燃煤电厂CO2捕集中烟气预处理系统的优化模拟

吕太，刘力萌，郭东方，牛红伟，尚航

（1东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林132001；2中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209）

人类活动产生过量的CO2，造成了严重的全球性环境问题。当前，控制和减少CO2排放已成为国际社会应对全球气候变化的共识和关键举措[1]。因此，对CO2的捕集再利用显得尤为重要。目前国内、外对CO2燃烧后捕集主要采用有机胺来进行吸收，普遍采用乙醇胺（monoethanolamine，MEA）法。MEA是一种碱性物质，会与酸性气体SOx和NO2发生不可逆反应，生成无法在后续工艺中再生的热稳定性盐。这将导致工质溶液损失，并且由于一些盐的毒性特别强，还会产生废液处理等问题。因此当采用MEA法时，烟气中的SOx和NO2含量必须减少到较低的水平，这就需要对进入吸收塔的烟气进行预处理。

一般烟气预处理采用填料塔。填料塔是最常用的气液传质设备之一，由于其具有生产能力大、分离效率高、压降小、操作弹性大的优点，而广泛应用于蒸馏、吸收、解吸、汽提、萃取、洗涤等过 程[2-3]。然而国内对CO2的捕集中烟气预处理系统的实例涉及的并不是很多，只有华能北京热电厂、华能上海石洞口电厂的捕集中有烟气预处理系统，而国外无论在实例方面还是模拟方面比国内要完善很多。

由于国内对预洗塔模拟和实际应用方面的欠缺，本文采用Aspen Plus软件，分别从组合填料、填料层高度、吸收剂进量和分层喷淋进吸收剂方面，对烟气预洗系统进行模拟，得出预洗塔脱硫、降温的较佳条件，从而为工程实践提供理论参考。

1 烟气预处理

烟气一般来自于电厂脱硫后的烟气，SO2含量100～400mg/m3，NOx含量100～400mg/m3。烟气NOx中以NO为主，一般在95%以上，NO与捕集溶液不发生反应，所以在烟气预处理优化模拟中只需要考虑降低SO2含量，并降低出口烟气温度。

为了在后续CO2捕集中降低溶剂消耗，提高CO2的捕集效率，SO2含量一般需降到10μL/L以下（根据本次烟气工况，脱硫效率在91%以上，出口烟气SO2含量在4kg/h以下），烟气温度一般降到30℃左右。

图1为运用Aspen Plus对燃煤电厂CO2捕集系统的工艺流程图[4]。烟气首先经过预处理系统的洗涤塔（SCRUBBER）除去SO2等杂质并降低烟气温度，经过处理的烟气进入吸收塔（ABSORBER）用胺吸收CO2，吸收后富液由塔底经过富液泵和换热器之后进入闪蒸罐（SEP）闪蒸出一部分CO2，其余的进入再生塔（STRIPPER）再生出CO2，最后将其进行排放或者收集，剩下的贫液由塔底流出重 新 返回吸收塔循环吸收。

2 模拟选择与假设

本文对预洗塔（SCRUBBER）进行优化模拟，选取填料塔内含两层16mm的鲍尔环填料，模拟采用Aspen Plus内置模块库中的RadFrac模型。由于模块中含有电解质组分参与反应，故选择电解质物性模型ELECNRTL作为模块模拟的主要物性方法。

模拟假设：①假设烟气成分有N2、O2、CO2、H2O及SO2（见表1），参加反应有SO2和CO2，不考虑卤化氢和烟尘的影响；②不考虑预洗塔内压降；③脱硫系统稳定运行。

模拟中的主要反应见式（1）～式（5）。

表1 烟气工况

图1 CO2捕集系统模拟流程图

3 优化模拟分析

3.1 填料选择

填料是预洗塔的重要组成部分，直接与预洗塔的操作性能好坏有关。一般情况下，预洗塔内都是单一填料，但是为了进一步提高脱硫效率，本次研究将不同类型的填料和同种类型不同型号的填料进行组合，形成组合填料，并且与单一填料的脱硫率进行比较，最后选出较佳的填料形式。

在Aspen Plus操作栏中，进入Blocks中的预洗塔（SCRUBBER），选择各种不同的填料，对各种填料的参数进行设置，得出相应的数据。

3.1.1 不同种填料组合

选取4种在非平衡状态下脱硫效果相近的常用填料，即鲍尔环填料（PALL）、金属矩鞍环填料（IMTP）、波纹板填料（FLEXIPAC）和丝网型规整填料（CY）。单一填料脱硫效率和组合填料的脱硫效率分别见表2和表3。

