淺析工業窯爐廢氣回收利用的方法
摘要：全球的CO2的排放量日益加重，如何回收利用現在生產生活中排放的CO2成為能源循環利用的一種趨勢，F在國內有色冶金行業回收工業窯爐排放的廢氣中的低濃度CO2用于生產中還沒有先例。本文根據公司生產實際對現有國內外回收廢氣中的CO2所使用的三種方法進行了研究，并對每種方法出現的各種問題進行了分析。
關鍵詞：工業爐；廢氣回收；吸附；方法
山東鋁業股份有限公司是一家以有色冶金為主業的重工業企業，在生產氧化鋁的過程中會產生大量低濃度的CO2，另一方面生產過程中又需要大量一定濃度的CO2來保證生產，所以如何將公司各種窯爐排放的廢氣中低濃度CO2回收再用于生產中，成為公司科技人員近期的研究方向。
1研究過程
為了找出一種適合于公司生產的回收方法，現對國內外現有的三種回收CO2的方法作了不同程度的研究對比。
1.1變壓吸附(PSA)
現在國內流行的變壓吸附技術，是一種使用大量不同用途的性能優良的吸附分離專用吸附劑，采用變壓吸附氣體分離工藝的成熟技術，F在成功的變壓吸附氣體分離技術由從合成氨弛放氣、焦爐煤氣中回收氫氣拓展到從富含CO混合氣中分離提純CO、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9個領域，F在許多純度能夠達到99.99％的食品級CO2都是使用變壓吸附得到的。
1.1.1工藝技術條件
(1)原料氣條件
原料氣組成為：CO2占12.5%；N2占47.5%；O2占2%；H2O占38%；粉塵占50mg/Nm3。
原料氣輸入壓力：常壓
原料氣溫度：≤40％
原料氣輸入流量：約70000Nm3/h
(2)產品氣要求
產品CO2純度(v%)：≥40%
產品CO2量：20000 Nm3/ h
產品CO2壓力：約0. 02 Mpa
產品CO2溫度：≤40℃
(3)廢氣
廢氣輸出壓力：約0.01Mpa
廢氣輸出溫度：≤40℃
廢氣輸出流量：約50000Nm3/h
1.1.2工藝流程
工藝流程如圖1所示。
 |
來自窯爐的廢氣（作為原料氣）在180℃溫度、常壓條件下進入本裝置界區，首先進入噴淋冷卻塔洗滌原料氣中的粉塵，使原料氣中的粉塵≤5mg/Nm3，并使原料氣溫度降至約40℃，再經鼓風機加壓至約0.1 MPa后進入由8臺吸附器和一系列程控閥門構成的變壓吸附濃縮CO2裝置。PSA一CO2裝置采用8一5一1/V工藝，即8臺吸附器，5塔同時進料，抽真空工藝。
在PSA – CO2系統中，任一時刻總是有5臺吸附器處于吸附步驟的不同階段，原料氣自吸附塔底部進入，在吸附塔出口端獲得吸附廢氣，在吸附塔底部通過抽真空獲得壓力為0.02MPa的濃縮后產品CO2氣，其產品CO2濃度≥40。每臺吸附器在不同時間依次經歷吸附（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它吸附器的壓力均衡升。
由于原料氣中含有大量的水蒸氣，而輸入的溫度為180℃，為了降低原料氣的溫度而需要較大的冷卻水量（約1640t/h），同時水蒸氣被冷卻后會產生大量的水，因此本系統采用涼水塔自循環系統，除了開車初期需要外供冷卻水外，正常操作時不需要外供冷卻水，且本系統還可外排部分水量（約20t/h、40℃）。
1.1.3研究結果
按照方案中的回收規模，需要投資1700萬元左右。根據工藝方案進行了詳細的運行成本計算，得到的結果發現吸附回收純CO2 (1000m3/h)的運行成本達到了500元左右。造成運行成本高的主要有兩方面原因：循環冷卻水成本和動力消耗成本。由于廢氣中含有相當比例的水蒸氣，在將180℃廢氣冷卻到40℃的時候需要大量的循環冷卻水。另外為達到0.1MPa的吸附壓力，將選用大功率的鼓風機，從而造成電耗偏高。所以對于常壓混合氣體且CO2含量較低時，采用PSA技術回收CO2投資大、回收率低、產品成本高。
