高浓度MEA吸收剂捕集CO2技术流程分析

梁 雄 尹爱华 陈永纲 张云龙 刘永淘

（兰州裕隆气体股份有限公司，甘肃 兰州 730060）

0 引言

化学吸收工艺优化研究主要针对吸收系统工艺优化方向进行研究。现阶段，高浓度MEA吸收剂捕集法对CO2吸收而言具有良好效果。在传统工艺背景下，CO2捕集工作具有能耗相对更高的特征，这也制约着脱碳技术的推进发展。因此，突破技术瓶颈时应当本着降低能耗、耦合新工艺两方面原则执行落实。该文探讨了高浓度MEA吸收器捕集法建模与数据计算方式，对CO2捕集效果进行了观察分析，并探寻降低能耗的科学路径。

1 MEA吸收剂模拟构建

1.1 热力学模型构建

在热力学模型构建过程中，气液平衡状态直接决定了模型构建的准确性。气液平衡状态又可被命名为VLE状态。此种状态主要指的是由多种不同组分的混合物总体构成的封闭系统。混合物中的组分在气相和液相异度指标方面处在相等状态，对CO2吸收剂的水溶液系统而言，温度和压力是保持气液平衡的重要条件[1]。在实践中，液相的CO2负荷会对应相应的CO2平衡分压来反映CO2吸收剂吸收这种气体的能力。进行气液平衡数据计算时，也需要按照既定流程，借助专业软件对大批量数据进行统计分析。进行模型构建时需要借助反应釜设备。从实践应用角度来看，该文围绕CO2吸收效果进行研究，需要将闪蒸罐作为反应釜来发挥作用。并结合灵敏度指标分析，对CO2分压随负荷变化的实际情况进行确认。当进行模型数据与其实际状态分析时，需要针对MEA的浓度与温度指标进行合理确认。同时可实现压力参数有效调整并同步利用专业软件计算气液平衡数据结果。气液平衡数据计算流程图如图1所示。

图1 气液平衡数据计算流程图

进行具体的数据分析时，可结合有限温度与浓度指标基本范围，借助计算系统中相应模型得到计算结果。在常规情况下，试验结果与实际情况符合度较高，但模拟系统中对高温度、高浓度情况缺乏拟合回归数据支撑。因此，参数模拟计算结果与试验数据在一定范围内必然会存在差异。因此，在实践研究中，需要结合具体研究背景对MEA关键参数指标进行整体水平调整，确保热力学模型构建具备实践应用价值[2]。

1.2 二氧化碳捕集系统工艺流程分析

1.2.1 常规系统工艺流程分析

在常规工艺流程中，流程推进主要分为以下三个阶段。第一阶段，经过预处理后，烟气通过吸收塔底部进入系统。这时MEA吸收剂贫液从吸收塔顶部进入，通过喷淋方式与底部烟气实现融合。融合后，与烟气发生逆向接触，达到捕集CO2的效果。脱碳后，烟气还需要经过水洗塔回收，并最终完成后续的回收与排出过程。第二阶段，吸收塔塔底部的冷富液经过贫富液换热器设备发生换热反应后，继续与再生塔结构底部排出的热贫液发生换热，转变为热富液。转变完成后，进入再生塔上部区域，进一步在高温蒸汽作用下发生气化反应，形成CO2，并从塔顶区域排出。排出后，需要经过凝汽器冷却回收[3]。第三阶段，通过贫富液换热器完成换热过程，随后冷贫液会进一步进入冷却环节，最终进入吸收塔完成整体循环。

1.2.2 与新工艺耦合后捕集系统工艺流程

在传统工艺流程基础上，新工艺流程主要通过将吸收塔形式进行转变，增加中间级冷却工艺，以达到降低吸收温度这一目标，进而提升CO2的捕集能力。与此同时，进行新工艺耦合时，还可选取富液分级流工艺进行融合应用。应用此种工艺时，可将吸收塔出口的一部分冷富液直接引入再生塔，达到回收再生气热量的目标。除此之外，还可通过耦合MVR工艺将再沸器出口的热贫液送入闪蒸塔设备，进一步完成CO2解吸过程。新工艺优势主要体现在其降低了再生过程的能耗水平。

2 设备参数设置与计算分析

2.1 基本参数设置

具体来说，捕集系统运行时，各类设备需要结合具体工作要求进行基础参数有效设置。具体来说，设备参数指标包括模拟规模、捕集率、再生器纯度、脱硫脱硝烟气温度、压力指标，各项指标数据水平要求见表1。