从表2中可以看出，单一填料的脱硫效率：PALL≈FLEXIPAC＞CY＞IMTP。从表3可以看出，组合填料的脱硫效率要比单一填料的脱硫效率高，并且烟气出口的温度也随着脱硫效率的增加而有所降低，其中脱硫效率相对较好的是PALL、FLEXIPAC组合与PALL、CY。

这4种填料都属于新型填料，具有通气量大、阻力小、压降小和分离效率高等特点。但是每种填料又各有其特点：PALL选择的为聚丙烯材料，其 填料因子较小，流动阻力也较小；IMTP形状介于环形和鞍形之间，有两者的优点，并且全部表面都能被有效地利用，使气体和液体在填料层中的流动和扩散更加有利；FLEXIPAC由相互平行、垂直排列的波板片组装而成，波纹与填料塔轴线程45°角，相邻的板片在波峰或波谷相接触，使烟气和液体的接触更加充分；CY是4种填料中比表面积和空隙率最大的，并且质量轻，气相通路倾角小、有规则，能获得更高纯度的吸收产品[5]。在选择填料的同时，出于经济性的考虑，最终选取的较佳填料组合是PALL和FLEXIPAC。

表2 单一填料脱硫效率

表3 组合填料的脱硫效率

3.1.2 同种填料组合

选取2种型号的鲍尔环（PALL），分别为16mm和25mm，将型号不同的2种鲍尔环进行组合。各组合填料的脱硫效率见表4。

表4 单一填料和其不同类型组合填料的脱硫效率

从表4可以看出，同种填料不同型号的脱硫效率和降温多少是不同的，16mm的要比25mm的脱硫效率高，这是因为16mm的比表面积较大，填料因子较小。从表4中也可以看出，无论是哪种组合方式，组合填料的脱硫效率都要比单一填料有明显提高，并且出口烟气温度也有所降低。

综合表3和表4的分析结果，组合填料脱硫效率较高的原因，主要是两种填料都发挥了各自的突出优点，不同的形状和性能都加强了通气量大、阻力小、压降小等特点，从而使SO2和吸收剂的接触面积增大，有利于相间传质，因此预洗塔的脱硫效率和降温效果较好，可满足后续胺法脱碳要求。

3.2 填料层高度

填料的填料层是气液接触的主要反应位置，故填料层高度是降低出口烟气SO2含量和出口烟气温度的主要因素之一。

在Aspen Plus中建立一个灵敏度分析，保持其他工艺条件恒定，设置采集变量（出口烟气SO2含量或出口烟气温度）和操纵变量（填料层高度），调整填料层高度，把得到的结果作出曲线，观察其变化。

图2 填料层高度与出口烟气SO2含量之间的关系

从图2中可以看出，出口烟气中SO2含量的总趋势是随填料层高度的增加而降低的。当填料高度小于1m时，出口烟气中SO2含量迅速下降；当填料高度在1～2m之间时，下降趋势也很明显；当填料高度大于2m后，呈平滑曲线逐步下降；当填料高度大于4m之后，下降趋势趋于平缓。

从图3中可以看出，随填料层高度的增加出口烟气温度逐渐降低。当填料层高度小于2m时，温度下降较快；当填料层高度在2～4m之间时，温度下降的比较平均；当填料层高度大于4m时，温度均匀下降，但是降低的较少。

综合图2和图3的分析结果，随着填料层高度的增加，虽然气液接触的面积增加了，但是随着高度的增加液膜阻力随之增加，所以太高的高度对去除出口烟气中SO2含量的能力越来越少，出口烟气温度降低的也越来越少。因此填料层的最佳高度为2～4m。

3.3 吸收剂

3.3.1 吸收剂进量

图3 填料层高度与出口烟气温度之间的关系

吸收剂为预洗塔中气液反应的主要因素，由于本次模拟的烟气量主要来自电厂脱硫，烟气进气量较为固定，故优化吸收剂的进量也是是降低出口烟 气SO2含量和出口烟气温度的主要因素之一[6]。由于常用的吸收剂氨水会吸收CO2，影响其后续捕集量，所以本次模拟吸收剂采用工业水，既经济又能除去SO2减少对CO2的吸收。

在Aspen Plus中建立一个灵敏度分析，保持其他工艺条件恒定，设置采集变量（出口烟气SO2含量或出口烟气温度）和操纵变量（吸收剂进量），调节吸收剂进量，把得到的结果作出曲线，观察其 变化。

