火电厂+MEA+吸收法捕集+CO2的模拟与分析
火电厂ＭＥＡ吸收法捕集ＣＯ２的模拟与分析车德勇１ 刘大任１ 张卓文１ 王艳鹏１ 刘 辉２
（１．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林１３２０１２；２．哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨１５０００１）摘 要 为揭示一乙醇胺（ＭＥＡ）吸收法捕集ＣＯ２的机制，探寻重要参数对脱碳效率的影响情况，利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ建立ＭＥＡ吸收烟气中ＣＯ２的系统模型。通过与某电厂脱碳系统运行数据的比对，发现该模型与实测值的拟合度较好。模型考察了吸收剂温度、烟气流量及贫液负荷等因素对脱碳效率的影响情况。结果表明：吸收剂温度越低、烟气量越小、贫液负荷越低，ＣＯ２的吸收率越高。该模型对脱碳系统的变工况运行和提高脱碳效率，起到了指导和预测作用。
关键词 ＣＯ２捕获 一乙醇胺 ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ
中图分类号 ＴＱ２０２ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０００－３９３２（２０１４）０７－０７９７－０４
自２００９年“哥本哈根世界气候大会”召开以来，如何有效控制温室气体的排放成为我国经济发展过程中亟待解决的重要课题［１］。温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳辐射，并重新发射辐射的气体，包括二氧化碳（ＣＯ２）、甲烷（ＣＨ４）及含氟制冷剂等［２］。由于人类活动排放的温室气体中含量最多的是ＣＯ２，而煤炭等化石燃料的燃烧是大气中ＣＯ２剧增的重要原因，因此对煤炭燃烧的大户———燃煤电厂进行烟气脱碳处理无疑会对减排ＣＯ２产生显著效果。目前，研究用于烟气脱碳的方法较多，主要分为吸附法、低温法、膜分离法及化学吸收法等［３］。其中化学吸收法具有吸收速度快、吸收效率高及系统稳定性好等特点，具有很高的工业应用价值。
一乙醇胺（ＭＥＡ）是化学吸收法中常用的吸收剂，国内外众多学者对ＭＥＡ捕集ＣＯ２开展了广泛的研究。ＪｕｎｇＪ等对ＣＯ２的吸收和解吸过程的经济性进行了模拟和优化［４］，通过使用一种相分离换热器降低了解吸塔冷凝器的能量损耗，使捕集ＣＯ２所需要的能量从３．３１ＧＪ／ｔ降低到２．８６ＧＪ／ｔ。ＨａｒｕｎＮ等采用动态模型研究改变烟气流速和再沸器热负荷时ＭＥＡ吸收过程的瞬间变化［５］，结果表明烟气流速和再沸器热负荷的改变是影响贫液负荷和ＣＯ２脱除效率的关键因素；西安热工院的黄斌等人进行了ＣＯ２捕集的工业试验研究，获得了烟气脱碳工程应用的现场资料［６］；清华大学的郑碏等人对ＭＥＡ溶液中的ＣＯ２气体溶解度进行计算，得出了ＣＯ２在ＭＥＡ溶液中的溶解度，在此基础上，建立了ＣＯ２吸收过程模拟程序和总体能耗的计算方法［７］。笔者利用
ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件进行ＭＥＡ溶液吸收燃煤电厂烟气中ＣＯ２的流程模拟，对吸收液温度、烟气量及贫液负荷等因素对脱碳效率的影响程度进行了探究，得到了适宜的操作条件，为ＭＥＡ脱碳的工业应用起到了指导和预测的作用。
１ ＭＥＡ吸收法捕集ＣＯ２的流程模拟①１．１ ＣＯ２捕集的模型
图１为采用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ建立的ＣＯ２捕集系统的工艺流程。图１中，经过脱硫脱硝处理后的烟气从底部进入填料吸收塔，在塔内上升过程中遇到从吸收塔顶部喷淋的ＭＥＡ贫液，气液在吸收塔的填料上逆流接触进行传质传热，烟气中的ＣＯ２被吸收后，从塔顶部离开吸收塔。ＭＥＡ贫液吸收ＣＯ２后成为ＭＥＡ富液，富液通过泵的加压和换热器升温后进入解吸塔。解吸塔实际上是精馏塔，其作用是通过再沸器将ＣＯ２解吸出来。富液在解吸ＣＯ２后成为贫液，流出解吸塔的贫液通过换热器降温后在混合器中与补充的水和ＭＥＡ进行混合，再通过冷却器降温后重新进入吸收塔捕集ＣＯ２。这一吸收－解吸的循环过程实现了吸收剂ＭＥＡ的反复使用，系统只需补充损失的少量水和ＭＥＡ即可。图１中各模块的说明见表１。
