近些年,全球变暖所导致的气候变化正引起人们的广泛关注。人为二氧化碳排放导致大气中二氧化碳浓度急剧增加,进而加剧了温室效应,导致全球变暖。全球范围的温度升高将导致海洋升温、极地冰团融化和蒸发量上升,这些影响正在产生一些实质性后果,如天气模式的剧烈变化、海平面上升以及极端天气事件的可变性增加等。这些灾难性后果正在人类社会和生态系统中显现出来,如果不采取措施,将产生不可挽回的损失。而温度升高的主要原因是大气中二氧化碳等温室气体浓度的升高。针对二氧化碳,现有文献已进行了广泛的研究。碳捕集和封存技术（CCS,Carbon Capture and Storage）是实现人为碳减排的关键技术,在降低大气二氧化碳浓度中发挥着重要作用。其中,胺溶剂化学吸收法碳捕集技术是短期内实现碳减排的最有效技术之一,属于燃烧后捕集技术。本文从实验和仿真的角度对胺溶剂化学吸收法进行了研究。在实验部分中,从不同方面讨论了化学吸收法能效提升方法;仿真部分中,建立乙醇胺（MEA）吸收法碳捕集流程,并对实验与仿真结果进行比较。从本文中综述可知,在2015-2035年内,由于世界范围内经济水平提升和人口的爆炸性增长,各地平均能源需求增长将超过33%。由于国家发展预算的不合理,以及农村人口大规模迁移到城市的社会现实,能源需求扩大尤为严重。目前,大部分地区,化石能源依旧占据着电力生产所需能源的很大比例。随着电力需求的增加,化石燃料燃烧所带来的副作用也会增加,导致全球范围内的环境变化,包括全球变暖等灾难性气候变化,此外,人类也会面临煤、石油和天然气等传统能源枯竭。如果未采取强硬措施,二氧化碳的持续排放将使世界平均气温上升3.6°C,进而对财政、社会、政治和农业等人类社会各方面产生严重负面影响。另一方面,温室气体排放的主要来源是二氧化碳,其中二氧化碳排放中60%来自于使用不可再生能源的电厂,而它们提供约67%电力,其中煤炭、天然气和石油的贡献率分别约占41%、21%和5%,预计从2010年到2020年,二氧化碳排放将增长18%。因此,有必要采取措施减少二氧化碳排放。碳捕集技术是实现主动碳减排的主要技术手段,而燃烧后捕集是其中最为成熟的技术方法。燃烧后捕集技术可以直接补充到电厂或工业排放系统（水泥工业和钢铁生产等）,而不需要对电厂的整体结构进行规模化的改造,因此短时间内,现有发电及工业场景下,该技术是实现有效碳减排最有潜力的技术。在燃烧后捕集中,碳源为低压（约1 bar）和低浓度（体积分数3%-20%）的烟气,排放的烟气通常处于高温（120℃-180℃）条件下,且含有杂质SO_x和NO_x等。水泥、钢铁生产也产生大约0.1 bar的气流,二氧化碳含量在14%-33%之间。化学吸收法碳捕集技术是一种从燃烧后烟气中捕集二氧化碳的理想方法,是目前最接近商业化应用的碳捕集技术,已经历了较长时间发展研究,该方法适用于中低分压下的二氧化碳（体积分数3%-20%）捕集。随着社会对碳捕集技术的重视,该方法也引起了研究者的广泛关注,尤其对于电厂等大型二氧化碳排放源,具有广阔的应用前景。图1基于化学吸收的碳捕集工艺示意图图1是典型的化学吸收法碳捕集流程示意图。电厂锅炉排放的烟气经脱硫脱氮预处理后,经底部入口进入吸收塔。贫液吸收剂在吸收塔顶部喷射而下,自上而下与烟气相互接触。烟气中的二氧化碳通过气液界面的传质作用转移到液相,然后与吸收剂发生化学反应,形成富液。吸收二氧化碳后,富液经富液泵被泵入解吸塔顶部,并自上而下与蒸汽接触。二氧化碳在化学势差的驱动下由液相进入气相,这个过程被称为“汽提”。在塔顶处,混合气（包括二氧化碳和蒸汽）经过冷凝和回流后实现二氧化碳与蒸汽的分离。最终,二氧化碳通过压缩机压缩和管道输送可用于石油开采等。整个过程实现了低浓度烟气中二氧化碳的分离,此外,解吸塔中的蒸汽由再沸器加热溶液产生,再沸器的能耗可由电厂的汽轮机抽汽提供。去除二氧化碳后,贫液经贫液泵被泵入热交换器,经冷却后进入吸收塔,开始下一次循环。化学吸收剂多选用碱性吸收剂,如醇胺类、无机盐类、氨水、氨基酸盐等。目前,应用逐渐成熟的化学吸收剂是烷醇胺类。作为一种酸性气体,二氧化碳可以和碱性吸收剂发生反应,因此,吸收剂的碱性有利于反应的进行。