化工园余热—碳回收工程的低碳集成与污染治理
邢台市生态环境局巨鹿县分局 王毅伟
摘 要：在“双碳”目标推进背景下，化工园作为高耗能、高排放重点领域，余热浪费与碳排放问题尤
为突出。当前技术体系存在显著短板：余热利用效率仅30%-40%，传统胺法碳回收能耗高达
2.5-3.5GJ/tCO2
，且余热回收与碳捕集系统缺乏联动，污染治理与碳减排协同性不足。本文
通过搭建实验室集成系统，开展余热-碳回收低碳集成及污染治理试验。结果表明：系统余
热回收率达65%-72%，碳捕集率82%-89%，单位CO2
捕集能耗降至1.2-1.5GJ/tCO2
；同时，
NOx、VOCs等污染物去除率超90%。该集成技术实现了余热高效利用、碳减排与污染治理
的协同增效，为化工园低碳转型提供技术支撑。
关键词：化工园；余热回收；碳捕集；低碳集成；污染治理
DOI:10.19307/j.cnki.ctrr.2025.10.037
0 引言
化工行业作为国民经济的支柱产业，能源消耗
占全国工业总能耗的20%以上，碳排放占工业领域
碳排放的15%～20%，而化工园作为化工企业的集
聚区域，更是能源消耗与碳排放的核心区域[1-2]。在
“碳达峰、碳中和”战略目标推动下，化工园的低碳
转型已成为必然趋势。然而，当前化工园普遍面临两
大关键问题[3-4]：一方面，生产过程中产生的大量中
低品位余热（温度范围80～200℃）未得到有效利用，
余热利用率仅为30%～40%，造成严重的能源浪费；
另一方面，碳排放控制技术较为单一，传统碳回收技
术如胺吸收法，不仅能耗高达2.5～3.5GJ/tCO2
，还
存在吸收剂损耗、二次污染等问题。
更为关键的是，现有化工园的余热回收系统与
碳回收系统多处于独立运行状态，未形成能量梯级利
用的协同关系，导致整体能源效率偏低。同时，化工
园排放的NOx
、VOCs等污染物与碳排放治理缺乏协
同技术方案，增加了环保投入成本[5]。针对上述问题，
亟需开发一种将余热回收、碳捕集与污染治理有机结
合的低碳集成技术，通过能量的高效梯级利用降低碳
回收能耗，同时实现污染物的协同去除。本文基于实
验室规模，构建化工园余热-碳回收低碳集成系统，
探究系统运行参数对余热回收效率、碳捕集性能及污
染治理效果的影响，旨在为化工园实现“节能、减碳、
治污”协同增效提供试验依据与技术参考。
1 材料与试验部分
1.1 试验材料
本试验所用主要材料包括余热回收模块的传热
介质、碳回收模块的吸收剂及污染治理模块的吸附
剂与催化剂。传热介质选用丙二醇水溶液（质量分数
30%），其具有良好的导热性能（导热系数0.58W/(m
・K)）和稳定性，适用于80℃～200℃中低品位余热
传递。碳回收吸收剂采用改性胺溶液，由N-甲基二
乙醇胺（MDEA）与哌嗪（PZ）按质量比8:2混合配
制，浓度为30%，该混合溶液可提高CO2
吸收速率
与容量，降低再生能耗。污染治理模块中，活性炭吸
附剂选用颗粒状椰壳活性炭，比表面积1200m2/g，粒
径2～4mm，用于VOCs吸附；催化氧化催化剂为蜂
窝状TiO2
负载MnOx-CeO2
，活性组分负载量10%，
用于NOx
与残留VOCs的深度氧化。
1.2 试验装置
试验系统由余热收集模块、碳回收模块、污染治
理模块及能量调控模块组成。余热收集模块采用板式
换热器（传热面积5m2，板间距3mm），通过循环泵
将化工园模拟余热流体（热水，温度80℃～200℃）
与传热介质进行热交换。碳回收模块包括吸收塔（直
径0.3m，高2m，填料为鲍尔环，规格50mm）与再生
塔（直径0.2m，高1.5m），吸收塔采用逆流接触方式，
含CO2
模拟烟气（CO2
浓度10%～15%）从底部通入，
吸收剂从顶部喷淋；再生塔通过余热回收的热量提供
再生所需能量（再生温度100℃～120℃）。污染治
理模块由活性炭吸附塔（直径0.2m，高1.2m，活性
炭填充量5kg）与催化氧化反应器（直径0.15m，高
1m，催化剂填充量2kg，反应温度200℃～300℃）
串联组成，处理碳回收后尾气中的污染物。能量调控
模块含温度传感器（精度±0.5℃）、流量计（精度
±2%）、压力传感器（精度±1%）及PLC控制系统，
实时监测并调控各模块运行参数。
1.3 试验方法
试验采用单因素变量法，探究余热进口温度
（80℃、120℃、160℃、200℃）、CO2
进口浓度（10%、
12%、15%）、吸收剂流量（20L/h、30L/h、40L/h）
对系统性能的影响。试验前对系统进行气密性检测，
确保无泄漏。余热回收效率通过测量换热器进出口温
度与流量，按公式η=（Q回收/Q总）×100%计算
（Q回收=cmΔt，Q总为进口余热流体总能量）。
碳捕集率采用烟气分析仪（型号Testo350，测量精度
±5%FS）测定吸收塔进出口CO2
浓度，按η捕集=
（C进口-C出口）/C进口×100%计算；单位CO2
捕集能耗通过测量再生过程消耗的热量与捕集CO2
量比值获得。污染物去除率采用气相色谱仪（型号
Agilent7890A）测定 VOCs 浓度，化学发光法NOx
分
析仪（型号Thermo42i）测定NOx
浓度，按η去除=（C
初始-C处理后）/C初始×100%计算。每个工况下
连续运行3小时，每30分钟记录一次数据，取平均