从图4中可以看出，出口烟气中SO2含量的总趋势是随吸收剂进量的增加而降低，最后趋于不变。当吸收剂进量小于250×103kg/h时，出口烟气中SO2含量呈线性下降；当吸收剂进量在(250～350)×103kg/h之间时，下降趋势逐渐平稳；当吸收剂进量大于350×103kg/h后，几乎没有下降趋势，出口烟气中SO2含量趋于不变。

从图5中可以看出，随吸收剂进量的增加出口烟气温度逐渐降低。当吸收剂进量小于250×103kg/h时，温度下降较快；当吸收剂进量在(250～350)×103kg/h之间时，温度下降得比较平缓；当吸 收剂进量大于350×103kg/h后，温度均匀下降，但是降低得较少。

图4 吸收剂进量与出口烟气中SO2含量之间的关系

图5 吸收剂进量与出口烟气温度之间的关系

综合图4和图5的分析结果，由于吸收剂进量的增加，增大了SO2气体分子与液膜的接触面积，有利于相间传质，利于SO2的吸收和降温，可满足后续胺法脱碳要求。但也不是吸收剂的进量越大越好，当吸收剂增加到一定程度是，液滴会大量凝聚，气液接触面积不再增大，反而会出现减小的现象，不利于SO2的吸收和降温。因此，吸收剂的最佳进量为(250～350)×103kg/h。

3.3.2 分层喷淋进吸收剂

拟采用改变进料情况提高脱硫率，由于塔内设定为两层填料，所以将一层进吸收剂改为两层进吸收剂，在每层填料上方分别进吸收剂。通过以下思路：两层进吸收剂量之和与单层进吸收剂相同，计算脱硫效率，并与单层进吸收剂脱硫率比较[7]。

在Aspen Plus流程的预洗塔（SCRUBBER）中，加入第二层进吸收剂，保持其他工艺条件恒定，调节第一层和第二层吸收剂的进量比例。

将预洗塔两层进吸收剂分比例进入，其总进料量与单层进吸收剂量相同，其脱硫效率见表4。

从表4可以看出，对于非平衡状态下，由一层进吸收剂改为两层进吸收剂对脱硫效率有一定的提高，第一层与第二层比例从1∶5增大到1∶1，脱硫效率略有增大，温度也略有下降；从1∶1增大道5∶1，脱硫效率增大的幅度很小，温度也不再变化，最佳比例可以选择1∶1。气液的主要反应区在填料层处，分成两层进料从每层填料上方进吸收剂，可以使每层反应区上方进入填料的吸收剂几乎都是未反应过的工业水，这样对于气体的吸收很有利，因此效率有所增加，烟气温度有所减低，可满足后续胺法脱碳要求。实际操作中，如果改为两层进吸收剂，可以减少动力消耗。

在非平衡状态下，单层进吸收剂300×103kg/h， 脱硫效率91.1%，温度降为33.2℃。显然两层进吸收剂优于一层进吸收剂，其直接结果是降低了能源消耗。

表4 两层进吸收剂比例与脱硫效率的关系

4 结 论

通过Aspen Plus模拟分析，对燃煤电厂CO2捕集中烟气预处理系统的优化可以得出如下结论。

（1）在非平衡级模型的基础上，将预洗塔中的单一填料换成不同类型和同种类型不同型号的填料，考察其脱硫效率和出口烟气温度情况。结果表明：4种不同类型填料进行组合，由于各自结构的优势，组合填料的脱硫效率要比单一填料的脱硫效率高，出口烟气温度也会相应降低，其中较佳的组合是FALL和FLEXIPAC。同种类型不同型号的组合填料，比单一型号填料的脱硫效率有明显的提高，出口烟气温度也有明显降低。

（2）对预洗塔的填料层高度和吸收剂进量建立灵敏度分析，结果表明：①当填料层高度在2～4m之间时，SO2含量呈稳定曲线形式下降，温度稳定下降，是填料层的最佳高度；②当吸收剂进量在(250～350)×103kg/h之间时，SO2含量呈稳定曲线形式下降，温度稳定下降，是吸收剂的最佳进量。

（3）将预洗塔的一层进吸收剂改成两层进吸收剂，两层进吸收剂分别按照比例进水，进料总和与单层进吸收剂相同。结果表明：两层进吸收剂的脱硫效率要比一层进吸收剂的脱硫效率好，其中较佳的比例为1∶1。在实际操作中，如果改为两层进吸收剂，最大的优势在于可以减少能源动力消耗。

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