基于MVR热泵的胺法捕集回收烟气中CO2

2018-06-07陆诗建康寿兴

山东化工 2018年10期

陆诗建，蒋超，康寿兴

(1.中石化节能环保工程科技有限公司，山东东营 257026；2. 中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026;3. 胜利油田东胜精攻石油开发股份集团有限公司，山东东营 257015)

作为一种成熟的方法，胺法二氧化碳去除过程在发电厂烟气中二氧化碳收集领域具有广泛的市场前景，并已在许多国家使用[1]。显着的优点是酸性气体CO2的吸收速率快，去除效果好，化学稳定性好，不会热分解，易于从污染溶液中提取[2-3]。然而，解吸再生需要高能耗和高运行成本。数据显示，捕获一吨二氧化碳的成本约为60美元[2-3]。因此，有必要对传统IEA方法的吸收和解吸过程进行节能研究，以降低捕集成本。

机械蒸气再压缩(MVR)技术在20世纪末提出的一种新型节能工艺[4-7]。它是由瑞士的Steuler Escher Wie在1917年用蒸汽再压缩技术机械地发明的[8]。MVR是蒸发领域已知的最先进，高效和环保的节能技术，广泛应用于化工，轻工，食品，医药，海水淡化，污水处理等工业生产的溶液蒸发过程[8]。本文将MVR热泵工艺引入到胺法CO2捕集过程，并与传统胺法工艺进行节能效果对比分析。

1 基于MVR热泵的CO2捕集工艺流程与节能原理

MVR热泵工作原理如图1，从电厂出来的烟气进入吸收塔，在吸收塔中跟MEA贫液充分反应后，变成MEA富液并通过泵输送到换热器与从闪蒸塔出来的MEA贫液进行换热，经过换热后的MEA富液进入解析塔进行解析，解析后的贫液进入闪蒸塔闪蒸，由于闪蒸塔中压强降低，导致大量液体在瞬间气化，产生大量蒸汽(即为二次蒸汽)，液体的汽化潜热转化为气体的显热被提取出来。气化后的液体在自身重力作用下从闪蒸塔底部流出，进入贫富液换热器后经过冷却后回到吸收塔。闪蒸塔中产生的大量二次蒸汽则被压缩机加压后变成高温高压的气体进入解析塔后对MEA富液进行加热，从而减小了再沸器的负荷。

节能原理：MVR为平衡蒸馏，是持续稳定的过程。通过加热隔膜或突然的预定压力来解压缩到液体的特定温度。部分液体与蒸发气体和液体快速分离。它出现在蒸汽之上。随着压力下降，在低温下，液体沸腾，由液体冷却释放的显热和潜热蒸发的液体部分可以在没有额外蒸汽加热的情况下获得。根据亨利定律P=EX，溶质在气相液相溶剂中的溶解度在不同的温度和分压下是不同的。当溶剂压力降低时，在溶质溶剂解吸时形成闪蒸时它会自动释放。在闪蒸法中，主要是回收溶剂凝结时释放的潜热。

图1 带有MVR热泵的CO2捕集系统流程图

Fig.1 flow chart of CO2capture system with MVR heat pump

2 MVR热泵二氧化碳捕集流程仿真模型

根据传统CO2捕集流程工艺和已选取的单元操作模块即吸收塔(RadFrac)、再生塔(RadFrac)、闪蒸塔(Flash)、压缩机(Compr)、泵(Pump)、热交换器(HeatX)、冷却器(Heater)、阀(Valve)。构建带有MVR热泵的MEA二氧化碳捕集系统模型，模型流程图如图2。

图2 带有MVR热泵的CO2捕集系统流程图

Fig.2 Aspen flow chart of CO2capture system with MVR heat pump

3 模拟数据分析

3.1 物流参数分析

以100吨/天CO2捕集量为基准，根据模拟要求对整个模拟流程的物流参数进行检验，检测二氧化碳的捕集率和解析塔顶析出产品中二氧化碳的纯度，看是否达到要求。当烟气流量为120t/h、吸收剂循环量2.4t/h、贫液负荷为0.2时，MVR热泵二氧化碳捕集流程的物流信息如下表1所示。

表1 关键物流信息 Tab.1 Key logistics information

如表1所示，在整个流程模拟中二氧化碳的捕集率大于85%且大于第二章模拟种二氧化碳的捕集率，解析塔顶析出的产品中二氧化碳的纯度高于98%且高于第二章模拟中产品的纯度，因此可以看出MEA捕集二氧化碳流程加入MVR热泵后，整个流程的二氧化碳捕集率和产品中CO2的纯度不仅达到了设计要求而且还得到了提高，流程模拟中其他参数也都达到了设计要求。