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第７期 车德勇等．火电厂ＭＥＡ吸收法捕集ＣＯ２的模拟与分析
①收稿日期：２０１３－１１－０６
图１ ＭＥＡ吸收法捕集ＣＯ２装置流程
表１ 模型中所用到的单元操作模块说明设备单元ＡＳＰＥＮ模块模块命名
吸收塔ＲａｔｅＦｒａｃＡＢＳＯＲＰＴ
解吸塔ＲａｔｅＦｒａｃＤＥＳＯＲＰＴ
热交换器ＨｅａｔＸＥＸＣＨＡＮＧＥ
富液泵ＰｕｍｐＲＩＣＨＰＵＭＰ
混合器ＭｉｘｅｒＭＩＸＥＲ
冷却器
Ｈｅａｔｅｒ
ＣＯＯＬＩＮＧ
１．２ 模拟烟气的选择
模拟烟气的参数参照某燃煤电厂ＣＯ２捕集示范装置的烟气参数，该试验系统中烟气从该电厂１号机组和２号机组脱硫系统之后的烟道引
出，流量为２～３ｋｍ３
／ｈ。通常条件下该烟气中的主要成分和模拟烟气的成分见表２。
表２ 烟气中主要成分及其体积分数％
主要成分ＣＯ２Ｏ２Ｈ２ＯＮ２试验烟气１４．２５．７１４．５６５．６模拟烟气
１４．２
５．７
１４．５
６５．６
１．３ 模拟的假设
利用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ建立ＭＥＡ吸收法脱碳的模
拟流程需要进行如下假设：
ａ．在脱碳前进行的脱硫脱硝效果理想，忽略微量ＳＯＸ和ＮＯＸ对吸收反应的影响；ｂ．不考虑Ｏ２与ＭＥＡ的反应；ｃ．不考虑ＭＥＡ的腐蚀和降解；ｄ．模拟中不考虑ＣＯ２的干燥、压缩和运输的工艺流程。２ 模型验证
通过文献［８］中的数据可知，该燃煤电厂ＣＯ２
捕集示范装置的吸收塔和解吸塔同为填料塔，塔高３０ｍ，吸收塔和解吸塔的内径分别为１．２ｍ和１．０ｍ。塔体填料高度均为２×７．５ｍ，填料类型为孔板波纹填料，填料空隙率大于９８％，填料的排列方式为规整排列。为检验模型的可靠性，模拟中设置的塔体参数、物料参数与该装置的已知参数保持一致。将获得的模拟值与该燃煤电厂ＣＯ２捕集示范装置的实时数据进行比较，得到的比较结果列于表３。从表３可以看出，模拟值与实测值之间存在一定的误差，其中吸收塔出口ＣＯ２的体积分数略高于实测值，解吸塔出口ＣＯ２的体积分数和回收ＣＯ２的量均低于实测值，但误差较小，说明模拟结果与实测结果是基本一致的，验证了模拟的可信度。
表３ 试验结果与模型预测值的对比
数值
入口烟气ＣＯ２
体积分数
％
烟气流量ｍ３?ｈ－１烟气温度
℃吸收塔出口ＣＯ２体积分数
％解吸塔出口ＣＯ２体积分数
％回收ＣＯ２
的量ｔ?ｈ－１
试验值１２．０～１５．０
２９００５５３．４０９９．７００．５０００模拟值
１４．２
２９００
５５
３．６１
９５．６４
０．４５２７
８９７化工自动化及仪表 第４１卷
３ 模拟结果与分析３．１ 贫液温度对脱碳效率的影响
图２是吸收液温度与脱碳后ＣＯ２的排量、脱碳效率的关系图。从图２中可以看出，随着吸收液温度的不断升高，二氧化碳的排量不断增加，脱碳效率随之下降。温度是影响化学反应速率的重要因素，化学反应速率通常随温度的升高而增大。但ＭＥＡ与ＣＯ２的反应是放热反应，较低的温度有利于化学平衡向正向移动，进而保证产品较高的收率。ＣＯ２不易溶于水，其溶解度随温度的升高而降低，过高的温度不利于ＣＯ２溶解到吸收液中发生化学吸收。因此控制吸收液的温度在较低范围内，有利于提高ＣＯ２的捕集率。但过低的吸收液温度意味着冷却器能耗的增加，不利于系统的经济性。同时，低温也会造成反应速度过慢，进而延长反应时间。图２中吸收液温度在４０～５０℃时，脱碳效率在９６％以上，是最优的温度范
围。
图２ 吸收液温度与ＣＯ２排量、脱碳效率的关系３．２ 烟气量对脱碳效率的影响
图３为烟气量与脱碳后烟气中ＣＯ２的排量、脱碳效率的关系曲线。从图３中可以看出，随着进入吸收塔烟气量的增加，ＣＯ２的排量逐渐上升，脱碳效率不断降低。当烟气流量增加的范围较小时，脱碳效率缓慢下降，随着烟气量的不断增加，脱碳效率大幅降低。当烟气量范围为９０～１２５ｋｍｏｌ／ｈ时，ＣＯ２的排放量升高较慢，脱碳效率略微降低；当烟气量范围在１２５～１５０ｋｍｏｌ／ｈ时，ＣＯ２的排放量随烟气流量的增加而大幅提高，脱碳效率显著下降。这是由于烟气量超过１２５ｋｍｏｌ／ｈ后，气液比大大增加，超过了ＭＥＡ溶液的载气限度，虽然烟气量的增加导致了烟气中
ＣＯ２的含量相应增加，但脱碳后烟气中ＣＯ２的排
量增加得更为迅速，导致了脱碳效率的急剧下降。由图３可知，最佳的烟气量在１００～１１５ｋｍｏｌ／ｈ范围内，ＣＯ２的排量较小，
