一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法技术

本发明专利技术公开了一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法。热力学循环构建方法是指按照“物性‑过程‑冷热源‑循环”顺序完成热力学循环的构建，进而考察循环能效的热力学研究方法。本发明专利技术以化学吸收法碳捕集技术为例，将热力学研究方法应用在碳捕集这一新技术领域里。热力学循环作为一种基于热力学思想的“量化规尺”，可对碳捕集技术展开效能分析，并可通过第二定律效率对技术成熟度进行判断，有效挖掘碳捕集技术的节能潜力。

A thermodynamic cycle construction method for carbon capture by chemical absorption

The invention discloses a thermodynamic cycle construction method adopting chemical absorption carbon capture technology. The construction method of thermodynamic cycle refers to the thermodynamic research method that completes the construction of thermodynamic cycle according to the sequence of \physical property \u2011 process \u2011 cold and heat source \u2011 cycle\, and then investigates the cycle energy efficiency. The invention takes the carbon capture technology of chemical absorption method as an example, and applies the thermodynamics research method in the new technical field of carbon capture. As a \quantitative scale\ based on thermodynamics, thermodynamic cycle can analyze the efficiency of carbon capture technology, judge the maturity of technology through the efficiency of the second law, and effectively tap the energy-saving potential of carbon capture technology.

