《Chemical Engineering Research and Design》：Process Integration and Energy Optimization of an MDEA/PZ-Based CO? Capture System for Coal-Fired Power Plants
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燃煤電廠后燃式CO?捕集系統優化研究，基于1000MW超超臨界電廠構建集成模型，采用MDEA/PZ混合胺吸收系統結合CO?壓縮單元，通過參數分析與工藝優化（吸收器冷卻、富液再生、蒸汽梯級利用）使再生能耗降至2.08 GJ/tCO?，凈效率提升至41.23%。
邵琦|陳慶川|張光耀|鄒陽|韓志江|楊強
華東理工大學機械與動力工程學院，中國上海200237
摘要
燃煤電廠是二氧化碳排放的主要來源，因此高效的燃燒后捕集技術至關重要。在本研究中，使用Aspen Plus軟件開發了一個1000兆瓦超超臨界燃煤電廠的完整集成過程模型，該模型包括MDEA/PZ混合胺吸收系統、二氧化碳壓縮單元以及電廠的熱循環系統。評估了貧溶劑負荷、溶劑組成和脫除器操作壓力對捕集性能和能耗的影響。基于參數分析，引入了吸收器中間冷卻和富溶劑再生技術以提高能源效率。在最佳條件下，再生能耗降低到了2.08 GJ/tCO?。通過優化再生蒸汽的利用方式（包括冷凝水回用和級聯蒸汽使用），電廠凈效率從38.94%提高到了41.23%。這些結果表明，集成溶劑和過程優化可以降低大規模燃煤電廠燃燒后二氧化碳捕集的能源成本。
引言
燃煤電廠是全球二氧化碳排放的主要來源之一，這對實現減排和碳中和目標構成了重大挑戰。因此，開發適用于現有燃煤電廠的碳減排技術至關重要。目前的二氧化碳減排方法包括燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集（Leung等人，2014年）。其中，燃燒后捕集被認為是最具工程可行性的方法，因為它可以在不對現有電廠進行大規模改造的情況下實施（Wang和Song，2020年；Svendsen等人，2011年；Versteeg和Rubin，2011年；Raganati和Ammendola，2024年；Bahman等人，2023年）。由于化學吸收具有高吸收效率和操作靈活性，它已成為最廣泛采用的二氧化碳捕集技術。
然而，將碳捕集系統集成到電廠中不可避免地會導致發電效率下降（Isogai和Nakagaki，2024年；Fu等人，2023年；Wang等人，2023年）。根據美國能源部國家能源技術實驗室的報告，當使用單乙醇胺（MEA）作為溶劑捕集90%的二氧化碳時，電廠的凈效率會降低約10%（Ciferno等人，2009年）。阿爾斯通公司使用Aspen Plus軟件對不同電廠的MEA基二氧化碳捕集技術進行了系列研究，結果表明，碳捕集系統的集成顯著影響了發電單元的能耗和經濟性能（Alstom，2011年）。Abu-Zahra等人對一個600兆瓦電廠與MEA基二氧化碳捕集系統集成后的經濟性進行了評估，發現二氧化碳捕集可能會使電價上漲70-90%（Abu-Zahra等人，2007年）。
開發先進的吸收劑被認為是提高燃煤電廠發電效率的有效方法之一（Fourie等人，2025年；Alalaiwat和Khan，2024年；Du等人，2024年）。Sukanta等人報告稱，使用AMP–PZ混合溶劑顯著改善了系統整體性能，使再生能耗降低了6%（Dash等人，2014年）。Hosseini-Ardali等人使用MDEA/PZ溶劑系統進行了多目標優化研究，同時考慮了能耗、溶劑循環率和捕集效率。在二氧化碳捕集率為90%的情況下，再生能耗大幅降低至2.69 GJ/tCO?（Hosseini-Ardali等人，2020年）。
除了溶劑開發外，優化碳捕集系統與燃煤電廠蒸汽循環之間的集成也是提高電廠效率的可靠途徑（Lucquiaud和Gibbins，2011年；Dave等人，2011年；de Miguel Mercader等人，2012年；Le Moullec，2013年；Luo等人，2015年；Pettinau等人，2017年；Richter等人，2019年；Bui等人，2018年；Zheng等人，2023年）。西門子通過工藝優化和廢熱回收，將一個800兆瓦電廠的效率損失降低到了約9%（Jockenh?vel等人，2009年）。Romeo等人通過安裝輔助蒸汽輪機來減少蒸汽抽取過程中的節流損失，從而提高了整體能源效率（Romeo等人，2008年）。Akula等人使用嚴格的第一性原理模型實現了MEA基捕集系統的部分負荷優化（Akula等人，2021年）。
盡管取得了這些進展，但燃燒后二氧化碳捕集的大規模應用仍受到高再生能耗和熱集成不足的限制。為了解決這些問題，本研究以一個1000兆瓦燃煤電廠為研究對象，使用Aspen Plus建立了集成的燃煤電廠-燃燒后二氧化碳捕集系統。通過結合新型混合胺溶劑（MDEA/PZ）和系統級協同優化策略，顯著提升了碳捕集過程的性能和整體發電效率。本研究的結果為大規模燃煤電廠中低能耗二氧化碳捕集的工程應用提供了理論基礎。
系統概述
該集成系統包括一個碳捕集單元、一個二氧化碳壓縮單元以及燃煤電廠的熱系統。整個工藝流程如圖1所示。從鍋爐排出的煙氣經過處理后進入吸收器，在那里使用MDEA/PZ混合胺溶劑高效捕集二氧化碳。從中壓（IP）渦輪機的出口提取一部分蒸汽，為再生過程提供所需的熱能。
過程分析與優化
對二氧化碳化學吸收過程的分析表明，在保持現有工藝配置和設備布局的前提下，幾個關鍵操作參數（如貧溶劑負荷、混合胺組成和脫除器操作壓力）對吸收性能和再生能耗有顯著影響。重要的是，這些參數具有較好的操作靈活性，且無需對工藝進行重大修改即可進行調整。
結論
本研究使用Aspen Plus軟件研究了一個1000兆瓦超超臨界燃煤電廠與燃燒后二氧化碳捕集系統的集成情況。系統分析了不同操作參數和工藝配置下MDEA/PZ混合胺溶劑的二氧化碳捕集性能。此外，通過優化再生蒸汽的利用方式，提高了電廠的效率。主要結論如下：
(1)...
CRediT作者貢獻聲明
邵琦：撰寫初稿、可視化處理、驗證、軟件開發、方法論設計、數據收集與分析、概念構建。
韓志江：資源調配、項目管理工作。
鄒陽：驗證工作、軟件開發、數據分析。
張光耀：軟件開發、數據分析。
陳慶川：資源調配、數據收集與整理。
楊強：撰寫、審稿與編輯、項目監督、方法論設計、資金籌措、概念構建。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文研究結果的財務利益沖突或個人關系。
致謝
本研究得到了中國國家自然科學基金（項目編號52025103）的支持。
