在蒙斯塔德技术中心，使用非水溶剂进行动态操作，以实现天然气联合循环燃烧后二氧化碳的捕获

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Dynamic operation with non-aqueous solvent at Technology Centre Mongstad for natural gas combined cycle post-combustion CO2 capture

　　凯蒂·E·杰索普 | 保罗·D·莫布利 | 贾克·坦塔纳 | 维贾伊·古普塔 | 马蒂·A·莱尔
RTI国际公司，能源与先进技术部，3040 East Cornwallis Rd.，达勒姆，北卡罗来纳州27709，美国

**摘要**
如果没有增加电力储存能力，热力发电将不得不弥补间歇性可再生能源电力供应的不足。集成了电力系统的燃烧后二氧化碳捕集装置（PPCPs）必须能够处理变化的烟气流量。为了验证PPCP的运行和控制结构，需要动态过程模型，但这需要来自实际场景的实验性试点数据。

2022年，RTI国际公司在Mongstad技术中心展示了其非水基二氧化碳捕集溶剂（NAS），包括在天然气联合循环（NGCC）条件下的动态运行。这是首次报道使用贫溶剂进行的动态研究。测试内容包括负荷跟踪、使用贫溶剂和富溶剂的冷启动，以及在不同蒸汽供应时间下的热启动。

在负荷变化的情况下，保持较低的贫溶剂二氧化碳负荷（主要受再生器温度控制）对于实现稳定的二氧化碳捕集至关重要。在负荷变化过程中保持恒定的L/G比（溶剂与气体的比例）可以带来相对稳定的捕集效果，但通过优化蒸汽供应可以进一步提高捕集效率。与冷富溶剂启动相比，冷贫溶剂启动显著缩短了达到稳态的时间——在这两种情况下，冷再生器最初都会降低溶剂的工作能力。热贫溶剂启动将达到90%捕集率的时间缩短了70%，平均捕集率为82.3%，而冷贫溶剂启动时仅为63.5%。提前20分钟供应蒸汽可将达到90%捕集率的时间进一步缩短95%，同时由于平均捕集率提高至88.5%，对系统运行没有负面影响。如果条件允许，应利用来自NGCC工厂的低质量蒸汽来预热再生器。强化工艺的设备（如闪蒸罐、旋转填充床）可能进一步提升动态响应能力。

**引言**
为了实现减少二氧化碳排放的目标并减轻气候变化的影响（Browning等人，2023年），需要增加来自可再生能源（如风能和太阳能）的发电量。然而，可再生能源生产的间歇性不适合满足消费者的电力需求模式（Denholm等人，2021年）。在没有储能的情况下，热力发电厂仍需调节电力输出以满足需求（Eser等人，2016年）。因此，热力发电厂中的碳捕获与封存（CCS）技术对于短期内大幅减少电力行业的二氧化碳排放至关重要（Denholm等人，2021年；Rahman等人，2022年）。

可再生能源越来越多地融入传统电网，这对电力生产商在运营和经济上带来了挑战（Denholm等人，2021年；Eser等人，2016年；Lund等人，2015年；Bistline，2017年）。在非高峰时段引入的多余可再生能源会导致发电厂迅速降低产量，甚至在许多情况下因发电成本超过市场价格而停机。相反，在高峰时段电力需求增加时，发电厂需要迅速提高产量以获得更高的利润，因为这些时段通常无法获得可再生能源电力（Sun等人，2020年）。由于天然气联合循环（NGCC）涡轮机的灵活性、热效率和高响应能力，这类动态运行主要由NGCC发电厂承担（Mullen等人，2024年）。燃煤发电厂的调节速度较慢，因此不太可能用于快速响应电力需求波动。不过，它们可以在一天中的部分时间运行，然后在夜间停机（Tait等人，2018年；Charalambous，2021年2月15日）。在低于最低稳定发电水平的情况下运行的烟气含有大量杂质，可能需要排放以保护溶剂质量（Tait等人，2018年）。因此，集成了电力系统的燃烧后二氧化碳捕集装置（PPCP）必须能够处理变化的烟气流量——NGCC发电厂在高负荷变化时烟气流量会增加，而燃煤发电厂则可能首先出现烟气流量激增，随后流量缓慢下降（Tait等人，2018年）。此外，发电厂提供的蒸汽或热水的可用性也会影响捕集过程——在高峰启动时可能需要最大量的蒸汽/热水用于发电，从而限制了可用于PPCP再生器的蒸汽量。蒸汽循环也存在滞后现象，启动时可能无法立即提供足够的蒸汽。因此，PPCP的运行策略必须平衡与发电厂的集成、经济效益和捕集目标，并根据溶剂和设备特性进行调整。提出的PPCP动态运行策略包括负荷跟踪、保持恒定二氧化碳捕集率的操作、烟气旁路或排放系统、溶剂储存、独立蒸汽生成以及时间变化的溶剂再生（Mullen等人，2024年；Tait等人，2016年；Monta?és等人，2018年；Bui等人，2020年；Bui等人，2022年8月；Mangiaracina等人，2014年）。

一些动态过程和经济模型已经强调了动态运行的优势，并开发了基于理论模型的控制结构，以实现二氧化碳捕集过程的优化控制（Akula等人，2021年；Wu等人，2020年；Rúa等人，2020年；Bui等人，2014年；Borhani等人，2024年；Monta?és等人，2017年；Haque等人，2025年；Holbert等人，2025年）。PPCP的运行策略将取决于发电厂类型和运行计划、政策和经济因素决定的捕集要求、装置配置以及溶剂选择。在实际应用之前，必须通过准确的动态过程模型测试工厂控制结构的有效性和安全性。然而，目前很少有试点项目研究动态运行对工厂性能的影响，这严重限制了能够为可变烟气流量和发电厂蒸汽供应条件下的全规模工厂设计提供依据的模型开发。在试点规模上测试动态运行场景对于开发稳健的动态模型至关重要。

