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燃煤电厂烟气是CO2长期稳定集中排放源,其所排放的CO2含量占总排放量的将近三分之一。本文围绕燃煤电厂烟气的组分特性,设计了烟气二氧化碳膜分离全流程的工艺系统,利用Aspen HYSYS和MATLAB软件对工艺流程进行模拟,并对工艺流程的各个操作参数进行模拟优化。基于电厂烟气的组分及特性,研究了影响膜材料性能和使用寿命的因素;分析了各种膜材料的各自特性及优缺点,选取膜材料——6FDA-TAPA聚酰亚胺膜;分析了各种膜组件的结构形式,选择中空纤维膜组件作为分离工艺的核心装置,膜组件内部气体流动方式采用逆流流型。设计了电厂烟气CO2膜分离工艺的预处理系统,针对膜分离的三甘醇脱水预处理工艺流程,利用Aspen HYSYS软件对工艺系统各节点参数进行计算,并研究各种系统操作参数对脱水效果的影响,模拟优化结果选取吸收塔工作压力为4MPa,吸收塔入口烟气温度为40℃,三甘醇循环量为0.3m3/h,并将再生塔再沸器温度设置为200℃,最终经过预处理的电厂烟气流量50017Nm3/h、含水量0.09%、温度为38.75℃。建立了中空纤维膜的传质模型,设计出适合燃煤电厂烟气脱碳的三级膜分离工艺系统,利用MATLAB软件建立三级膜系统的仿真模拟,分析了影响膜分离工艺的系统操作参数。最终优选一级膜面积42000m2、二级膜面积为50000m2、三级膜面积为5200m2、一级膜压力0.7MPa、二级膜压力0.65MPa、三级膜压力1.5MPa,最终的产品气CO2纯度为86.88%,CO2回收率为77.02%,且产品气流量为6648.81m3/h。针对实际气体组分体系的烟气,与以往国外烟气模拟采用的CO2-N2体系进行对比,利用Aspen HYSYS软件设计了膜分离单元数学模型的计算流程,对三级膜各节点的参数进行计算,并分析实际气体条件下的O2、H2O等组分对CO2产品气的纯度和流量的影响。此外,针对实际气体组分条件下的三级膜分离工艺进行了系统经济性分析,经计算,CO2捕集成本为73.2$/ton。