醇胺法碳捕集工艺解吸塔能耗分析

赵东亚, 揭 超, 李兆敏

(1.中国石油大学化学工程学院,山东青岛 266580; 2.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580)

醇胺法碳捕集工艺解吸塔能耗分析

赵东亚1, 揭 超1, 李兆敏2

(1.中国石油大学化学工程学院,山东青岛 266580; 2.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580)

解吸塔的能耗是评价醇胺法的重要技术指标。针对解吸塔反应精馏的特点,在MESH方程(质量平衡方程、相平衡方程、摩尔分数归一化方程、能量平衡方程)中加入反应项建立平衡级静态模型,得到与再生能耗相关的直接因素,定性分析这些因素对再生能耗的影响。结果表明,再生能耗主要集中在解吸塔内升温吸热和解吸化学吸热过程,且MEA浓度、塔底压力等参数对能耗也有较大影响。

二氧化碳捕集; MESH方程; 反应精馏; 能耗

随着经济的快速发展,人类对化石燃料的需求量不断增加,导致CO2的排放量逐年提高,造成越来越严重的温室效应问题。燃煤电厂是CO2的集中排放源,捕集烟气中的CO2对缓解全球气候变化具有重要意义[1-2]。化学吸收法因其捕集量大、技术较为成熟得到了广泛的利用,其中MEA吸收法以其吸收速率快、吸收效率高等优点发展最为迅速,但该工艺需要电厂供给大量高低压蒸汽,导致捕集成本升高[3-4]。解吸塔是醇胺法二氧化碳捕集技术耗能最大的设备,解吸能耗占CO2捕集系统总能耗的70% ～ 80%[5],对其能耗进行分析,对于指导生产实践具有积极作用。当前在研究降低CO2解吸能耗方面,主要有:采用新型吸收剂[6]、优化工艺参数、改进吸收解吸工艺[7]。其中优化工艺参数不涉及改变装置及试剂,在实际生产中得到广泛应用。Abu-Zahra[8]运用Aspen Plus建模并分析了能耗同贫液负载率(溶液中CO2的质量占比)、吸收剂浓度、贫液(含CO2较少的溶液)温度的关系;李太星等[9]研究了氨水吸收CO2反应热随贫液CO2负载率变化规律,其他影响因素如氨水浓度等则未做详细分析。李小飞等[10]在实验的基础上定性分析贫液CO2负载率等5个工艺参数同单位能耗,并未建立吸收塔能耗分析的机制模型,且数据量较少,不能充分反映单位能耗与工艺参数之间的关系,如单位能耗随富液(含CO2较多的溶液)温度升高而减小,但当富液温度超过拐点时则迅速上升,文中未能体现。笔者运用MESH方程建立解吸塔机制模型,在文献[10]的基础上增加塔顶温度、富液进料流率和贫液温度3个参数对单位能耗的影响分析,并确定贫液负载率等8个参数的参考设置范围。

1 MEA二氧化碳捕集工艺

二氧化碳捕集与纯化工艺过程主要的化学反应为

二氧化碳吸收:

(1)

乙醇胺再生:

CO2+2R-NH2.

(2)

如图1所示,电厂的烟气经冷却器冷却后加压进入吸收塔,在吸收塔中发生反应(1),完成二氧化碳的吸收,形成稳定的中间产物氨基甲酸酯,经吸收塔塔顶排出净化的烟气,塔底输出二氧化碳富液,富液经过贫富液换热器换热后进入解吸塔发生反应(2),氨基甲酸酯分解,完成MEA的再生,在解吸塔的塔顶得到高浓度的二氧化碳产品,塔底排出高温的二氧化碳贫液,贫液一部分进行回收,一部分回流,经过贫富液换热器为富液提供热量,同时自己的温度降低,之后再经过冷却器进一步降温,最后和补充的MEA溶液,循环水一起进入吸收塔,完成吸收液的循环[8-11]。

图1 MEA化学吸收法的工艺流程Fig.1 Process of MEA method carbon capture

对于解吸塔而言,能量的来源及去向主要有再沸器供热、冷凝器散热、富液流入和贫液流出负载热量以及塔顶二氧化碳带出的热量;物料来源及去向包括来自吸收塔的富液、冷凝塔输出的CO2(含杂质)和再沸器输出的贫液。

2 解吸塔机制模型

主要采用MESH法建立平衡级模型。模型假设:(1)催化精馏过程为定常态且反应仅发生于液相;(2)汽液两相离开塔板时处于热力学平衡和相平衡;(3)有反应发生的塔板为全混反应器[12-13]。

图2 第j级塔板参数Fig.2 Parameters of plate of j

根据物料及能量衡算关系列出方程[14-15]为

M方程(级j的组分物料衡算方程):

Lj-1xi,j-1+Vj+1yj+1+Fjzi,j-Ljxi,j-Ujxi,j-(Vj+Gj)yi,j+ΔRj=0.

