工業(yè)窯爐廢氣回收利用的研究

1、工業(yè)窯爐廢氣回收利用的研究概述 隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的礦物燃料的使用產(chǎn)生的大量溫室氣體，已引起世界各國(guó)的重視。從C02的排放總量上看，目前我國(guó)C02排放量已位居世界第二。2002年，全國(guó)能源消費(fèi)總量15.14億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，煤炭占66.3，石油占23.5，天然氣占2.6，水電、核電占7.6。能源消費(fèi)以煤為主，環(huán)境問(wèn)題日益突出。2002年，我國(guó)煤炭消費(fèi)量14.2億t，C02排放量總量超過(guò)40億t，預(yù)計(jì)到2025年，排放量可達(dá)到100億t，將居世界第一位。從能源利用效率來(lái)看，2000年按現(xiàn)行匯率計(jì)算的每百萬(wàn)美元GDP能耗，我國(guó)為1274t標(biāo)準(zhǔn)煤，比世界平均水平高2.4倍，比美國(guó)、歐盟

2、、日本、印度分別高2.5倍、4.9倍、8.7倍和0.43倍。京都議定書(shū)（The Kyoto Protocol）要求2010年全球C02排放量要比1990年低7，要達(dá)到這一要求，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家一方面計(jì)劃關(guān)掉部分燃煤工業(yè)窯爐，轉(zhuǎn)向更加清潔的能源天然氣、太陽(yáng)能、生物能、風(fēng)能等。另一方面，研究從燃煤工業(yè)爐窯廢氣中回收C02并加以利用和儲(chǔ)存的技術(shù)。 即使京都議定書(shū)的要求對(duì)發(fā)展中的我國(guó)放寬到2010年C02排放量與2002年持平，按照我國(guó)GNP增長(zhǎng)速度和單位GNP產(chǎn)出的能耗計(jì)算，到2010年必須有50的燃煤工業(yè)爐窯完成燃?xì)飧脑?。我?guó)政府從2002年起，要求對(duì)燃煤工業(yè)爐窯進(jìn)行燃?xì)飧脑?。?/p>

3、企業(yè)主觀上雖然都做出了程度不同的響應(yīng)，但實(shí)際行動(dòng)上大都非常緩慢，這是因?yàn)槊禾枯^天然氣經(jīng)濟(jì)得多，如果將燃煤爐窯改造成為燃?xì)鉅t窯，燃料成本將增加2倍多，很多企業(yè)將會(huì)因此破產(chǎn)。以山東鋁業(yè)股份有限公司為例，現(xiàn)有14臺(tái)燃煤爐窯，每年消耗煤炭130萬(wàn)t，排放C02 300萬(wàn)t。如果半數(shù)改為燃?xì)鉅t窯，每年則需要增加34萬(wàn)t天然氣，可減少C02的排放60萬(wàn)t，每年凈增加燃料費(fèi)用近6億元，每噸氧化鋁成本將上升近600元，這是企業(yè)難以承受的。全國(guó)如果有50的窯爐完成燃?xì)飧脑?，每年?duì)天然氣的需求將達(dá)到7.2億t，我國(guó)目前探明的天然氣儲(chǔ)量為15億t，僅夠兩年使用，顯然，用天然氣完全替代煤炭是不可行的。因此，

4、從工業(yè)窯爐中回收C02并加以利用和儲(chǔ)存，是勢(shì)在必行且極為可行的方案，回收的C02可以通過(guò)高壓輸送到地下煤田，與煤發(fā)生漫長(zhǎng)的化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生天然氣；也可以通過(guò)高壓使其液化儲(chǔ)存在3000多米深的海底；甚至可進(jìn)行生物或農(nóng)業(yè)方面的研究，利用C02高效合成碳水化合物，實(shí)現(xiàn)全球生態(tài)的平衡。要實(shí)現(xiàn)這一方案，政府必須要多運(yùn)用財(cái)政和匯率政策進(jìn)行宏觀調(diào)控，對(duì)不經(jīng)任何處理就直接向大氣排放廢氣的燃煤爐窯征稅，適當(dāng)抬高產(chǎn)品成本，積累環(huán)保和保證可持續(xù)發(fā)展的基金，按照有關(guān)匯率決定理論估算我國(guó)單位能耗與世界的真實(shí)差距；企業(yè)要結(jié)合自身的技術(shù)工藝特點(diǎn)，多搞循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式，以負(fù)責(zé)的態(tài)度不讓內(nèi)部成本外溢而讓社會(huì)來(lái)承擔(dān)。在我公司主要