增加吸收剂的碱性,可提高反应速率,中和更多的酸性气体,从而增加吸收剂的吸收容量。化石燃料燃烧亦会产生二氧化硫等酸性气体,而烟气中的二氧化硫可以和吸收剂发生反应并生成不必要的副产物,从而影响二氧化碳的吸收,因此有必要保持烟气中较低的二氧化硫含量水平。一般烟气处理系统会吸收烟气中的二氧化硫,该过程被称为烟气脱硫。在烟气脱硫过程中,填料床吸收塔中石灰浆与烟气相接触,从烟气中脱除二氧化硫,同时,石灰浆也会中和其它形式的酸。合理的二氧化硫含量水平可有效降低成本,使得增加吸收剂以维持合适的吸收剂含量所需代价低于脱硫装置代价。除了二氧化硫外,对烟气的预处理还包含其它杂质,例如颗粒物,其它硫氧化物及氮氧化物等,预处理后的烟气经溶液吸收解吸后可获得高浓度二氧化碳流,然后将其压缩并运输应用。烟气进入吸收塔前须经冷却过程以实现较低温度,促进吸收过程的进行。本文所研究的二氧化碳捕集方法为化学吸收法,使用的吸收剂为乙醇胺（MEA）溶剂。通过文献综述可知,碳捕集和封存技术在降低二氧化碳水平方面发挥着至关重要的作用,然而,高能耗是碳捕集和封存技术中的一大问题,尤其是化学吸收法。针对化学吸收法的能耗问题,本文进行了实验研究,通过调整影响参数以探寻降低能耗的路径,使该技术更利于实现普及。此外,通过仿真环节对实验结果进行对比,以实现操作参数的优化。针对化学吸收法碳捕集技术的高能耗问题,可以优化工艺流程,如增加中间冷却环节等,同时可以开发新型高效吸收剂。除此之外,可再生能源是一个合理的选择,用以减少再沸器所需汽轮机抽汽等。与传统能源相比,可再生能源,如太阳能,可以大规模输出能量同时不会产生污染。太阳能热应用已应用于工业和建筑服务部门作为可持续能源,将太阳能应用于碳捕集系统是一种合理方案。对于醇胺法碳捕集技术,实验及模拟研究较多。实验研究方面,从实验室规模到中试规模,研究者对不同操作参数和过程进行了研究。小规模和实验室规模的实验相对较多,而中试规模的实验验证更多的是工程性的,这往往表明了碳捕集技术商业化的可行性。目前,吸收法的中试规模实验较少,所研究的吸收和捕集尺度也经常涉及新吸收剂的中试验证、工艺改进等,以用于试验吸收方法。Notz等利用研究最广泛的MEA溶液进行了详细的实验分析,并对液气比、溶液组成、溶液浓度等进行了严谨的参数分析,对温度、二氧化碳分压、捕集率进行了分析,并分析了相应的能耗趋势。Rabensteiner等通过中试实验对不同吸收剂及其混合物进行了研究,如AMP、MEA、PZ等吸收剂,得到了不同吸收剂的传质速率、解吸能耗及各自的优缺点。模拟方面,Freguia和Rochelle利用Aspen Plus软件模拟MEA溶液对二氧化碳的捕集过程,采用Rate Frac模型对吸收塔和解吸塔进行了建模,研究了工艺设计和操作变量（如溶液循环流量、吸收塔和解吸塔高度、解吸塔压力等）对能量需求的影响,然而这些变量的优化难以将蒸汽需求量减少到10%以下。Alie等利用Aspen Plus模拟MEA吸收过程,通过变化不同的工艺参数,包括烟气流量、二氧化碳和MEA浓度、贫液担载量、富液温度等,以寻找再沸器负荷最低点,结果表明,贫液担载量对热耗有较大影响,当采用30wt%的MEA溶剂时,贫液担载量为0.25 mol CO₂/mol MEA时可得到最低再沸器热负荷。Abu-Zahra等研究了设计参数（即MEA浓度、解吸塔压力、贫液担载量）对工艺经济性的影响,结果表明,通过优化工艺参数,可实现吸收法二氧化碳捕集过程总成本的降低。同时,当MEA浓度约为30-40 wt%时,最佳的贫液担载量为0.30-0.32 mol CO₂/mol MEA。图2现有中试规模实验的能耗分布本实验中碳捕集系统耦合了太阳能集热系统,将太阳能作为再沸器能源之一。太阳能耦合碳捕集系统,利用集热器将光热转换耦合到碳捕集系统,从而进一步减少对发电厂蒸汽量的需求,并提升碳捕集电厂的发电效率。考虑到太阳能的利用,研究中已提出太阳能辅助二氧化碳捕集的方案,该技术方案可追溯到2007年Wibberlry提交的国际专利,专利中提出,太阳能集热器场收集的热量可为再沸器提供能量。在太阳能燃煤电厂碳捕集一体化方案中,太阳能热收集可直接用于加热电厂锅炉供水,或直接用于再沸器加热溶液,两种利用方式都可以减少二氧化碳捕集能耗并为电厂提升发电效率。