表1 CO2捕集模拟系统设备参数数据指标要求统计表

2.2 参数计算分析

CO2负荷参数是单位质量内吸收器溶液吸收CO2的基本能力，参数指标表达式如公式（1）所示。

式中：αco2为CO2负荷；Qco2，in、Qco2，out分别为进口CO2以及CO2摩尔流量；QMEA、QMEAH、QMEACOO-分别为闪蒸罐出口液相中的MEA、MEAH+和MEACOO-的摩尔流量。

而CO2捕集率是指在捕集过程中吸收剂所捕集到的CO2总量与吸收塔进口CO2总量的比值。具体表达式如公式（2）所示。

式中：η为CO2捕集率。

基于降低再生能耗的新工艺耦合应用过程中也需要借助上述计算公式与原理对再生能耗指标进行计算[4]。例如，如果耦合MVR工艺，在再生能耗计算时需要对MVR产生的电能消耗指标进行合理折算。随后再进一步确认能耗水平，耗电量折算公式如公式（3）所示。

式中：Qreg为耦合MVR工艺的CO2捕集工艺流程的折算能耗；P为MVR工艺压缩机的功率。

2.3 化学反应机理分析

在烟气与吸收剂化学反应发生过程中，吸收塔和再生塔是化学反应的主要场所。参与反应的基本物质包括MEA、H2O、CO2。整体反应过程可用专业软件进行全程模拟。进行化学反应机理研究时，需要先设定所有离子反应处在化学平衡状态。然后应用化学建模方法对电解质溶液进行分析，同步建立反应模型。化学平衡主要用于计算反应体系中稳定状态下的数据指标，主要受到化学平衡常数指标影响。进行具体计算时，可利用吉布斯自由能计算、对应温度方程联动发挥作用，获得最终计算数据结果。而从化学反应本身来讲，当CO2与MEA等反应物质在吸收塔与反应塔中发生化学反应时，反应速率指标会受吸收剂浓度、温度以及流量因素的影响[5]。因此模拟模型构建时，需要针对相关影响因素进行综合考量，尽可能选择精准度更强的模型进行数据计算应用。反应过程中主要产生化学平衡与动力学两类方程式，具体方程式内容如下：1）化学平衡方程式。MEACOO-+H2O-MEA+HCO3-。2）动力学方程式。MEACOO-+H3O+-MEA+H2O+CO2。

2.4 二氧化碳捕集率基本特征分析

二氧化碳捕集率对评价捕集工艺有重要指导作用。捕集率水平越高，说明普及工艺完善度越高、捕集能力越强。但捕集率的提高与增加吸收塔初始建设成本有密切关系。从捕集率与成本支出关系之间的分析结果可知，吸收剂贫液负荷保持不变时，吸收剂循环负荷容量也同步保持平稳状态。而捕集率逐步升高后，吸收剂流量会显著提高。这时会增大减热效果，再生能耗也会因此提高。而捕集率降低会导致富液负荷提升，这主要是由于二氧化碳捕集量的下降会导致吸收塔温度降低，促进吸收反应出现正向偏移趋势。因此，当吸收剂流量保持稳定状态时，需要通过降低贫液负荷来提高循环负荷容量，进而达到捕集率提升的目标。这时能耗也会提高，因此捕集率对投资成本和再生能耗会产生非常直接的影响。该文研究中为了获得捕集率良好水平状态，设置初始捕集率获取指标水平为90%。

3 工艺流程优化成效分析

3.1 再生能耗优化成效分析

从基本性质方面来讲，提高吸收剂浓度可有效改善吸收性能、提高吸收过程中的反应速率以及单位溶剂吸收量水平。同时，随着吸收剂循环流量逐步减少，再生塔处理富液总量也同步减少，由此可实现降低再生能耗目标。相关数据分析中显示，MEA浓度如果从30wt.%上升到40wt.%。再生能耗降低比率为9.81%。但如果进一步提升浓度，再生能耗降低比率会下降至6.06%。这充分说明吸收剂浓度持续增加会导致其再生能耗降低的潜力有所下降。但浓度增加后会导致氧化降解速度显著提升。与此同时，浓度指标上升后，吸收剂黏度与扩散技术指标也会同步增大，进而影响贫富液换热器换热效果。从更宏观的角度分析可知，如果换热器长期运行，设备整体损耗率与吸收器损耗程度会持续加大，工艺操作难度也会有所增强。因此需要酌情考虑浓度控制水平，以便获得良好的再生能耗优化成效。该文研究中将吸收剂浓度设置为40wt.%。同时实现了传统工艺与新工艺耦合应用，优化设备基础参数，以进一步研究冷却装置富液分级流装置以及MVR装置参数对再生能耗指标的影响。不同吸收剂浓度对再生能耗以及溶液循环量的影响趋势图如图2所示。