5、廠區(qū)內(nèi)，6臺(tái)燃煤的熟料窯每年排放C02約為110萬(wàn)t，同時(shí)，每年還需要約60萬(wàn)tC02用于氫氧化鋁的分解，目前，這部分C02由7臺(tái)石灰爐提供。因此每年消耗焦炭7.8萬(wàn)t，石灰石97萬(wàn)t，制取C02的成本約為180元t。從2003年開(kāi)始，我們一直在尋求和研究一種能夠低于這一成本的技術(shù)，從工業(yè)窯爐廢氣中回收C02以降低氧化鋁生產(chǎn)成本，減少對(duì)資源的利用。 一、研究過(guò)程 為了找出最為經(jīng)濟(jì)的C02回收技術(shù)，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的變壓吸附（PSA）和化學(xué)吸附（MEA）兩種回收C02的方法做了對(duì)比研究。 （一）變壓吸附（PSA） 一種現(xiàn)在國(guó)內(nèi)流行的成熟技術(shù)，是使用大量不同用途的性能優(yōu)良的吸附分離專(zhuān)用吸附劑，采用

6、變壓吸附氣體分離工藝，現(xiàn)在成功的變壓吸附氣體分離技術(shù)有從合成氨弛放氣、焦?fàn)t煤氣中回收氫氣拓展到從富含一氧化碳混合氣中分離提純一氧化碳、合成氨變換氣脫碳、天然氣凈化提純甲烷、空氣分離制富氧、純氮等九個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)在許多純度能夠達(dá)到99.99的食品級(jí)C02都是使用變壓吸附得到。變壓吸附法的制取C02成本一般為500元/t。 （二）化學(xué)吸附（MEA） 化學(xué)吸附法（MEA）分離C02技術(shù)是利用一乙醇胺及特定活化劑組成的堿性化學(xué)溶劑在常溫常壓下與C02進(jìn)行反應(yīng)生成不穩(wěn)定弱碳酸鹽，然后再對(duì)其加熱使C02降解出來(lái)同時(shí)使一乙醇胺再生出來(lái)。改良MEA溶液是一種對(duì)C02具有良好選擇性吸收的溶劑，可以在常溫常壓下吸收煙

7、道氣中的C02組分，通過(guò)升溫解吸即可釋放出C02氣體。由于化學(xué)吸收反應(yīng)的選擇性強(qiáng)因而產(chǎn)品純度高，同時(shí)由于該反應(yīng)可在常溫、常壓下進(jìn)行，因而特別適合于煙道氣這種壓力低且C02含量低的氣源。 1.工藝流程 來(lái)自煙道氣總管的氣體溫度在140左右，氣體進(jìn)入洗滌塔與來(lái)自塔頂噴淋的冷卻水逆流接觸，氣體被冷卻、粉塵被洗滌。從塔底排出的洗滌水進(jìn)入沉降冷卻池除去夾帶的固體粒子，經(jīng)熱水泵送人涼水塔降溫，涼水由涼水泵送入洗滌塔。由塔頂排出的氣體溫度降至40，經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)升壓至6000Pa（G）進(jìn)入C02吸收塔底部。在吸收塔內(nèi)氣體中C02組分被MEA溶液吸收。未被吸收的尾氣在吸收塔上部經(jīng)洗滌冷卻至45，再經(jīng)塔頂高效除沫器

8、除掉夾帶的溶液后直接排入大氣。洗滌液經(jīng)冷卻后返回洗滌液貯槽，再經(jīng)洗滌液泵打循環(huán)。采用新鮮脫鹽水控制系統(tǒng)水平衡。吸收C02達(dá)到平衡的溶液稱(chēng)為富液。富液自塔底由富液泵抽出，加壓后先進(jìn)入二級(jí)貧-富液換熱器、再生氣冷凝器，將富液加熱至60，然后進(jìn)入一級(jí)貧-富液換熱器，最終加熱至95-98，最后經(jīng)再生塔頂部噴頭噴淋入塔。在再生塔內(nèi)，富液中HOCH2CH2NH3HCO3分解釋放出C02，C02隨同大量的水蒸氣及少量活性組分蒸汽由塔頂流出，溫度95-9812，壓力約0.025MPa（G）進(jìn)入再生氣冷凝器與富液泵送來(lái)的溶液換熱。 出再生氣冷凝器的氣體溫度約75，大量水蒸氣被冷凝，凝液與氣體一同進(jìn)入C02水冷卻