本实验中使用的太阳能集热器是抛物线槽式集热器,集热器为东西轴南北向跟踪。集热器的参数如下表所示。表1槽式集热器参数在实验基础上,将该实验结果与仿真结果进行了比较。通过仿真可以对一种方法的性能进行建模和预测。完成对一种方法的仿真,以便在尚未建设实际设备的情况下对该方法的性能进行模拟和分析,进一步可用于优化参数、规范样式、提升效率和替代值选取等相关方面。对二氧化碳捕集过程,存在两种模型:平衡模型和速率基模型。基于速率的建模方法与平衡模型方法相比具有众多优点,其模拟结果更符合于实际。因此,本文中采用基于速率的模型进行仿真,以用于再沸器所需热耗最小化。本文中采用化工流程模拟软件Aspen plus V 8.8进行仿真建模,研究中采用Aspen plus中基于速率基（Rate-based）模型的非随机双流体（ELECNRTL）热力学模型。本文所建模型中,利用Radfrac柱模拟碳捕集系统中的吸收塔单元,吸收塔为设置冷凝器或再沸器,该吸收塔由17级组成,压力为100 k Pa,吸收器填料高度为17m,截面直径为1.1m,填料采用IMTP 50随机填料。对于解吸塔,本模型使用Radfrac柱,在顶部设有冷凝器,在底部设有反应罐,该解吸塔由17级组成,并在较高的压力下工作,解吸塔内径为1.1米,包含两个5.0 m长的填料床,填料采用IMTP 50随机填料。吸收剂采用乙醇胺（MEA）溶剂,作为初级胺,MEA有较快的二氧化碳反应速率,且MEA溶剂拥有较高的吸收能力,因此被广泛用于气体吸收过程。本文中,为了优化溶剂流量和解吸塔压力对溶剂负载能力的影响,进行了再生能耗和捕集率的研究。仿真中二氧化碳捕集流程图如下图所示。图3用于CO₂捕集的Aspen plus流程图在实验和仿真的基础上,得出以下结论:本文建立了吸收法碳捕集技术的热力循环模型。分析了影响循环能效的CO₂浓度、换热器端差、解吸温度等参数。结果显示,各参数主要影响循环的潜热和显热,对吸收反应热影响较小。在此基础上,得到了不同温度下MEA吸收法碳捕集技术的循环最大能耗和第二定律效率。在110-120℃解吸温度下,循环最大能耗约为2.37 GJ/t CO₂,最大第二定律效率约为30%。分析了给定系统在变流量调节下传质驱动力的变化和循环能效的变化,指出液气比是影响循环能效的重要参数,并在不同换热端差和解吸温度条件下,对该系统的能效进行了优化。本文利用实验室已有化学吸收法碳捕集实验台,对MEA法碳捕集技术进行了实验研究。研究了不同循环流量、解吸温度和二氧化碳浓度下捕集系统能耗和捕集率的稳态变化和动态响应特性。在一定的捕集率下,优化了循环液气比,得出实验系统的最佳液气比约为4.0 L/m³,捕集能耗为4.4 GJ/t CO₂。同时,对贫/富液热交换器的传热性能进行了分析。系统对参数变化的动态响应表明,捕集能耗对参数变化的响应存在滞后,而捕集速率变化迅速,系统可以在20-30分钟内稳定。本文对太阳能辅助碳捕集实验进行了研究。在实验过程中,槽式集热器可以为捕集系统提供约40%-50%的再沸器热耗。耦合系统初始阶段的能耗变化表明,应避免系统频繁启动和停止。通过案例研究,太阳能可以有效地降低碳捕集电厂的电力损失,降低发电对煤炭的消耗,并且灵活的运行方式可以有效地提高电厂的效益。对不同参数进行了分析,得出了不同价格和政策参数对SPCC电厂净营业收入的影响。优化了蓄热系统的规模。指出减少捕集能耗可以进一步增加电厂收入,减少碳排放。在仿真中,将实验所得数据与模拟结果进行了比较。通过流程模拟软件Aspen plus进行建模,采用平衡模型描述了基于MEA的二氧化碳反应吸收过程。在稳态条件下,通过模拟研究了溶剂流量和解吸塔压力对再生能耗、捕获和负载能力的影响,其中再生能耗是二氧化碳捕集率、溶剂升温显热、离开解吸塔的蒸汽量和反应焓的函数,而解吸塔压力的增加对再生能耗影响较小。在给定的溶剂流量下,过程参数的变化对再生能耗的影响略优于实验结果。此外,由于仿真结果基于开环系统,仿真所得二氧化碳捕集率略低于实验结果。总体性能上,仿真结果与实验结果具有一定的吻合度。与实验相比,仿真结果略有不同,但两者的趋势保持一致。