1.2化學吸附(MEA)
化學吸附法是以弱堿性溶液為吸收劑，與CO2進行化學反應形成化合物。當富液溫度升高、壓力降低時，該化合物即能分解釋放出CO2并使溶液獲得再生。改良ME八法分離CO2技術利用一乙醇胺及特定活化劑組成的堿性化學溶劑在常溫常壓下與CO2進行反應生成不穩定弱碳酸鹽，然后再通過加熱的方式使其再生出來，從而獲得CO2產品。由于化學吸收反應的選擇性強因而產品純度高，同時由于該反應可在常溫、常壓下進行，因而特別適合于煙道氣這種壓力低且CO2含量低的氣源。改良MEA溶液是一種對CO2具有良好選擇性吸收的溶劑，可以在常溫常壓下吸收煙道氣中的CO2組分，通過升溫解吸即可釋放出CO2氣體。這個方法現在國外應用比較廣泛，在國內應用還不太廣泛。
1.2.1工藝技術條件（與變壓吸附法相同）
1.2.2工藝流程
工藝流程如圖2所示。
 |
來自煙道氣總管的氣體溫度在180℃左右，氣體進入洗滌塔與來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入沉降冷卻池除去夾帶的固體粒子，經熱水泵送入涼水塔降溫，涼水由涼水泵送入洗滌塔。由塔頂排出的氣體溫度降至約40℃，經增壓風機升壓至約6kPa(G)進入CO2吸收塔底部。在吸收塔內氣體中CO2組分被MEA溶液吸收。未被吸收的尾氣在吸收塔上部經洗滌冷卻至≤45℃、再經塔頂高效除沫器除掉夾帶的溶液后直接排入大氣。洗滌液經冷卻后返回洗滌液貯槽，再經泵打循環。
吸收CO2達到平衡的溶液稱為富液。富液自塔底由富液泵抽出，加壓后先進入二級貧一富液換熱器、再生氣冷凝器，將富液加熱至約60℃，然后進入一級貧一富液換熱器，最終加熱至95～98℃，最后經再生塔頂部噴頭噴淋入塔。在再生塔內，富液中HOCH2 CH2 NH3HCO3分解釋放出CO2, CO2隨同大量的水蒸氣及少量活性組分蒸汽由塔頂流出，溫度約95～98℃，壓力約0.025 MPa (G)進入再生氣冷凝器與富液泵送來的溶液換熱。
出再生氣冷凝器的氣體溫度約75℃，大量水蒸氣被冷凝，凝液與氣體一同進入CO2水冷卻器，與循環水上水總管來的冷卻水換熱，物流被進一步冷卻至40℃，然后去CO2分離器。在分離器內，氣體夾帶的凝液被分開，產品CO2經計量后送出界區。
由CO2分離器排出的凝液流入地下槽，再經回流液泵重新送入CO2回收系統。再生塔底部設置兩臺再沸器，利用蒸汽對塔底溶液間接加熱，以保證塔底溫度在105～110℃左右。由再生塔底部引出的貧液流經一級貧一富液換熱器，然后由貧液泵升壓，經二級貧－富液換熱器及貧液水冷卻器進一步降溫至≤40℃后，送入CO2吸收塔上部。
1.2.3研究結果
根據原工藝參數，需要投資2000萬元。經過詳細的成本計算發現吸附回收純CO2 (1000m3/h)運行成本達到了450元左右。造成成本偏高的主要原因有三方面：循環冷卻水成本、各種泵的電耗以及新鮮蒸汽的消耗。前兩方面的原因是顯而易見的，蒸汽消耗主要是因為對富液的加熱造成的。從工藝流程來看，化學吸附法的主要能源消耗在蒸汽消耗，而我公司的蒸汽價格很高造成了運行成本的偏高，這一點也與我們從國外得到的信息一致，國外一些化學吸附法的運行成本中蒸汽成本占到總成本的50％左右。我們曾經設想用我公司生產中的乏汽代替新鮮蒸汽，但由于乏汽的壓力小、溫度低不具備加熱富液的能力，所以這種設想在經過大量論證后被棄用，只有采用新鮮蒸汽加熱富液以得到CO2。隨著蒸汽價格的上漲，吸附成本也會隨之上漲的。