表1列出了迄今为止文献中发布的14次动态试点测试案例，其中只有6次提供了可用于模型验证的公开动态实验数据集。尽管这些测试使用了开源水基溶剂，但不同研究中的测试点标准差异很大。此外，尚未有使用贫溶剂的动态运行演示。这使得直接比较不同研究的结果变得困难，并忽略了可能在PPCP实际运行中至关重要的运行场景。虽然过程动态特性因工厂和溶剂而异，但过程响应行为（如二氧化碳捕集、启动时间、柱温分布）的一般规律应在不同系统中适用。

早期的动态测试主要集中在稳态运行期间引入阶跃变化，以评估工厂对过程参数扰动的响应，并生成用于验证基于稳态数据的动态模型的数据集。Faber等人（2011年）在丹麦Esbjerg的1吨二氧化碳/天燃烧后二氧化碳捕集（PCC）试点工厂进行了测试，该工厂使用了单乙醇胺（MEA）处理来自DONG Energy发电站的烟气。该工厂能够接受烟气流量、溶剂流量和再沸器蒸汽流量的突然阶跃变化，但由于液体与气体（L/G）比例和贫溶剂负荷的不稳定性，捕集率和二氧化碳产品流量受到影响。小幅度阶跃变化下达到新稳态的时间不到两小时。de Koeijer等人（2014年）在挪威Mongstad的Mongstad技术中心简要测试了烟气和蒸汽流量的受控临时停止和重启，以及烟气突然停止和启动的情况。Kvamsdal等人（2011年）在挪威Trondheim的Gloshaugen NTNU/SINTEF试点工厂研究了烟气和溶剂流量阶跃变化对吸收器动态的影响；Enaasen Fl?等人（2015年）通过改变溶剂和蒸汽流量获得了MEA和合成烟气（约8%二氧化碳）的模型验证数据。Carbon Capture Simulation Initiative在美国Wilsonville的National Carbon Capture Center（NCCC）进行了一系列稳态和动态测试，以开发基于MEA的二氧化碳捕集系统模型（Steady State and Dynamic，2014年；Chinen等人，2016年；Chinen等人，2019年）。

Bui等人（2014年、2016年）在澳大利亚维多利亚州的AGL Loy Yang褐煤发电厂的0.5吨二氧化碳/天CSIRO PCC试点工厂进行了动态运行，以获取用于动态模型验证的数据集。在稳态条件下引入了烟气流量、溶剂流量和蒸汽压力的阶跃变化；监测了柱温分布、捕集率和溶剂负荷以及再沸器负荷。工厂对烟气流量变化的响应速度更快。捕集率对蒸汽压力扰动的响应时间最慢。

最近的动态测试旨在表征发电厂启动和关闭过程中的捕集性能。Tait等人（2016年）在瑞士Winterthur的Sulzer Chemtech的0.17吨二氧化碳/天试点设施使用了合成NGCC烟气和MEA进行了测试，测试了五种情景，包括负荷跟踪启动和关闭、在NGCC高峰运行期间有无烟气排放的蒸汽解耦、以及在非高峰运行期间向再沸器快速添加蒸汽。在动态运行过程中，保持稳定的溶剂二氧化碳负荷和再生器温度是维持高捕集率的关键因素。如果溶剂始终保持贫状态，保持L/G比恒定可以有效维持捕集率。使用富溶剂启动会显著延长达到稳态的时间，因为循环时间会影响溶剂体积的再生——较大的溶剂体积会加剧这一问题。

MEA的动态性能也在Mongstad的80吨二氧化碳/天规模测试中得到了验证。Monta?és等人（2018年）首先进行了小幅度、快速的开环阶跃变化，记录了过程响应。随后评估了具有L/G比控制和二氧化碳捕集率控制的分散控制结构。这些分散控制结构能够很好地拒绝较小的烟气流量阶跃变化，并在60分钟内使工厂恢复到稳态。然而，较大的变化由于控制器未预见的过程相互作用而导致系统不稳定。他们得出结论，需要结合前馈和反馈控制来拒绝大的扰动。Bui等人（2020年）评估了在高峰和低峰蒸汽及烟气生产期间蒸汽流量的阶跃变化、时间变化的溶剂再生以及在不同工厂容量下的负荷跟踪调节。由于再沸器中蒸汽减少导致贫溶剂负荷增加，捕集率显著下降。再次证明，保持恒定的L/G比和贫溶剂负荷是维持高捕集率的有效操作条件。

Bui等人（2022年、2022年）在Mongstad的CESAR-1项目中展示了与NGCC工厂耦合的PPCC工厂可能的启动和关闭场景，包括使用不同溶剂体积库存和蒸汽供应时间（提前、启动时和延迟）的冷启动和热启动。与热启动相比，冷启动时达到稳态的时间、捕集率和特定再沸器热负荷（SRD）均有所下降。启动时使用较大体积的贫溶剂可以改善捕集率和SRD，尤其是在冷启动时更为有利。由于及时加热再生器，早期供应蒸汽还能进一步提高捕集率。Mangiaracina等人（2014年）在ENEL Federico II煤电厂的50吨二氧化碳/天Brindisi试点工厂展示了溶剂储存技术，该工厂参与了2014年的OCTAVIUS项目。现有的溶剂储存罐被重新用于在贫溶剂回流管线中并行储存富溶剂和贫溶剂。