9、器，與循環(huán)水上水總管來(lái)的冷卻水換熱，物流被進(jìn)一步冷卻至40，然后去C02分離器。在分離器內(nèi)，氣體夾帶的凝液被分開(kāi)，產(chǎn)品CO2經(jīng)計(jì)量后送出界區(qū)。 由C02分離器排出的凝液流人地下槽，再經(jīng)回流液泵重新送人C02回收系統(tǒng)。再生塔底部設(shè)置兩臺(tái)再沸器，利用蒸汽或轉(zhuǎn)化氣余熱對(duì)塔底溶液間接加熱，以保證塔底溫度在105-110。由再生塔底部引出的貧液流經(jīng)一級(jí)貧-富液換熱器，然后由貧液泵升壓，經(jīng)二級(jí)貧-富液換熱器及貧液水冷卻器進(jìn)一步降溫度至40后，送人C02吸收塔上部。 2.研究結(jié)果 MEA法在C02降解過(guò)程中需要大量的蒸汽加熱。每立方微米C02需要3.5t蒸汽，國(guó)外針對(duì)如何降低燃煤發(fā)電廠C02排放多采用此種方

10、法。這是因?yàn)殡姀S有很多廉價(jià)的乏汽，同時(shí)電廠鍋爐廢氣中剩余O2含量較低（MEA法一般要求O2含量1）?；剞D(zhuǎn)窯廢氣中剩余O2含量一般在3-5，不適合采用MEA法。我們也曾經(jīng)設(shè)想用生產(chǎn)中的乏汽，但由于乏汽的壓力小、溫度低，不具備加熱富液的能力，只有采用新鮮蒸汽加熱富液以得到C02，這樣回收C02的成本在500元k nm3以上，而且隨著蒸汽價(jià)格的上漲，回收成本也會(huì)隨之上漲。 （三）低壓變壓吸附法（LPSA） 低壓變壓吸附法（LPSA）法是指吸附壓力0.05MPa，通過(guò)真空泵抽真空解析的方法，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有應(yīng)用的先例。 1.設(shè)計(jì)方案 （1）規(guī)模產(chǎn)純C02 8000nm3h，折C02

11、（V）濃度40的產(chǎn)品氣20000nm3h（回收率80）。 （2）產(chǎn)品氣要求產(chǎn)品C02純度（V）：40；產(chǎn)品C02量：20000nm3h；產(chǎn)品C02壓力：0.01MPa；產(chǎn)品C02溫度：40。 （3）工藝流程來(lái)自窯爐的廢氣（作為原料氣）在140溫度、常壓下進(jìn)入本裝置界區(qū)，首先進(jìn)入噴淋冷卻塔洗滌原料氣中的粉塵，使原料氣中的粉塵10mgnm3，并使原料氣溫度降至40，再經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓至0.05MPa后進(jìn)入由8臺(tái)吸附器和一系列程控閥門(mén)構(gòu)成的變壓吸附濃縮CO2裝置，PSA-CO2裝置采用8-5-1V工藝，即8臺(tái)吸附器，5塔同時(shí)進(jìn)料，抽真空工藝。 在PSA-CO2系統(tǒng)中，任一時(shí)刻總是有5臺(tái)吸附器處于吸附步驟

12、的不同階段，原料氣自吸附塔底部進(jìn)入，在吸附塔出口端獲得吸附廢氣，在吸附塔底部通過(guò)抽真空獲得壓力為0.01MPa的濃縮后產(chǎn)品CO2氣，其產(chǎn)品CO2濃度40。每臺(tái)吸附器在不同時(shí)間依次經(jīng)歷吸附（A）、壓力均衡降（ED）、抽真空（VC）、壓力均衡升（ER）和最終升壓（FR）等步驟，原料氣的壓力均衡降是用于其他吸附器的壓力均衡升。 （4）由于原料氣中含有大量的水蒸氣，而輸入的溫度為140，為了降低原料氣的溫度而需要較大的冷卻水量（1630th），同時(shí)水蒸氣被冷卻后會(huì)產(chǎn)生大量的水，因此本系統(tǒng)采用涼水塔自循環(huán)系統(tǒng)，除了開(kāi)車(chē)初期需要外供冷卻水外，正常操作時(shí)不需要外供冷卻水，這就降低了C02的回收成本。但是鼓風(fēng)

13、機(jī)和真空泵的冷卻需要一定量的冷卻軟水。 2.原料氣條件 3.洗滌后工藝條件 4.熱平衡計(jì)算 （1）原料氣放出熱量 CO2在140及40時(shí)的熱容分別是： Cp140=4.184×（10.552.16×10-3×4132.04×105×413-2）=43.29KJ/KKmol Cp40=38.26KJ/Kkmol O2在140及40時(shí)的熱容分別是： Cp140=4.184×（7.520.81×10-3×4130.90×105×413-2）=30.65KJ/Kkmol Cp40=28.68KJ/Kkm

14、ol N2在140及40時(shí)的熱容分別是： Cp140=4.184×（6.661.02×10-3×413）=29.63KJ/Kkmol Cp40=29.20KJ/Kkmol 原料氣干基部分（CO2、O2、N2）放出的熱量： Q1放=5107.878.74%×（43.29×14038.26×40）6.0%×（30.65×14028.68×40）55.86%×（29.63×14029.20×40）=12173585.14KJ 濕基（H2O蒸氣）放出的熱量： Cp140=4.184&

