸收速率，将发电厂效率损失限制在 20 ％ 以下，并实现 SO2 的联合去除和氨的回收以产生硫酸铵，并消除额外的烟气脱硫并减少洗涤水的消耗。与最先进的基于胺的 PCC 技术相比，综合成果将使先进技术能够显着降低电力的增量平稳性成本。该项目计划为期三年 ， 分为 6 个阶段。本报告总结了项目的进展 ， 并介绍了阶段 4 获得的结果。 8在 Aspen Plus ® 中开发了一种严格的基于速率的 NH3 - CO2 - SO2 - H2O 系统模型 ， 并通过 Munmorah 电站公开文献和中试试验的实验结果进行了验证。该模型可以令人满意地预测填充塔中的 CO2 吸收 ， CO2 解吸和 SO2 去除。我们已经提出了一种用于组合 SO2 去除和氨再循环的新颖且有效的方法, 其可以与基于氨水的 CO2 捕集方法