大规模烟气二氧化碳捕集技术

张新军

大规模烟气二氧化碳捕集技术

张新军1；2

1青岛科技大学；2中国石化石油工程设计有限公司

目前在烟气处理、天然气开采及下游加工领域内应用比较普遍的二氧化碳（CO2）脱除技术大致有变压吸附技术、低温甲醇吸收技术、膜分离技术、醇胺溶液化学吸收技术几种。根据燃煤电厂烟气特点，研究CO2捕集回收流程工艺及单元设备内部工况，开展吸收液与设备的匹配性研究，优化CO2捕集流程工艺。在纯梁高89—4井进行试注，累计注入CO22.04×104t，注入压力6 MPa，日注63.6 t；米视吸气指数1.55 t/（d·MPa）。2009年7月开始，高89—S1井组4口井开始注气，截至目前累计注入3.55×104t。

CO2；烟气；捕集工艺；提高采收率

1 技术背景

目前用于三次采油的二氧化碳（CO2）主要来源于二氧化碳气田，一方面其价格较高，另一方面产量有限，无法满足大规模驱油的需要，气源的不稳定将制约CO2驱油技术的推广，同时开发二氧化碳气田也与全球正在实施的CO2减排相矛盾。寻找新的廉价的CO2气源是解决这一矛盾的重要手段，从电厂烟气中捕集、纯化及回收CO2将是解决这一矛盾的重要途径。

2 燃煤电厂烟气CO2捕集工艺

2.1 燃煤电厂烟气特点

电厂烟气具有气体流量大、CO2的分压较低、出口温度较高、含有大量惰性气体等特点，其CO2的捕集工艺与合成氨、制氢、天然气净化等工业过程的CO2脱除工序有显著的差别。

2.2 大规模烟气CO2捕集技术

目前在烟气处理、天然气开采及下游加工领域内应用比较普遍的CO2脱除技术大致有变压吸附技术、低温甲醇吸收技术、膜分离技术、醇胺溶液化学吸收技术几种。

（1）变压吸附技术（PSA）。变压吸附技术是利用吸附剂的平衡吸附量随组分分压升高而增加的特性，进行加压吸附、减压脱附的操作方法。PSA技术有以下几个特点：①工艺简单，装置操作弹性大；②能适合原料的气量和组成有较大波动的工况；③操作成本较高，并且再生后的CO2纯度约为95%。

（2）低温甲醇吸收技术（Rectiso）。该技术是20世纪50年代由德国林德（Linde）公司和鲁奇（Lurgi）公司联合开发的。其中大庆甲醇厂合成气脱碳即采用此项技术，但同样存在着操作成本高的问题。

（3）膜分离工艺（Membrane）。膜分离是利用薄膜材料对各种气体的渗透率不同来实现分离的方法，膜分离工艺装置简单，操作方便，能耗低。国外许多大石油公司如UOP、ABB（MTR）等均有很成熟的技术。

（4）醇胺溶液化学吸收工艺（MDEA）。目前在世界范围内，醇胺化学溶剂吸收法是烟道气酸性气处理使用最多的方法。国内很多类似装置均采用以MDEA（甲基二乙醇胺）溶剂为吸收液的脱除技术。

2.3 胺法捕集CO2工艺流程

根据燃煤电厂烟气特点，研究CO2捕集回收流程工艺及单元设备内部工况，开展吸收液与设备的匹配性研究，优化CO2捕集流程工艺。

（1）化学吸收剂与热负荷。化学吸收法中，吸收剂非常重要，可通过模拟来分析不同的吸收剂对再沸器热负荷的影响。模拟选择吸收剂溶液温度为40℃，回流比为3，再沸器压力150 kPa，吸收液流量为80～125 m3/h。随着流量的增大，热负荷也呈直线增大。在6种吸收剂中，浓度为18%的MEA溶液的热负荷是相对比较低的，特别是在被处理气体压力低、要求尽可能高的脱除率的情况下，使用该溶液是较为适合的。

（2）吸收温度与脱除率。吸收液温度对CO2吸收率的影响不大，增大吸收液温度有利于减少冷却贫液消耗的冷却水用量。但考虑到烟气中含有少量氧气，过高的吸收液温度易使MEA发生氧化反应，会降低吸收液循环次数，因此应该控制吸收液温度。随着吸收温度的增大，CO2脱除率也增大；当吸收温度在40℃附近时，两种浓度溶液的脱除率达到最大，且基本上达到一稳定值。

（3）吸收剂流量对CO2捕集效果的影响。随着吸收剂流量的增大，CO2吸收率也增大；较高的曲线斜率处可以保证吸收剂利用率。随着吸收剂流量的增大，溶液富液中CO2含量也随着减少；流量为120 m3/h时，基本达到平衡值。

3 CO2驱EOR技术

3.1CO2驱油机理及研究现状

CO2驱油技术能提高采收率的主要作用机制为促使原油膨胀、降低黏度、降低油水界面张力、改善储层渗透率、萃取和汽化原油中轻质烃和形成内部溶解气驱等。

CO2驱油按原理主要分为CO2混相驱和CO2非混相驱，两者之间的差别在于地层压力是否达到最小混相压力。当注入到地层压力高于最小混相压力时，可实现混相驱油；当压力达不到最小混相压力时，可实现非混相驱油。

3.2 纯梁低渗透区块注CO2先导试验

胜利油田将烟道气中的CO2捕集起来，以满足目前小规模CO2驱油项目的需求。

在纯梁高89—4井进行试注，累计注入CO22.04×104t，注入压力6 MPa，日注63.6 t；米视吸气指数1.55 t/（d·MPa）。2009年7月开始，高89—S1井组4口井开始注气，截至目前累计注入3.55×104t。

从先导试验的初步结果可以看出，尽管外围生产井产量呈递减趋势，但CO2驱井组生产井产量稳中有升，累计增油6 530 t，表明CO2驱提高低渗透油区采收率效果显著，具有广阔的推广应用前景。

（栏目主持 杨 军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.026