Amine Solvent Regeneration for CO2 Capture Using Geothermal Energy with Advanced Stripper Configurations

本文研究了利用地热能结合先进解吸塔配置实现燃煤电厂烟气中CO₂捕集的可行性。传统胺法捕集技术需从汽轮机中抽取蒸汽作为再沸器热源，而地热卤水（150℃）可替代这一高能耗热源。基于美国德克萨斯海湾沿岸的地压/地热含水层特性，模拟了中试规模（60 MWe）和全规模（900 MWe）CO₂捕集装置30年运行所需的井距布局（生产井与回注井对的数量及间距）。研究提出了一种新型解吸塔工艺设计，通过地热卤水换热（入口150℃，出口100℃）实现溶剂再生。结果表明：该工艺整体可行，成本与传统蒸汽加热方案相当。

CMG软件应用情况

  1. ​储层模拟：模拟地热卤水储层中流体流动与温度前缘移动，评估热开采潜力。
  2. ​参数设定：
    • 储层面积640 km²，厚度168 m（550 ft），孔隙度20%，渗透率100 mD
    • 初始储层温度302℉（150℃），压力4900 psi（约337 bar）
  3. ​关键功能：
    • 计算注入冷水突破生产井的时间，优化井距（4,276 ft）以确保30年稳定供热
    • 评估盖层与基底岩石的热传导对储层温度分布的影响
  4. ​模拟结果：
    • 中试规模需4口井（2对生产-回注井），全规模需60口井（30对）
    • 验证了Gringarten-Sauty解析模型对温度前缘移动的预测准确性

结论

  1. ​地热储层可行性：
    • 地热卤水（150℃）可稳定提供再生热源，30年运行后温度仅下降2℃，热负荷增加≤3.7%
    • 井距设计4,276 ft可有效避免冷水突破，维持生产温度稳定
  2. ​工艺性能：
    • 采用8 m（PZ）的两温两压闪蒸工艺（2T2PFlash）​等效能耗35.5 kJ/mol CO₂，优于传统MEA工艺（36.3 kJ/mol）
    • 地热方案总成本与传统蒸汽方案相当，但避免了汽轮机抽汽导致的发电效率损失
  3. ​技术经济性：
    • 中试规模（60 MWe）需4口井，钻井成本约2000万美元，折合单位节能成本1800美元/kW
    • 全规模（900 MWe）需30对井，占地面积33平方英里

作者单位 ：

德克萨斯大学

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Abstract

Amine Solvent Regeneration for CO2 Capture Using Geothermal Energy with Advanced Stripper Configurations — Absorption/stripping using alkanolamine solvents for removing CO2 from the flue gas of coal-fired power plants requires a substantial amount of energy. Typical designs anticipate the use of steam extraction between the Intermediate Pressure (IP) and Low Pressure (LP) turbines to provide heat for the reboiler. Geothermal energy in the form of hot brine offers an alternative to this large parasitic load on the power generation cycle. We investigate the requirements (number and spacing of extraction/injection well pairs) to provide heat at 150C for a pilot scale (60 MWe) and a full scale (900 MWe) capture process for thirty years. The calculations are based on properties of a geopressured/geothermal aquifer near the Texas Gulf Coast. In the vicinity of a large coal-fired power plant in South Texas, this aquifer lies between 3 050 and 3 350 m (10 000 and 11 000 ft) below the surface. We present a novel design of the stripper/regenerator process based on heat exchange with the brine, discharging the brine at 100C. The results indicate that the overall process is feasible and that costs are of similar magnitude to standard designs.

 

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