脱碳效率较高。
图３ 烟气量与ＣＯ２的排量、脱碳效率的关系３．３ 贫液负荷对脱碳效率的影响
贫液负荷指的是吸收液中ＣＯ２的载荷，即ＣＯ２和吸收剂ＭＥＡ的比值。贫液负荷的大小取决于解吸塔的解吸程度，解吸塔解吸能力越强则贫液负荷越低，解吸塔解吸能力越差则贫液负荷越高。从图４中可以看出，ＣＯ２的捕集效率随贫液负荷的增加而降低。当贫液负荷在０．２～０．３的范围时，脱碳效率曲线下降缓慢，当贫液负荷超过０．３后，脱碳效率曲线迅速下滑，当贫液负荷在０．４左右时，脱碳效率已经低到６０％左右。可见，贫液负荷是影响脱碳效率的重要因素之一，较低的贫液负荷才能保证较高的脱碳效率。最佳的贫液负荷为０．２～０．３之间，此时脱碳效率高达９４％
以上。
图４ 贫液负荷对脱碳效率的影响
４ 结论４．１ 吸收液温度越低，净烟气中的ＣＯ２含量越少，ＣＯ２脱除效果越好。而过低的液温不利于系统的经济性，同时减缓了反应的速度，最佳的吸收
９
９７ 第７期 车德勇等．火电厂ＭＥＡ吸收法捕集ＣＯ２的模拟与分析
液温度为４０～５０℃。
４．２ 脱碳效率随烟气量的增加而降低，烟气量的增加导致气液比增大，较大的气液比不利于脱碳反应的顺利进行，当烟气量在１００～１１５ｋｍｏｌ／ｈ范围时，脱碳效率较高。
４．３ 贫液负荷的增大导致了ＭＥＡ的吸收能力降低，ＣＯ２脱除效率下降。而较低的贫液负荷意味着再沸器能耗的增加，适宜的贫液负荷为０．２～０．３范围内。
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ｆｏｒＣａｐｔｕｒｉｎｇＣＯ２ｉｎＰｏｗｅｒＰｌａｎｔｓ
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２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｖｅａｌｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｏｎｏｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ（ＭＥＡ）ｃａｐｔｕｒｉｎｇＣＯ２ａｎｄｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ’ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅＡｓｐｅｎＰｌｕｓｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆＭＥＡａｂｓｏｒｂｉｎｇＣＯ２ｆｒｏｍｔｈｅｆｌｕｅｇａｓ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｄａｔａｏｆａｐｌａｎｔｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｉｓｍｏｄｅｌａｇｒｅｅｓｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｖａｌｕｅｓ，ａｎｄｉｔｃａｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｂｓｏｒｂｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｆｌｕｅｇａｓｆｌｏｗａｎｄｂａｒｒｅｎｌｉｑｕｏｒｌｏａｄｏｎｔｈｅｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄｌｏｗｅｒａｂｓｏｒｂｅｎｔｔｅｍ－ｐｅｒａｔｕｒｅ，ｆｌｕｅｇａｓｆｌｏｗａｎｄｂａｒｒｅｎｌｉｑｕｏｒｌｏａｄｃａｎｂｒｉｎｇｈｉｇｈｅｒＣＯ２ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｒａｔｅ．Ｔｈｉｓｍｏｄｅｌｐｌａｙｓａｇｕｉｄｅａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔｉｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄｅ－ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｄｅ－ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ’ｓｖａｒｙｉｎｇｄｕｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃａｐｔｕｒｉｎｇＣＯ２，ｍｏｎｏｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ，ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ
（ＣｏｎｔｉｎｕｅｄｆｒｏｍＰａｇｅ７９６）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇａｎｄｔｉｍｅ－ｌａｇｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｎｍｅｔｈａｎｏｌｓｙｎ－ｔｈｅｔｉｃｒｅａｃｔｏｒ，ａｎｄｔｈｅｐｏｏｒａｄａｐｔｉｖｅａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ，ｌａｒｇｅｖｏｌｕｍｅａｎｄｈｉｇｈｃｏｓｔａｓｗｅｌｌａｓｐｏｏｒｃｏｍｐａｔ－ｉｂｉｌｉｔｙｉｎＰＬＣ－ｂａｓｅｄＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ，ｈａｖｉｎｇｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎＡＲＭ９－ｂａｓｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｍｅｔｈａｎｏｌｓｙｎｔｈｅｓｉｓｒｅａｃｔｏｒ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｙｓｔｅｍ’ｓｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈＳｉｍｕｌｉｎｋ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔＡＲＭ９－ｂａｓｅｄｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｓｂｅｔｔｅｒｓｔａｂｌｅａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｓｔｒｏｎｇｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓａｎｄａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｍｅｔｈａｎｏｌｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ，ＡＲＭ９，ｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ００８化工自动化及仪表 第４１卷
火电厂 MEA 吸收法捕集 CO2的模拟与分析
作者：车德勇， 刘大任， 张卓文， 王艳鹏， 刘辉， CHE De-yong， LIU Da-ren， ZHANG Zhuo-wen， WANG Yan-peng， LIU Hui
作者单位：车德勇,刘大任,张卓文,王艳鹏,CHE De-yong,LIU Da-ren,ZHANG Zhuo-wen,WANG Yan-peng(东北电力大学能源与动力工程学院,吉林 吉林,132012)， 刘辉,LIU Hui(哈尔滨工
业大学能源科学与工程学院,哈尔滨,150001)
刊名：
化工自动化及仪表
英文刊名：Control and Instruments in Chemical Industry
年，卷(期)：2014(7)
参考文献(8条)
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引用本文格式：车德勇.刘大任.张卓文.王艳鹏.刘辉.CHE De-yong.LIU Da-ren.ZHANG Zhuo-wen.WANG Yan-peng.LIU Hui火电厂 MEA 吸收法捕集 CO2的模拟与分析[期刊论文]-化工自动化及仪表 2014(7)