MEA捕集火电厂CO2中贫液温度和流量的影响分析

2020-08-25屠梦波

云南化工 2020年8期

屠梦波

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西西安 710075）

火力发电厂作为煤炭使用巨头，从1990年到2010年20年时间，其CO2排放量从21亿吨增加到45亿吨左右，足足翻了一倍之多。若使CO2排放总量有所减少，火力发电厂烟气中CO2的捕集和储存（CCS）是一个非常有效的手段［1］。

化学吸收法无疑是电厂烟气脱碳中最实用的方法。化学吸收法是在火电厂烟道尾气经过脱硫、除尘以及脱销后进入吸收塔然后和吸收剂发生化学反应，化学溶剂形成富CO2的吸收液，吸收液进入再生塔加热分解从而分离出高浓度的CO2。以一乙醇胺（MEA）为主的醇胺溶液等作为吸收剂的化学吸收法经济效益较高而且效果较好。

1 MEA捕集CO2模拟系统建立

1.1 选择模型

本论文采用Aspen Plus模拟软件中用于模拟实际火电厂烟气脱碳，重点在于实际模拟，所以采用基于流率的非平衡模型RateFrac。

1.2 确定模拟系统的反应方程

1）总反应方程

2）吸收塔模型建立

①各反应组分以及生成物的输入。软件会自动从数据库中调用各个组分参数。②选择物性方法。本次模拟选用的物性方法为ELECNRTL。③进入模型建立界面，建立单独的吸收塔模型。④相关参数输入。华能北京热电厂尾气脱碳工程是我国首例CO2捕集工程，该工程采用化学吸收法作为捕集方法，通过乙醇胺（MEA）分离出高纯度的CO2。本文选用北京华能热电厂相关参数作为物流数据输入，以做到和实际更好的比较，保证模拟系统的实用性。⑤反应方程输入。⑥完成上述5个步骤之后，即可进行模拟运行，模拟结果见第二节。

2 模拟结果分析

2.1 贫液流量对CO2捕集效果的影响

由表1得到，每吸收1mol CO2需要2mol MEA。经过计算，当CO2体积分数为0.1256的烟气，体积流率为14m3／min时理论需要1915.4kg／h质量分数为0.3的MEA溶液。本次模拟会输入不同的贫液流量数值，得出不同的烟气CO2吸收率，从而总结得出CO2吸收率随贫液流量变化规律，经过模拟计算得出模拟结果如表2和图2所示。

表1 贫液流量对CO2吸收率影响

从表1看出，当贫液流量从2100kg／h提高到3100kg／h时，CO2吸收率也82%增加到88%，所以适当增加贫液流量，对提高CO2吸收率有较好的效果。

从图1看出，随贫液流量增加CO2吸收率也随之升高，但是增加的幅度也在逐渐减小。当贫液流量增加后，废水量、水损耗量、用电量、吸收剂成本和再沸器能耗也必定随之提升，还可能引起液泛，导致模拟中不会出现的问题在实际应用中出现。为能够实现较高的脱碳率、不浪费资源并且节约成本，需要确定一个合理的贫液流量值［2］。从表1看出，当贫液流量为2700kg／h时，即可满足较高的CO2吸收率且副作用较小。

综上所述，当实际吸收剂用量约为理论用量的1.4倍时可以实现较高的CO2吸收率。

图1 贫液流量对CO2吸收率的影响图

2.2 贫液温度对CO2捕集效果的影响

通过本系统模拟，得到CO2吸收率随贫液温度变化表和变化曲线，如表2和图2所示。

表2 CO2吸收率随贫液温度变化表

从表2看出，当贫液温度从20℃上升到90℃时，CO2吸收率从高达90%以上的吸收率下降到83.03%，在40℃左右时依旧可以保持89%左右的吸收率，吸收效果较好。从图2中还看出，随贫液温度升高，CO2吸收率也随之降低，但是降低幅度也在逐渐升高，MEA与二氧化碳反应会放出热量，上述规律符合放热反应的反应机理［3］。

从图2看出，随贫液温度的上升脱碳效率随之下降。根据陶氏化学公司研究，当吸收液中热稳定盐超过一定浓度时，就会对吸收塔造成较大危害。甲酸盐和乙酸盐在过热时就会开始分解，造成吸收塔的化学腐蚀，进气温度越高，MEA挥发量就越高，不利于节约吸收剂成本，不利于环境保护，也不利于反应进行。在实际工程当中，需要把解吸塔中再生的吸收液回流到吸收塔重复利用，而这部分再生液温度较高，所以当要保证贫液温度更低时，就需要更多的冷却能量，能耗更高。因此，贫液温度并不是越低越好，而是把温度控制在一定范围内对整个系统的脱碳效果以及节能效果更加有利。通过分析可得到合适的范围在30～50℃。