(3)

式中,x为液相组分摩尔流率;y为液相组分摩尔流率;Vj为汽相流率;Lj为液相流率;Fi为液体进料量;z为进料组分摩尔流率;i为组分号;j为平衡级号;ΔRj为级间反应速率;Gj为侧线汽流量;Uj为侧线液流量。

E方程(汽-液相平衡方程):

Yi,j=Ki,jXi,j.

(4)

式中,K为相平衡常数;Yi,j为组分在液相中的摩尔分率;Xi,j为组分在汽相中的摩尔分率。

S方程(摩尔分率加和式):

(5)

式中,m为组分个数。

H方程(级j的热量衡算方程):

Lj-1hi,j-1+Vj+1Hj+1+FjHi,j-(Li+Uj)hi,j-(Vi+Gj)Hj-Qj+ΔRjHrj=0.

(6)

式中,hj为液相摩尔热焓;Hj为汽相摩尔热焓;Hr为反应摩尔热焓;Qj为级间流失热。

R方程(总反应速率为各级反应速率总和):

(7)

式中,ΔR为总反应速率。

在MESH方程中相平衡常数Ki,j、汽相摩尔热焓Hi,j和液相摩尔热焓hi,j不是独立变量,它们是温度、压力和组成的函数[16-18]。

(8)

Grich,in=Glean,out+GCO2.

(9)

式中,Grich,in为入塔富液流率;Glean,out为出塔贫液流率;GCO2为塔顶二氧化碳流率;Tj为塔板温度;Pj为塔板压力。

贫液流率可用富液流率和塔顶汽体产量表示。由于反应精馏塔内气压变化不大,可近似看作定值,板层塔板压力均等于塔底压力。由贫液负载率推算塔底液相组分摩尔流率,每层塔板液相组分摩尔流率由后者线性内插获得。由塔顶CO2产量和塔顶流率可得塔顶汽相组分摩尔流率,每层塔板汽相组分摩尔流率由其线性内插获得。液体进料量由富液流率获得。进料组分摩尔流率由富液负载率推算可得。侧线汽、液流量均为零。塔板温度由塔顶温度和贫液温度线性内插获得。塔板汽相流率和液相流率分别由塔顶汽体流率和贫液流率线性内插获得,级间流失热、级间反应热、汽相摩尔热焓、反应摩尔热焓、液相摩尔热焓均由单位能耗涵盖。

(10)

3 解吸塔能耗分析

3.1 单位能耗计算

运用MESH法建立了平衡级模型,并找出与再生热相关的变量,根据这些参量对再生热进行了进一步的能耗分析。

Qreg=Qs+Qr+Qg.

(11)

式中,Qreg为再生热;Qs为显热;Qr为分解反应热;Qg为汽化热。

(1)显热。

其中

(12)

(2)分解反应热。

Q=GCO2ΔqCO2.

(13)

式中,ΔqCO2为单位CO2再生所需的平均反应热;GCO2为塔顶CO2流率。

(3)汽化热。

(14)

综上,解吸塔单位能耗计算式为

(15)

3.2 单位能耗与关键参数分析

由式(9)可知,单位能耗主要受贫液温度、负载率,富液温度、负载率、流量,塔顶温度、流量和塔底压力等参数影响,通过ProTreat软件建立工艺模型,并求解获得相关数据,对参数与单位能耗关系做了进一步分析。ProTreat软件是一款专门处理酸性气体化工的仿真软件,在CO2捕集领域具有较为广泛的应用[20-22]。以胜利电厂100 t/d CO2捕集工程为背景建立捕集工艺模型,其基础条件包括烟道气组分(12.5%CO2,78.5%N2,4%O2,5%H2O),进气量18 965 m3/h,进入吸收塔温度40 ℃,吸收剂为MEA溶液,质量分数 28%,吸收塔为填料塔,解吸塔为板式塔。

如图3所示,随着解吸塔塔底的压力或贫液温度增加,再生能耗开始以较快速度下降,分别在解吸塔贫液温度为391.9 ℃和塔底压力为0.158 MPa时出现拐点,此后,继续增大解吸塔塔底压力或贫液温度,再生能耗下降缓慢。在实际工业生产中,往往采用增大再沸器加热蒸汽量的方式增加塔底压力,与此同时塔底温度也会随之上升。由此可知,增大解吸塔塔底压力,再生能耗也会下降,当解吸塔塔底压力过高时,解吸塔塔底温度也会较高,这样会造成吸收液的大量损耗反而不利于解吸过程。

