用于胺基二氧化碳捕集的热集成脱除装置：以AMP/Pz溶剂为介质的试点试验与模拟研究

《Journal of Environmental Management》：Heat integrated stripper for amine-based CO 2 capture: Pilot and simulation study with AMP/Pz solvent

降低二氧化碳捕集系统能耗的热集成蒸馏器应用研究，通过AMP/Pz溶剂在200立方米/小时燃煤电厂烟气处理中验证，实现再沸器热负荷6%下降至3.26 MJ/kgCO?，换热器负荷减少24%，冷却水需求降低，同时缓解胺携带和腐蚀问题。

　　

亚当·塔塔尔丘克（Adam Tatarczuk）|卢辛娜·维耶茨瓦夫-索尔尼（Lucyna Wi?c?aw-Solny）|亚历山大·克罗特基（Aleksander Krótki）|塔德乌什·赫沃拉（Tadeusz Chwo?a）|托马什·斯皮茨（Tomasz Spietz）|西蒙·多布拉斯（Szymon Dobras）|雅努什·兹德布（Janusz Zdeb）|达维德·哈纳克（Dawid Hanak）

能源与燃料加工技术研究所（Institute of Energy and Fuel Processing Technology），波兰扎布热（Zabrze）扎姆科瓦街1号（1 Zamkowa Street, Zabrze, Poland）

摘要

有效管理二氧化碳（CO₂）排放对于工业脱碳和环境可持续性至关重要。化学吸收仍然是捕获CO₂的关键技术，但提高其效率对于降低能源消耗和运营成本至关重要。本研究探讨了热集成剥离器（Heat Integrated Stripper，HIS）作为一种先进的污染控制方法的应用，该方法利用AMP/Pz（30/10%）溶剂增强了基于胺的CO₂捕获的可持续性。在烟气流量为200立方米/小时的发电厂进行的试点规模测试表明，再沸器热负荷减少了6%（降至3.26 MJ/kg_CO2），交叉流换热器的负荷减少了24%，从而降低了冷却水的需求并提高了资源利用效率。模拟结果显示，通过加强热集成，还有进一步节省能源和减少排放的潜力。剥离器中较低的顶层温度降低了胺的携带和腐蚀风险，提高了系统的长期可靠性，并减少了环境影响。HIS为工业CO₂捕获提供了一种可扩展的策略，支持实施更清洁的生产实践和应对气候变化的努力。这些发现为在实际工业环境中扩大HIS技术的应用提供了关键数据，为多个行业的碳捕获与封存（CCS）过程的资源优化、可持续性和经济可行性提供了途径。

引言

减少二氧化碳（CO₂）排放仍然是一个全球性的挑战，特别是在欧盟，大规模的碳捕获与封存（CCS）设施被视为多个经济部门脱碳的关键。在各种可用的技术中，利用化学吸收进行燃烧后CO₂捕获因其技术成熟度而成为一种可行的解决方案。基于胺的溶剂，尤其是单乙醇胺（MEA），已在燃烧后CO₂捕获系统中得到广泛研究和应用，尤其是在燃煤发电厂中。然而，它们的应用还扩展到其他不可避免产生CO₂排放的工业过程，如水泥生产、钢铁制造和废物焚烧，这些通常被称为“难以减排”的行业（Krótki等人，2025b；Kuramochi等人，2012）。

最近的政治声明表明，全球从化石燃料的转型可能比实现2050年净零目标所需的速度要慢。这突显了继续开发适用于现有和未来工业过程的有效CCS技术的必要性。因此，诸如热集成剥离器（HIS）（Leites等人，2003；Oyenekan和Rochelle，2007）、精益蒸汽压缩（Lean Vapor Compression，LVC）（Liu，2020；Oh等人，2020）、冷溶剂分离（Cold Solvent Split，CSS）（Liu，2020；Oh等人，2020）和剥离器内部加热（Stripper Interheating，SI）（Li等人，2016；Zhao等人，2017）等工艺改进在提高CO₂捕获系统的性能和效率方面具有巨大潜力。然而，也必须验证这些改进对于除广泛研究的MEA 30%以外的更先进溶剂配方的有效性，因为行业正逐渐转向具有更好能源性能、更低降解率和更低环境影响的混合物。

ITPE（能源与燃料加工技术研究所）为陶隆（Tauron）开发的移动式试点工厂在推进CO₂捕获研究中发挥了关键作用。该试点工厂已在多个工业场所进行了测试，主要是燃煤发电厂，以评估燃烧后CO₂捕获的性能。初步研究，如Stec等人（2015b，2016）的研究，证实了使用MEA 20–30%溶剂技术的可行性，为进一步研究提供了基准数据。后续研究探索了替代溶剂，包括氨基乙醇胺（AEEA），Krótki等人（2023）详细报告称其再沸器负荷达到了3.45 MJ/kg_CO2。此外，Krótki等人（2020）的研究考察了使用30% MEA溶剂的选定工艺配置的效率，报告的再沸器热负荷在3.78–3.99 MJ/kg_CO2范围内。同时，Spietz等人（2020）分析了试点规模应用中的胺排放和降解产物。

尽管CCS发展取得了进展（Gür，2022），但仍需要进一步研究来优化工艺，特别是通过技术改进，如热集成（Leites等人，2003）。例如，HIS通常被认为（Oyenekan和Rochelle，2007）是一种有前景的方法，可以减少热需求并改善剥离器的热特性。虽然HIS通常是为内部工艺集成设计的，但它也可以利用来自钢铁制造、水泥生产或废物焚烧等工业过程的废热流（Pisciotta等人，2022）。这种方法可以进一步提高CO₂捕获系统的能源效率，降低再沸器热负荷并提高整个工艺的可持续性。

