火電廠MEA吸收法捕集CO2的模擬與分析

車德勇 劉大任 張卓文 王艷鵬 劉 輝

(1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

自2009年“哥本哈根世界氣候大會”召開以來，如何有效控制溫室氣體的排放成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中亟待解決的重要課題[1]。溫室氣體指的是大氣中能吸收地面反射的太陽輻射，并重新發(fā)射輻射的氣體，包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)及含氟制冷劑等[2]。由于人類活動排放的溫室氣體中含量最多的是CO2，而煤炭等化石燃料的燃燒是大氣中CO2劇增的重要原因，因此對煤炭燃燒的大戶——燃煤電廠進(jìn)行煙氣脫碳處理無疑會對減排CO2產(chǎn)生顯著效果。目前，研究用于煙氣脫碳的方法較多，主要分為吸附法、低溫法、膜分離法及化學(xué)吸收法等[3]。其中化學(xué)吸收法具有吸收速度快、吸收效率高及系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

一乙醇胺(MEA)是化學(xué)吸收法中常用的吸收劑，國內(nèi)外眾多學(xué)者對MEA捕集CO2開展了廣泛的研究。Jung J等對CO2的吸收和解吸過程的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了模擬和優(yōu)化[4]，通過使用一種相分離換熱器降低了解吸塔冷凝器的能量損耗，使捕集CO2所需要的能量從3.31GJ/t降低到2.86GJ/t。Harun N等采用動態(tài)模型研究改變煙氣流速和再沸器熱負(fù)荷時(shí)MEA吸收過程的瞬間變化[5]，結(jié)果表明煙氣流速和再沸器熱負(fù)荷的改變是影響貧液負(fù)荷和CO2脫除效率的關(guān)鍵因素；西安熱工院的黃斌等人進(jìn)行了CO2捕集的工業(yè)試驗(yàn)研究，獲得了煙氣脫碳工程應(yīng)用的現(xiàn)場資料[6]；清華大學(xué)的鄭碏等人對MEA溶液中的CO2氣體溶解度進(jìn)行計(jì)算，得出了CO2在MEA溶液中的溶解度，在此基礎(chǔ)上，建立了CO2吸收過程模擬程序和總體能耗的計(jì)算方法[7]。筆者利用Aspen Plus軟件進(jìn)行MEA溶液吸收燃煤電廠煙氣中CO2的流程模擬，對吸收液溫度、煙氣量及貧液負(fù)荷等因素對脫碳效率的影響程度進(jìn)行了探究，得到了適宜的操作條件，為MEA脫碳的工業(yè)應(yīng)用起到了指導(dǎo)和預(yù)測的作用。

1 MEA吸收法捕集CO2的流程模擬①

1.1 CO2捕集的模型

圖1為采用Aspen Plus建立的CO2捕集系統(tǒng)的工藝流程。圖1中，經(jīng)過脫硫脫硝處理后的煙氣從底部進(jìn)入填料吸收塔，在塔內(nèi)上升過程中遇到從吸收塔頂部噴淋的MEA貧液，氣液在吸收塔的填料上逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，煙氣中的CO2被吸收后，從塔頂部離開吸收塔。MEA貧液吸收CO2后成為MEA富液，富液通過泵的加壓和換熱器升溫后進(jìn)入解吸塔。解吸塔實(shí)際上是精餾塔，其作用是通過再沸器將CO2解吸出來。富液在解吸CO2后成為貧液，流出解吸塔的貧液通過換熱器降溫后在混合器中與補(bǔ)充的水和MEA進(jìn)行混合，再通過冷卻器降溫后重新進(jìn)入吸收塔捕集CO2。這一吸收-解吸的循環(huán)過程實(shí)現(xiàn)了吸收劑MEA的反復(fù)使用，系統(tǒng)只需補(bǔ)充損失的少量水和MEA即可。圖1中各模塊的說明見表1。

圖1 MEA吸收法捕集CO2裝置流程

設(shè)備單元ASPEN模塊模塊命名吸收塔RateFracABSORPT解吸塔RateFracDESORPT熱交換器 HeatXEXCHANGE富液泵PumpRICHPUMP混合器MixerMIXER冷卻器HeaterCOOLING

1.2 模擬煙氣的選擇

模擬煙氣的參數(shù)參照某燃煤電廠CO2捕集示范裝置的煙氣參數(shù)，該試驗(yàn)系統(tǒng)中煙氣從該電廠1號機(jī)組和2號機(jī)組脫硫系統(tǒng)之后的煙道引出，流量為2～3km3/h。通常條件下該煙氣中的主要成分和模擬煙氣的成分見表2。

表2 煙氣中主要成分及其體積分?jǐn)?shù) %

1.3 模擬的假設(shè)