3.2 CO2捕集率分析

(1)设置烟气流量为24t/h，贫液负荷为0.2，闪蒸压力为60kPa时，探究CO2捕集率随吸收剂循环量的变化情况。

图3 吸收剂溶液循环量与吸收率的关系Fig.3 Relation between solution flow and absorption rate

由上图分析可以得出，吸收率随着吸收剂循环量的增大而增大；当吸收剂循环量较低时，CO2捕集率也较低；随着吸收剂循环量的增大，吸收剂的载气限度上升，可以吸收更多烟气中的CO2，捕集率就会随着提高；当吸收剂循环量超过120t/h时，化学吸收充分，随着循环量的增加，CO2捕集率几乎不变。

模拟结果显示：当吸收剂循环量为120t/h时，CO2捕集率为90%左右时，是最佳吸收剂循环量；MVR热泵CO2捕集系统CO2的捕集率随吸收剂循环量的变化规律与传统CO2捕集系统基本一致，但是相对于传统CO2捕集系统，相同吸收剂循环量下MVR热泵CO2捕集系统的捕集率相对较低。

(2)设置吸收剂循环量为120t/h，CO2负荷为0.2，闪蒸压力为60kPa时，CO2捕集率随烟气流量的变化情况。结果如图4所示。

图4 烟气流量与捕集率的关系Fig.4 Relationship between flue gas flow and absorption rate

分析曲线能够发现，在吸收剂溶液循环量一定的情况下，随着进入吸收塔的烟气量的增加，CO2吸收率保持稳定后不断降低的。当烟气量从22t/h到24t/h之间时，吸收剂对CO2的化学吸收充分，CO2吸收率基本保持不变；当烟气量大于24t/h时，吸收剂的载气限度超过了烟气中CO2的量，虽然烟气量的增加导致了烟气中CO2的含量相应增加，但是经过吸收后的烟气中CO2排放量增加更为迅速，化学反应完全不充分，导致CO2捕集率不断下降。

模拟结果显示，当烟气流量为24t/h时，CO2捕集率达到最大值。MVR热泵CO2捕集系统CO2的捕集率随烟气流量的变化规律与传统CO2捕集系统基本一致，但是相对于传统CO2捕集系统，相同烟气流量下MVR热泵CO2捕集系统的CO2捕集率相对较低。

(3)设置吸收剂循环量为120t/h，烟气循环量为24t/h，CO2负荷为0.2时，MVR二氧化碳捕集系统CO2捕集率随MVR热泵闪蒸压力的变化规律，当闪蒸压力小于40kPa时，迭代出现错误，模拟不出结果，所以闪蒸压力小于40kPa时的情况不予讨论。结果如图5所示。

图5 闪蒸压力与捕集率的关系Fig.5 The relationship between flash pressure and capture rate

由图中可以看出，随着MVR热泵闪蒸压力的增大，CO2捕集率基本保持不变，但都达到85%以上，符合设计要求。

模拟结果显示：CO2的捕集率几乎不受闪蒸压力的影响，且符合设计要求，因此可以讨论闪蒸压力作为操作变量时，解析能耗的变化。

3.3 再沸器负荷分析

(1) 设置烟气流量为24t/h，吸收剂循环量为120t/h，闪蒸压力为60kPa时，MVR二氧化碳捕集系统再沸器载荷随CO2负荷的变化情况。结果如图6所示。

图6 捕获每千克CO2消耗再沸器负荷与贫液载荷的关系曲线Fig.6 Relation curve between the reboiler load and liquid load captured per kg of CO2

从图6可以看出，MVR二氧化碳捕集系统再沸器载荷随MEA贫液负荷的增大先减小后保持稳定。当贫液负荷较低时，再沸器热负荷较大；再沸器热负荷随着贫液负荷的增加迅速减小，贫液负荷在0.2到0.25时，达到最小值；当贫液负荷增大到0.25之后，再沸器负荷不会发生明显的变化。

模拟结果显示：MVR二氧化碳捕集系统再沸器负荷随MEA贫液负荷的变化规律与传统二氧化碳捕集系统一致，且相同烟气流量、吸收剂循环量和贫液负荷下，MVR二氧化碳捕集系统捕获每千克CO2消耗再沸器负荷要低于传统二氧化碳捕集系统的捕获每千克CO2消耗再沸器载荷。