图3 塔底温度和压力对单位能耗的影响Fig.3 Influences of bottom temperature and pressure on unit energy consumption

图4为贫液负载率对单位能耗的影响。由图4可知,贫液CO2负载逐渐增大,系统的再生能耗会逐渐降低,当贫液CO2负载到0.255 mol CO2/mol MEA时,贫液能耗达到最小值,约为4.52 GJ/t,之后增大贫液CO2的负载,再生能耗会缓慢增大。产生这种现象的主要原因是贫液负载大即贫液内CO2量较多,经降温流入吸收塔,吸收效果会下降从而导致CO2产量降低,单位能耗上升。

图4 贫液负载率对单位CO2能耗的影响Fig.4 Influence of leaning solution load rate on unit energy consumption

图5为富液流率、富液负载率和富液温度对再生能耗的影响。如图5(a)所示,增大富液流率,再生能耗开始缓缓上升,然后在525 kg/s出现拐点急剧上升,这主要是由于富液流量增大一方面使得塔顶温度降低有利于减少塔顶汽携带水量,一方面需要再沸器提供更多能量加热富液。超过拐点,后者影响更大,导致整体能耗急剧上升。

如图5(b)所示,随着富液负载率升高,单位能耗逐渐下降,主要由于富液所含CO2较多,更容易发生解吸反应,提高捕碳产量,当超过负载率0.47时,受再沸器供给热以及溶液塔内滞留时间限制,碳产量上涨变慢同时导致贫液负载率上升,能耗小幅上升。

如图5(c)所示,随着富液温度上升单位能耗下降,在95 ℃左右出现拐点后随即上升,主要因为富液温度一方面作为冷却溶液降低塔顶温度,即降低汽化热,要求富液入塔前温度越低越好;另一方面过冷的富液进入解吸塔会增加再沸器负荷,须供给更多蒸汽用来加热富液到反应温度,要求入塔前富液温度越高越好。

如图6所示,随着塔顶流率和塔顶温度上升,单位能耗也上升,由于出塔顶汽主要是二氧化碳和水气,流率和温度上升会导致更多的水气携带能量出解吸塔,从而导致能耗快速上升。

图5 富液流率、富液负载率和富液温度对再生能耗的影响Fig.5 Influences of rich solution flow rate, rich solution load rate and rich solution temperature on unit energy consumption

图6 塔顶流率和塔顶温度对单位能耗的影响Fig.6 Influences of top flow rate and top temperature on unit energy consumption

4 结 论

(1)再生能耗主要集中在富液塔内升温吸热和解吸化学吸热两项。

(2)再生能耗主要与富液流量、富液温度、富液负载率,贫液温度、贫液负载率,塔顶温度、塔顶流量和塔底压力有关。

(3)塔底压力和塔底温度的适度增加有利于降低能耗;提高贫液负载率虽然有利于降低单位能耗,但过高则影响吸收塔吸收效果,降低CO2产量,从而导致能耗上升;富液温度的提高有利于单位能耗的降低,过高温度的进料富液会大幅增加塔顶水蒸气量从而导致能耗上升。

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(编辑 沈玉英)

Energy consumption analysis of desorption column in amine-based CO2capture process

ZHAO Dongya1, JIE Chao1, LI Zhaomin2

(1.CollegeofChemicalEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The energy consumption of the desorption column is an important technical index to evaluate this capture technology. According to the characteristics of reactive distillation of desorption column, reaction terms were joined in the MESH equations to establish a equilibrium-level static model. The main parameters directly related to the regeneration energy consumption were found out through analyzing the model. Then, the relationship between the regeneration energy consumption and the parameters was analyzed. The analysis shows that the regeneration energy consumption is mainly concentrated in the sensible heat of rich liquid and the desorption chemical heat. The MEA concentration and bottom pressure also have a great effect on energy consumption.

carbon dioxide capture; MESH equation; reactive distillation; energy consumption

2016-03-12

国家自然科学基金项目(61273188，61473312)

赵东亚(1975-)，男，教授，博士，研究方向为过程建模与控制。E-mail: dyzhao@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)06-0150-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.06.019

P 631.9

A

赵东亚,揭超,李兆敏.醇胺法碳捕集工艺解吸塔能耗分析[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2016,40(6):150-155.

ZHAO Dongya, JIE Chao, LI Zhaomin. Energy consumption analysis of desorption column in amine-based CO2capture process[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016,40(6):150-155.