15、#215;（7.22.7×10-3×413）=34.79KJ/ Kkmol CP100=34.34KJ/Kkmol CP40=33.66KJ/Kkmol I40=3015.25KJ/Kkmol I100=48164.11KJ/ Kkmol Q2放=5107.87×0.294×（413CP140373CP100）（5107.87×0.2943893.48×0.0738） ×（I100I40）3893.48×0.0738×（373CP100313CP40）=57822682.59KJ Q放

16、總=12173585.1457822682.59=69996267.73KJ （2）循環(huán)冷卻水需要量 按照冷卻水溫差10（即來(lái)水溫度30，回水溫度40）計(jì)算： M水1=69996267.73÷4.1868÷10=1672151kg=1627.15t5.鼓風(fēng)機(jī)參數(shù) 參加變壓吸附的氣體總量為87214nm3h，工況風(fēng)量為99992m3h，根據(jù)風(fēng)量確定風(fēng)機(jī)型號(hào)ZLl04WD，升壓49kPa，轉(zhuǎn)速580rpm，流量552m3min，軸功率574kW，電機(jī)功率630kW，風(fēng)機(jī)數(shù)量4臺(tái)（開(kāi)3備1）。 6.升壓后冷卻水用量 由于鼓風(fēng)機(jī)的升壓輸送，氣體溫度將升至60-70，在吸附以前需要將

17、氣體溫度再冷卻至40。氣體溫升降吸收熱量等于鼓風(fēng)機(jī)對(duì)氣體所做的無(wú)用功（約為軸功率的40左右）。氣體吸收的熱量： Q3放=574x3x3600x40=2479680kJ 使氣體二次降溫所需要的軟水水量（假定水溫變化為10） M水2=2479680÷4.1868÷10=59.2 （t） 7.真空泵的選擇 產(chǎn)品氣的流量約為20000nm3h，按照吸附分解的條件選擇真空泵型號(hào)為T(mén)RRF-350W雙級(jí)濕式羅茨真空泵，真空度80kPa，轉(zhuǎn)速800rpm，真空度最大時(shí)流量為173m3rain，軸功率212kW，電機(jī)功率250kW，真空泵數(shù)量3臺(tái)（2開(kāi)1備）。根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)、真空泵運(yùn)

18、行需要的冷卻水量約為一乙醇胺30m3h（軟水）。 8.運(yùn)行成本 （1）普通循環(huán)冷卻水因?yàn)閹缀醪恍枰a(bǔ)水，其供給成本0.21元t；循環(huán)冷卻軟水需要一定的補(bǔ)水量和處理費(fèi)用，供給成本約為0.8元/t。 （2）總投資2000萬(wàn)元，折舊按15年折完計(jì)算；一年按照8600小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)；維修費(fèi)按照折舊費(fèi)的40計(jì)算；人工費(fèi)按照四班三運(yùn)轉(zhuǎn)，定員9人，工資率按3.3萬(wàn)元人年。那么每1000nm3h的成本約合每噸114.32元，石灰爐182元/t的成本。 （四）低壓變壓吸附（LPSA）的工業(yè)試驗(yàn) 低壓變壓吸附法由于吸附壓力較低，這樣電耗會(huì)大幅度地降低，從而降低了C02的回收成本。但是，由于該方法現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有先例，為

19、了慎重起見(jiàn)，我們首先進(jìn)行了小型工業(yè)試驗(yàn)及研究。 1.試驗(yàn)的工藝技術(shù)條件 （1）規(guī)模處理窯氣500nm3h，產(chǎn)品二氧化碳能力：50-l00nm3h。 （2）選擇吸附壓力為20-50kPa，重點(diǎn)考核30-40kPa下的操作數(shù)據(jù)（鼓風(fēng)機(jī)的出口壓力為25-55kPa）。 （3）考核不同真空度下吸附劑的吸附容量。 2.工藝流程 工藝流程可以參照化學(xué)吸附法，裝置采用3-1-1VPSA工藝流程，即3臺(tái)吸附塔操作，其中1臺(tái)吸附塔進(jìn)料、1次均壓、真空解吸。1400C的原料氣經(jīng)過(guò)布袋收塵器、板式換熱器，溫度降到20左右，經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)升壓后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)小板式換熱器冷卻后進(jìn)人吸附塔。每臺(tái)吸附塔在不同時(shí)間依次經(jīng)歷吸附（A）、壓力均衡降（ED）、抽真空（VC）、壓力均衡升（ER）和最終升壓（FR）等步驟，原料氣的壓力均衡降是用于其他吸附器的壓力均衡升。抽真空的工作由吸附塔