值作为试验结果，平行试验3次，误差控制在5%以内。
2 结果与分析
2.1 余热回收模块性能分析
余热回收效率是衡量集成系统能量利用水平的
关键指标，其受余热进口温度与传热介质流量的共同
影响。由图1可知，在传热介质流量30L/h条件下，
随着余热进口温度从80℃升高至200℃，余热回收效
率呈现先上升后趋于稳定的趋势。当温度为80℃时，
回收效率为65.2%；温度升至160℃时，效率达到
71.8%；继续升温至200℃，效率仅微增至72.1%。这
是因为温度升高使传热温差增大，强化了传热过程，
但当温度超过160℃后，传热介质已接近饱和吸热状
态，效率提升空间有限。
图1 不同余热进口温度下的余热回收效率变化曲线
107 中国轮胎资源综合利用CTRA
2025年 第 10 期
此外，在固定余热进口温度160℃时，改变传热
介质流量发现，流量从20L/h增至30L/h时，回收效
率从68.3%提升至71.8%；但流量进一步增至40L/
h 时，效率仅升至72.3%，说明存在最优流量值，过
度增加流量会导致泵功消耗增加，反而降低系统净收
益。综合来看，余热进口温度160℃、传热介质流量
30L/h 为该模块的较优运行参数，此时回收热量可达
38.2kW，能为碳回收模块再生过程提供充足能量。
2.2 碳回收模块性能分析
碳回收模块的核心性能指标为CO2
捕集率与单
位能耗，其受CO2
进口浓度、吸收剂流量及再生温度
的影响显著。图2为不同CO2
进口浓度下的碳捕集率
与单位能耗变化曲线。在吸收剂流量30L/h、再生温
度110℃条件下，当CO2
进口浓度从10%升至15%时，
捕集率先从82.3%升至89.1%，随后基本保持稳定。
这是因为较高的CO2
浓度增加了气液传质驱动力，提
升了吸收剂的利用率。
（a）CO2
捕集率与单位能耗关系
（b）CO2
捕集率与吸收剂损耗率关系
图2 不同CO2
进口浓度下的碳捕集率与单位能耗变化曲线
单位能耗则随CO2
浓度升高而降低，从1.5GJ/
tCO2
降至1.2GJ/tCO2
，这得益于高浓度下单位CO2
的处理成本降低。在CO2
浓度15%时，改变吸收剂
流量发现，流量从20L/h增至30L/h时，捕集率从
85.2% 升至89.1%，但流量增至40L/h时，捕集率仅
升至89.5%，而单位能耗从1.3GJ/tCO2
增至1.4GJ/
tCO2
，表明吸收剂流量存在经济平衡点。同时，再
生温度对能耗影响显著，当再生温度从100℃升至
120℃时，捕集率从85.6%升至89.1%，但单位能耗
从1.1GJ/tCO2
增至 1.3GJ/tCO2
，因此110℃为较优再
生温度。综合可知，在CO2
进口浓度15%、吸收剂
流量30L/h、再生温度110℃时，模块性能最优，捕
集率达89.1%，单位能耗低至1.2GJ/tCO2
，较传统胺
法降低50%以上。
2.3 协同污染治理效果分析
集成系统的污染治理模块需实现对烟气中NOx
、
VOCs等污染物的协同去除，其效果受吸附剂吸附容
量与催化剂活性的影响。图3为不同运行时间下的污
染物去除率变化曲线。在活性炭吸附-催化氧化联合
作用下，初始阶段NOx
与VOCs去除率均保持在95%
以上；运行8小时后，VOCs去除率降至92.3%，NOx
去除率仍维持在94.5%；运行12小时后，VOCs去除
率降至89.7%，此时需更换活性炭，而催化剂在150
小时内保持稳定活性。
（a）NOx出口浓度与去除率
（b）VOCs出口浓度与去除率
图3 不同运行时间下的污染物去除率变化曲线
试验表明，活性炭对VOCs的吸附饱和时间约为
12 小时，而催化剂对NOx
的氧化效率受温度影响较
大，当催化温度从200℃升至300℃时，NOx
去除率
从88.3% 升至96.2%，但能耗增加15%，因此250℃
为较优催化温度。此外，碳回收模块对污染物有一定
预处理作用，吸收剂可吸收部分酸性NOx
，使进入污
染治理模块的NOx
浓度降低15%～20%，减轻了后
续处理负荷。整体而言，该联合模块对污染物的协同
去除效果显著，出口污染物浓度均低于国家标准限值
（NOx
≤200mg/m3，VOCs≤60mg/m3）。
3 结论
（1）所构建的化工园余热-碳回收低碳集成
系统实现了能量高效梯级利用，在余热进口温度
160℃、传热介质流量30L/h条件下，余热回收率达
71.8%，回收热量38.2kW，可满足碳回收模块再生能
量需求，显著降低了系统整体能耗。
（2）碳回收模块在优化参数下（CO2
进口浓度
15%、吸收剂流量30L/h、再生温度110℃）表现优异，
CO2
捕集率达89.1%，单位CO2
捕集能耗降至1.2GJ/
tCO2
，较传统技术降低50%以上，且吸收剂损耗率
控制在0.6%/h以内，运行稳定性良好。
（3）集成系统的污染治理模块通过活性炭吸附
与催化氧化协同作用，对NOx
、VOCs的去除率均超
90%，运行12小时后出口污染物浓度仍低于国家标
准限值，实现了碳减排与污染治理的协同增效，为化
工园低碳环保转型提供了可行的技术路径。
参考文献
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作者简介
王毅伟（1991-）男，汉族，河北邢台人，本科，
助理工程师，研究方向：环保