【技术实现步骤摘要】
一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法
本专利技术涉及碳捕集技术的热力学研究领域，尤其涉及一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法。
技术介绍
随着工业的发展，化石能源的巨量消耗，全球的CO2平均浓度已经超过了415ppm。全球平均温升超过2℃必然导致全球性的自然环境灾害，如冰川融化，海平面上升，物种灭绝等。联合国政府间气候变化专门委员会(简称IPCC)提出要将全球平均温升控制在2℃以内，必须付出目前减排力度的3倍努力。而根据美国能源署(IEA)指出提高能源利用效率，使用绿色可再生能源与碳捕集技术是目前三大减排策略。碳捕集技术被认为也是最具减排潜力的技术。在所有的碳捕集技术当中，发展最为成熟的碳捕集技术是化学吸收法。但是由于碳捕集过程的能耗较高，限制了该技术的大规模推广。在系统节能方面，缺乏良好的理论指导，在学术领域中，用于能效分析的理论模型大致可分为以下两类：第一类计算模型如混合气体分离模型作为分离理论的具化工具，形成于20世纪40年代，只关注分离前后气体的始末状态而从而计算获得最小分离功，提供了对一大类共性问题的集中简化计算。但是此类黑箱模型过于理想化，所获得的结果无法对黑箱内具体的工程技术产生有效的指导，弱化了理论工作的作用；第二类模型主要用于碳捕集过程具体工艺的模拟计算，如Equilibrium模型与Rate-based模型，以蒸馏塔模拟为例，Equilibrium模型通常使用基本的MESH平衡方程假设，约定每级塔板处于热力学平衡和化学反应平衡状态。虽然在过程模拟结果上与实验有较好匹配，但是此类模型的缺陷在于只针对具体案例，无法透彻、高效地把握这一类技术的共性问题，导致当设计参数变更时，需要重新进行全面的、具体的设定，模型计算过程复杂，费时费力。近些年来关于化学吸收法碳捕集的研究专利技术主要聚焦于新型碳捕集系统的集成与新型吸收剂的开发，该领域主要呈现出以下特征：1.一些专利技术者尝试在新型吸收剂上对吸收性能进行改善，如专利CN108295802A中提出一种钾基CO2吸收剂颗粒及其制备方法和应用，新型材料能高效、迅速脱除烟气中CO2，同时具有良好的循环脱碳性能、流化特性和机械性能；如专利CN103418336B中提出一种高温钙基CO2吸收材料的制备方法，该专利技术材料所选用的原料成本低廉，制备工艺简单，可以在高温下直接吸收CO2，易于实现工业化生产，并能达到以废治废的目的；如专利CN107961757A中提出了一种高活性复合钙基CO2吸收剂及其制备方法，本专利技术制备的钙基CO2吸收剂能高效吸收CO2。以上专利文献中披露出的吸收剂只是设计到其制备简易成本低，吸收效果等特点，并未涉及到碳捕集过程与循环，也未涉及吸收剂的再生能耗是否得以改善的特点。2.一些专利技术者尝试在碳捕集系统的集成方面对碳捕集循环过程进行创新。如专利CN106693614A提出了一种氨水第二类吸收式热泵驱动的紧凑型氨法碳捕集系统，将氨法二氧化碳捕集系统和氨水第二类吸收式热泵紧凑结合，降低了设备成本和复杂程度；如专利CN105126586B提出了一种二氧化碳捕集系统，通过第一热泵系统、第二热泵系统以及贫富液换热器的换热，能够利用二氧化碳捕集系统内部的闲置余热，降低二氧化碳捕集系统的能量损耗；如专利CN104399356B提出了一种二氧化碳捕集系统，将热泵系统与二氧化碳捕集系统相结合，使蒸汽冷凝液的低品位热量得到高效利用，二氧化碳捕集系统整体能耗降低的目的；如专利CN103292331B提出一种二氧化碳捕集系统残液的处理系统及处理方法，适用于燃煤电厂烟气二氧化碳捕集系统，优化目前使用的燃烧后捕集二氧化碳的化学吸收法工艺，具有自动化程度高、残液处理简单彻底等特点；如专利CN203848316U提出了一种富氧燃烧及二氧化碳捕集系统，利用富氧助燃技术提高锅炉热效率，节约燃料，减少污染气体排放，实现了节能减排的双重效果，同时降低了二氧化碳的捕集成本。但是以上专利只是在碳捕集过程中与其他形式的能源系统进行耦合，并未涉及到碳捕集循环过程的分析，也没有涉及到利用热力学体系对碳捕集系统的能效进行评价。而热力学碳泵循环的概念在专利CN107042053A中已经提出了，并且该专利技术提出了一种间接换热变温吸附碳捕集技术的热力学碳泵循环构建方法，但是碳捕集技术在不同的
差别巨大，不可用同一种构建方法对不同种碳捕集技术进行理论指导。鉴于化学吸收法与物理吸附法碳捕集技术的巨大差异，本专利技术提出的一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法是一种创新的研究方法，并且是基于热力学平衡状态下的对于MEA吸收法碳捕集技术极限理想情况下的一种循环构建，并没有相似的工作。综上可以看出，现有相关专利并不能达到上文所述的开发理想热力学研究方法的目标，化学吸收法碳捕集的效能分析的模型有待发展至循环层面以深入分析，如何以吸收法碳捕集为例展开热力学循环的构建工作。因此，以全新的热力学研究方法为出发点，提出一种化学吸收法碳捕集技术的热力学构建方法来探究吸收法最低能耗，是解决碳捕集技术的热力学方面研究一个理想方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有方法的不足，提出一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法，可以满足碳捕集系统的热力学方面的研究需求。本专利技术的技术方案是一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,将热力学研究对象扩展到广义能源系统中的碳捕集系统，具体步骤如下:1)构建基础物性，主要有吸收溶液与被吸收气体的物性；2)在相关物性数据基础上，设计合理的热力过程；3)配合冷热源进行“约束”；4)连接多个过程构建成循环；5)能效分析：研究过程或循环的效率。一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法，如图1所示：热力学循环构建的基础是物性，主要有吸收剂溶液和烟气等物性。循环构建的典型热力过程主要包括吸收、预热、解吸和预冷四步过程，如图2所示。其中，预热和预冷采用换热器进行热量交换并辅以额外热(冷)源进行补热(冷)方式实现吸收剂溶液的温度变化。电厂待处理的烟气主要由氮气和二氧化碳组成，中低温的烟气。(1)吸收过程，含有CO2的烟气首先被MEA溶液吸收后，MEA贫液形成了富含CO2的富液，而低浓度的CO2烟气被排出；(2)预热过程，富液被加热到解吸的温度；(3)解吸过程，由于含有的CO2被解吸，富液转化为贫液；(4)预冷过程，贫液被冷却到初始温度。循环构建的热源可以是太阳能中低温热源和燃煤电厂的中低压缸汽轮机抽汽等。冷源可以是常温的冷却水。基于以上物性、过程和冷热源的介绍，热力学循环构建可以按照以下说明开展。图3展现了化学吸收法的操作流程。图4是在吸收等温平衡线上，循环构建方法的具体介绍如下：d-a过程为等温吸收过程，CO2气体被吸收，吸收这一过程可视为沿着气液等温平衡线缓慢达到平衡状态点a。其中，状态点a的确定是由烟气中CO2的浓度所确定，也即由碳源约束。烟气压力为大气压101kPa，烟气浓度为10％，故根据道尔顿分压定律，状态点a对应CO2分压为10.1kPa；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,其特征在于,将热力学研究对象扩展到广义能源系统中的碳捕集系统，具体步骤如下:/n1)构建基础物性，主要有吸收溶液与被吸收气体的物性；/n2)在相关物性数据基础上，设计合理的热力过程；/n3)配合冷热源进行“约束”；/n4)连接多个过程构建成循环；/n5)能效分析：研究过程或循环的效率。/n

【技术特征摘要】
1.一种化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,其特征在于,将热力学研究对象扩展到广义能源系统中的碳捕集系统，具体步骤如下:
1)构建基础物性，主要有吸收溶液与被吸收气体的物性；
2)在相关物性数据基础上，设计合理的热力过程；
3)配合冷热源进行“约束”；
4)连接多个过程构建成循环；
5)能效分析：研究过程或循环的效率。


2.按照权利要求1所述一种化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,其特征在于,化学吸收法碳捕集技术主要包括吸收过程、预热过程、解吸过程和预冷过程。


3.按照权利要求1所述一种化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,其特征在于,碳捕集过程的再生热耗是化学吸收法能耗量占比最大的一个环节，再生热耗Qre可分为三个部分：溶液升温的显热Qsens、反应过程的吸收热Qabs和产生汽提蒸汽的潜热Qvap：
Qre＝Qsens+Qabs+...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓帅，徐耀锋，赵力，付建欣，周杨洲，李双俊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12