(2)设置烟气流量为24t/h，吸收剂循环量为120t/h，贫液负荷为0.2时，MVR二氧化碳捕集系统的再沸器负荷随闪蒸压力的变化情况，当闪蒸压力小于40kPa时，迭代出现错误，模拟不出结果，所以闪蒸压力小于40kPa时的情况不予讨论。结果如图7所示。

图7 捕获每千克CO2再沸器负荷与闪蒸压力的关系曲线Fig.7 Relation curve of CO2 reboiler load and flash pressure is captured per kg of CO2

从图7可以看出，随着MVR热泵闪蒸压力的增大，解析塔再沸器的负荷逐渐增大，由于闪蒸压力的限制，可以暂时断定当闪蒸压力为45kPa时，解析塔再沸器负荷最小。

分析模拟数据：当闪蒸压力较小时，被闪蒸液体的汽化潜热转化为气体的显热就会越多，被压缩机压缩后气体的品质就会越高，进入解析塔后再沸器用于解析的热量就会越少，从而再沸器的负荷就会越小。相反，当闪蒸压力较大时，被闪蒸液体的汽化潜热转化为气体的显热就会越少，被压缩机压缩后气体的品质就会越低，进入解析塔后再沸器用于解析的热量就会越多，从而再沸器的负荷就会越大。

3.4 系统解析能耗分析

分析传统二氧化碳捕集流程模拟和MVR热泵二氧化碳流程模拟可得：

q节约=q1-(q2+PW×3600/Q捕获CO2)

(式1)

(式2)

式中:q节约——MVR热泵二氧化碳捕集流程捕获每千克CO2再生能耗节约的能量；

η——MVR热泵二氧化碳捕集流程的解析能耗的节能率；

q1——传统二氧化碳捕集流程捕获每千克CO2所需解析塔再沸器负荷，kJ/kg；

q2——MVR热泵二氧化碳捕集流程捕获每千克CO2所需再沸器负荷，kJ/kg；

PC——MVR热泵压缩机的功率，kW。

取烟气流量为24t/h，吸收剂循环量为120t/h，贫液负荷为0.2时，MVR热泵二氧化碳捕集系统解析过程的压缩机耗能随MVR热泵闪蒸压力的变化情况。同样，当闪蒸压力小于40kPa时，迭代出现错误，模拟不出结果，所以闪蒸压力小于40kPa时的情况不予讨论。结果如图8所示。

图8 捕获每千克CO2压缩机耗能与闪蒸压力的关系曲线Fig.8 Relation curve of energy consumed by the compressor and flash pressure captured

从图8可以看出，随着MVR热泵闪蒸压力的增大，压缩机耗能逐渐减小。当闪蒸压力较小时，被闪蒸液体的汽化潜热转化为气体的显热就会越多，但是要保证通过压缩机压缩后气体压强要与解析塔的压强保持一致，所以通过压缩机增加的压强就会较大，因此压缩机做功就会较大。当闪蒸压力增大时，压缩机做功就会减小。设置烟气流量为24t/h，吸收剂循环量为120t/h，MVR二氧化碳捕集系统再生能耗随闪蒸压力的变化情况。结果如图9所示。

图9 捕获每千克CO2再生耗能与闪蒸压力的关系曲线Fig.9 Relation curve of regeneration power consume and flash pressure is captured per kg of CO2

从图9可以看出，随着闪蒸压力的增大，MVR热泵二氧化碳捕集流程的再生能耗先减小后增大。当闪蒸压力从45kPa增大到60kPa时，再生能耗降低，在60kPa时有最小值；当闪蒸压力超过60kPa后，再生能耗逐渐增大。

分析模拟数据：由图7、图8可知，闪蒸压力较低时，再沸器负荷也较低，变化也较小，但是压缩机做功很大，变化较大，相对于再生能耗而言，压缩机耗能占主要因素，因此再生能耗相对较大；当闪蒸压力较大时，压缩机做功较小，但是再沸器能耗很大，相对于再生能耗而言，再沸器能耗能占主要因素，由图2-7可知，随闪蒸压力的增大，再沸器负荷逐渐增大，因此再生能耗也逐渐增大。但是再沸器的负荷远远大于压缩机做的功，所以整体趋势是节能率随闪蒸压力的增大而减小；因此再生能耗在45kPa到80kPa会出现最小值，即60kPa所对应的值。

选择普通二氧化碳捕集流程和带有MVR热泵二氧化碳捕集流程再生能耗最低时的工况进行分析，得到带有MVR热泵二氧化碳捕集流程的节能率，如下表2所示。