尽管HIS显示出巨大潜力，但在工业应用之前需要对其进行彻底分析。先前的文献综述，包括Balraj等人（2022）、Zea等人（2023）、Borhani等人（2024）、Salimi等人（2024）、Thiedemann和Wark（2025）以及L?ge等人（2025）的最新综述，并未发现专门针对HIS的实验性试点研究。虽然其他创新的剥离器改进，如德克萨斯大学奥斯汀分校开发的哌嗪先进剥离器（Piperazine Advanced Stripper，PZAS）（Rochelle等人，2020）和CAER 0.7 MWe试点工厂采用的分段剥离器配置（Frimpong等人，2021）已经展示了有希望的结果，但溶剂氧化降解等挑战仍然存在。这些研究强调了继续探索如HIS这样的替代热集成策略的必要性。

此外，基于以往在放热CO₂和H₂合成过程中的经验（Chwo?a等人，2019；Krótki等人，2025a），HIS整合外部热源的潜力（Solny等人，2020）为进一步减少能源需求以推动CCUS过程提供了有前景的方法。然而，在广泛应用之前，需要进行全面分析以评估其可行性和长期性能。

Tatarczuk等人（2024，2023）提出了关于HIS效果的初步结果，重点研究了MEA溶剂。这些研究引入了先进的数据验证和协调方法，以平衡质量流量并确保测量结果的可靠性。在此基础上，本研究将HIS的评估扩展到了更先进的溶剂配方。

ITPE团队之前使用AMP/Pz基系统进行的研究和测试已经表明，与传统的MEA操作相比，该组合具有更好的能源性能，为选择这种混合物作为案例研究溶剂提供了实际依据（Krótki等人，2016；?piewak等人，2015；Wilk等人，2013）。从热力学和动力学的角度来看，这种组合结合了空间受阻的AMP的有利平衡特性和哌嗪作为活化剂所提供的快速CO₂反应动力学；此外，当前能量分解中使用的CO₂解吸热为1.839 MJ/kg_CO2（基于Brúder等人，2011），支持其作为MEA的高效替代品。

基于这些努力，本研究重点使用AMP/Pz 30/10%溶剂应用HIS，这与Feron等人（2020）确定的燃烧后CO₂捕获基准溶剂相一致，后者被认为是MEA的最先进替代品。这一选择使得可以直接评估之前观察到的MEA基系统的优势是否可以转移到更先进的溶剂混合物中。研究包括在真实工业条件下获得的详细试点规模实验数据，以及使用ProTreat软件进行的全面模拟分析，以评估HIS的性能。

本研究旨在通过提供使用AMP/Pz 30/10%溶剂的HIS实施的详细评估来填补当前的研究空白。结果不仅突出了HIS的优势，还提供了可以在其他模拟工具或工业应用中复制和验证该解决方案的数据。这些发现有助于推进CCS技术及其在多样化工业领域的应用。

试点工厂

该试点工厂是一种专为在各种工业条件下进行基于化学吸收的CO₂捕获而设计的移动研究设施。它由ITPE为TAURON（一家主要的能源行业公司）概念设计并运营，并已在多次测试活动中投入使用，包括在波兰Jaworzno发电厂进行的数百小时的实验会话（Stec等人，2015b）。

该装置能够处理流量高达200立方米/小时的工业气体流，并实现CO₂

测试设置和条件

基于在Jaworzno发电厂进行的试点测试，分析了热集成剥离器对CO₂捕获效率和热需求的影响。试点装置连接到使用流化床锅炉的3号单元的烟气管道。采用了冷溶剂分离（Cold Solvent Split，CSS）系统，大约8%的总溶剂流量（流L_{31）被引入剥离器顶部S11部分之上。操作参数和配置细节}

模拟结果和讨论

使用ProTreat软件进行了模拟研究，将P1和P2试点测试的实验数据纳入开发的工艺模型中。这些模拟旨在复制试点测试条件并评估HIS对CO₂解吸过程的影响。在不同热集成水平下考虑了以下模拟配置。

?

M3：无热集成（0%回收器负荷，基于试点测试P1）

?

M4：部分热集成（32%回收器负荷）

?

总结

本研究的结果证实了热集成对使用AMP/Pz 30/10%溶剂的基于胺的CO₂捕获系统效率的积极影响。试点工厂实验和模拟研究一致表明，HIS通过减少q_{sens和qvap降低了再沸器热负荷。试点测试表明热需求减少了6%，降至3.26 MJ/kgCO2，这对于工程应用来说是一个实际的结果。}

CRediT作者贡献声明

亚当·塔塔尔丘克（Adam Tatarczuk）：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据管理、概念化。卢辛娜·维耶茨瓦夫-索尔尼（Lucyna Wi?c?aw-Solny）：形式分析、概念化。亚历山大·克罗特基（Aleksander Krótki）：方法论、调查、数据管理。塔德乌什·赫沃拉（Tadeusz Chwo?a）：调查、数据管理。托马什·斯皮茨（Tomasz Spietz）：方法论、调查。西蒙·多布拉斯（Szymon Dobras）：调查、数据管理。雅努什·兹德布（Janusz Zdeb）：监督、资金获取。达维德·哈纳克（Dawid Hanak）：撰写——原始草稿、验证。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了OpenAI的ChatGPT来改进语言。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本文中呈现的结果是在国家研究与发展中心（National Centre of Research and Development）的资助下获得的，资助合同编号为SP/E/1/67484/10——战略研究计划——先进能源生成技术：开发高效零排放燃煤发电单元与CO₂捕获集成技术。