1.3低壓變壓吸附(VPSA)
在前兩種方法均達不到目的的情況下，該廠進行了另一種方法一低壓變壓吸附法的研究。該方法與上面提到的變壓吸附法的吸附過程基本一樣，只是吸附壓力較低，只要0. 03～0. 05 MPa就可以，這樣風機的電耗應該有較大幅度的降低。由于該方法現在國內外還沒有先例，為了慎重起見我們投資90萬元做了一套小型的試驗裝置用于該方法的研究。
1.3.1工藝技術條件
(1)中試規模：處理窯氣500Nm3/h，產品CO2能力：50～100Nm3/h；
(2)中試壓力：選擇操作壓力為20～50kPa的操作壓力，重點考核25kPa下的操作數據；
(3)考核不同真空度下吸附劑的吸附容量。
1.3.2工藝流程
工藝流程示意圖可參照圖1，裝置采用3一1一1VPSA工藝流程，即3臺吸附塔操作，其中1臺吸附塔進料、1次均壓、真空解吸。系統圖見圖3。
 |
180℃的原料氣經過布袋收塵器，進入板式換熱器后溫度降到20℃左右，再經過羅茨風機，由于經過風機后氣體溫度將升高所以在經過一個小板式換熱器后進入吸附塔。在進入吸附塔前氣體壓力達到0.03～0.05MPa，每臺吸附塔在不同時間依次經歷吸附（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它吸附器的壓力均衡升。抽真空的工作由吸附塔后面的真空泵來完成，最終CO2濃度較高的產品氣進入緩沖罐，經過緩沖罐氣體排出系統。吸附塔中分三層填充三種作用不同的吸附劑，通過吸附劑對不同氣體的吸附效果不同而完成氣體分離。
1.3.3研究結果
試驗裝置安裝完畢后經過幾次的改進，進行了幾次不連續的試車，發現產品氣的CO2濃度可以，但是產品氣的流量小，表1～2為兩次試驗的數據。表中的T1+ T2為吸附時間。
 |
(1)吸附壓力的影響。從兩個表的數據來看，吸附壓力影響了原料氣中CO2的吸附回收，這與高壓吸附的吸附壓力需要得到0.1MPa的道理是一致的，吸附壓力越高、回收率越高，壓力與風機電耗成正比。所以在保證一定回收率的前提下有效地降低吸附壓力將能很大程度地降低生產成本。
(2)吸附劑的影響。吸附塔中吸附劑對不同氣體的吸附效果也影響到氣體的分離。我們第一次用的吸附劑基本達不到吸附分離氣體的作用，兩表中的數據是在更換吸附劑后測得的。
(3)吸附時間的影響。吸附時間的不同也影響了吸附效果，吸附時間過長或過短均造成吸附效率的下降。
(4)回收率的影響。按照表中的數據得到的回收率為40％左右，這遠遠小于原來預想的回收率。按照現在的回收率如果將裝置規；，達到產純CO24000Nm3/h，折CO2 (V%)濃度40％的產品氣10，000Nm3/h，回收純CO2 (1000m3/h）的運行成本達到了430元左右，這個成本遠遠大于預想的成本，如果提高回收率將降低回收成本。
2結論
我公司現在使用的CO2濃度為38％的氣體是用石灰爐鍛燒石灰石產生的，現在石灰爐生產純CO2 (l000m3/h)的運行成本在330元左右，所以上述幾種方法對于我公司均不能使用，而只有低壓變壓吸附法具有一定的潛力，如果使用高效率吸附劑和提高回收率將很大程度地降低CO2的生產成本。國內有用變壓吸附回收高濃度CO2廢氣的例子，而我公司回收的原料氣中CO2濃度很低，所以造成回收工作的運行成本很高，但是應該看到該項目具有環保的社會效益。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