利用Aspen Plus建立MEA吸收法脫碳的模

擬流程需要進(jìn)行如下假設(shè)：

a. 在脫碳前進(jìn)行的脫硫脫硝效果理想，忽略微量SOX和NOX對吸收反應(yīng)的影響；

b. 不考慮O2與MEA的反應(yīng)；

c. 不考慮MEA的腐蝕和降解；

d. 模擬中不考慮CO2的干燥、壓縮和運(yùn)輸?shù)墓に嚵鞒獭?/p>

2 模型驗(yàn)證

通過文獻(xiàn)[8]中的數(shù)據(jù)可知，該燃煤電廠CO2捕集示范裝置的吸收塔和解吸塔同為填料塔，塔高30m，吸收塔和解吸塔的內(nèi)徑分別為1.2m和1.0m。塔體填料高度均為2×7.5m，填料類型為孔板波紋填料，填料空隙率大于98%，填料的排列方式為規(guī)整排列。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃裕M中設(shè)置的塔體參數(shù)、物料參數(shù)與該裝置的已知參數(shù)保持一致。將獲得的模擬值與該燃煤電廠CO2捕集示范裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到的比較結(jié)果列于表3。從表3可以看出，模擬值與實(shí)測值之間存在一定的誤差，其中吸收塔出口CO2的體積分?jǐn)?shù)略高于實(shí)測值，解吸塔出口CO2的體積分?jǐn)?shù)和回收CO2的量均低于實(shí)測值，但誤差較小，說明模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果是基本一致的，驗(yàn)證了模擬的可信度。

表3 試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測值的對比

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 貧液溫度對脫碳效率的影響

圖2是吸收液溫度與脫碳后CO2的排量、脫碳效率的關(guān)系圖。從圖2中可以看出，隨著吸收液溫度的不斷升高，二氧化碳的排量不斷增加，脫碳效率隨之下降。溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的重要因素，化學(xué)反應(yīng)速率通常隨溫度的升高而增大。但MEA與CO2的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，較低的溫度有利于化學(xué)平衡向正向移動，進(jìn)而保證產(chǎn)品較高的收率。CO2不易溶于水，其溶解度隨溫度的升高而降低，過高的溫度不利于CO2溶解到吸收液中發(fā)生化學(xué)吸收。因此控制吸收液的溫度在較低范圍內(nèi)，有利于提高CO2的捕集率。但過低的吸收液溫度意味著冷卻器能耗的增加，不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，低溫也會造成反應(yīng)速度過慢，進(jìn)而延長反應(yīng)時(shí)間。圖2中吸收液溫度在40～50℃時(shí)，脫碳效率在96%以上，是最優(yōu)的溫度范圍。

圖2 吸收液溫度與CO2排量、脫碳效率的關(guān)系

3.2 煙氣量對脫碳效率的影響

圖3為煙氣量與脫碳后煙氣中CO2的排量、脫碳效率的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出，隨著進(jìn)入吸收塔煙氣量的增加，CO2的排量逐漸上升，脫碳效率不斷降低。當(dāng)煙氣流量增加的范圍較小時(shí)，脫碳效率緩慢下降，隨著煙氣量的不斷增加，脫碳效率大幅降低。當(dāng)煙氣量范圍為90～125kmol/h時(shí)，CO2的排放量升高較慢，脫碳效率略微降低；當(dāng)煙氣量范圍在125～150kmol/h時(shí)，CO2的排放量隨煙氣流量的增加而大幅提高，脫碳效率顯著下降。這是由于煙氣量超過125kmol/h后，氣液比大大增加，超過了MEA溶液的載氣限度，雖然煙氣量的增加導(dǎo)致了煙氣中CO2的含量相應(yīng)增加，但脫碳后煙氣中CO2的排量增加得更為迅速，導(dǎo)致了脫碳效率的急劇下降。由圖3可知，最佳的煙氣量在100～115kmol/h范圍內(nèi)，CO2的排量較小，脫碳效率較高。

圖3 煙氣量與CO2的排量、脫碳效率的關(guān)系

3.3 貧液負(fù)荷對脫碳效率的影響

貧液負(fù)荷指的是吸收液中CO2的載荷，即CO2和吸收劑MEA的比值。貧液負(fù)荷的大小取決于解吸塔的解吸程度，解吸塔解吸能力越強(qiáng)則貧液負(fù)荷越低，解吸塔解吸能力越差則貧液負(fù)荷越高。從圖4中可以看出，CO2的捕集效率隨貧液負(fù)荷的增加而降低。當(dāng)貧液負(fù)荷在0.2～0.3的范圍時(shí)，脫碳效率曲線下降緩慢，當(dāng)貧液負(fù)荷超過0.3后，脫碳效率曲線迅速下滑，當(dāng)貧液負(fù)荷在0.4左右時(shí)，脫碳效率已經(jīng)低到60%左右。可見，貧液負(fù)荷是影響脫碳效率的重要因素之一，較低的貧液負(fù)荷才能保證較高的脫碳效率。最佳的貧液負(fù)荷為0.2～0.3之間，此時(shí)脫碳效率高達(dá)94%以上。

圖4 貧液負(fù)荷對脫碳效率的影響

4 結(jié)論

4.1吸收液溫度越低，凈煙氣中的CO2含量越少，CO2脫除效果越好。而過低的液溫不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減緩了反應(yīng)的速度，最佳的吸收液溫度為40～50℃。

4.2脫碳效率隨煙氣量的增加而降低，煙氣量的增加導(dǎo)致氣液比增大，較大的氣液比不利于脫碳反應(yīng)的順利進(jìn)行，當(dāng)煙氣量在100～115kmol/h范圍時(shí)，脫碳效率較高。

4.3貧液負(fù)荷的增大導(dǎo)致了MEA的吸收能力降低，CO2脫除效率下降。而較低的貧液負(fù)荷意味著再沸器能耗的增加，適宜的貧液負(fù)荷為0.2～0.3范圍內(nèi)。