图2 吸收剂浓度差异对再生能耗与溶液循环量影响趋势图

3.2 基础操作参数优化分析

基础参数优化时，需要针对参数数据区间进行合理确认，具体优化指标如下。1）贫液负荷指标。通常情况下贫液负荷区间标准值为0.25～0.26molCO2/molMEA，再生能耗对应区间为3.451～3.464GJ/tCO2。如果贫液负荷低于一定水平，循环负荷会因此而有所增大，吸收剂流量会因此而有所减低，这会进一步导致再生能耗提升。进一步分析这种现象的产生原因，主要是由于再生塔中的吸收剂负荷如果处在较低水平，会导致驱动力水平也同步降低，解吸反应的发生就会遇到显著阻力[6]。因此，在反应发生过程中能耗就需要进一步提升，才能支持反应正常推进。2）贫富液换热器性能。贫富液换热器的性能也会影响吸收器显热回收状态，并进一步影响再生能耗指标。在具体参数优化时，需要结合试验结果进行分析，并进一步对换热器端差温度指标进行合理确认。通过试验观察分析可知，换热端差逐步增大时，系统再生能耗也会同步上升。换热端差如果能缩小至5℃，相对10℃时的再生能耗耗费比例可降低4.03%。

3.3 级间冷却工艺优化

采用两段式吸收塔，需要同步设置吸收塔之间的级间冷却工艺，这能够有效克服温度提升出现的问题。从基本特征入手进行分析可知，级间冷却温度逐步降低后，再生能耗也会同步降低。这主要是由于开启期间冷却工艺后，吸收塔塔底高温吸收剂可经过级间冷却工艺冷却至一定温度后进入第二段吸收塔内。整个吸收塔内的温度均衡水平得到了保障，整体温度水平有效降低，反应平衡常数也因此而增大。反应动力学逐步向吸收过程方向偏移。

3.4 富液分级流工艺优化分析

在降低再生能耗的过程中，富液分级流工艺主要通过回收气提蒸汽和再生气余热达到降低能耗的效果。具体工艺流程要点包括以下几部分内容。1）吸收塔底部冷富液先进入贫富液换热器中，但进入前需要实现分流。一部分冷富液直接通过回收形成高温水蒸气和再生气热量，经过加热反应释放出一部分CO2。另外还有部分冷富液可实现对再生塔塔底部热富液的废热回收。通过实践分析可知，当富液分级流占比区间为10%～20%时，再生能耗处在相对稳定且最大化节约状态下。例如，当分级流比例达到15%时，再生能耗水平为3.31GJ/tCO2，能耗降低比例和普通工况相比能达到4.45%。可见，应用分级流工艺时，也需对比例指标进行合理确认，确保结合不同工况，通过对征集流工艺优化，能达到降低再生能耗的目标。

3.5 热泵技术工艺优化分析

热泵技术工艺优化主要需要耦合MVR工艺，在实践中可进一步回收热评液的汽化潜热部分。由于需要充分考虑闪蒸流量和压力提升问题，因此闪蒸汽温度设置应当严格按照规范要求设置为90℃。然后再对沸器出口热贫液进行二次闪蒸操作。经过压缩机得到处在高温高压状态下的蒸汽，这能够进一步提高二氧化碳解吸驱动力，对再生能耗有显著降低的作用。另外，二次闪蒸蒸汽在进入再生塔后对再生能耗也会产生一定的影响。具体来说，能耗会随闪蒸蒸汽进入再生塔的位置的降低而同步降低。从位置级别上来说，20级为最优点位，这时的再生能耗达到2.947GJ/tCO2，同时还会产生一部分电能消耗。但从数据分析角度观察可知，应用这种技术进行工艺优化后，总体电耗与能耗水平与常规情况相比有所降低。

4 结语

通过该文的实践分析可知，高浓度MEA吸收剂能有效降低CO2捕集能耗潜力。对传统工艺流程来说，经过参数以及数据水平优化后，再生能耗降低效果显著提升。另外，吸收器实践应用中，还需要通过分级工艺流程优化达到降低再生能耗这一目标。在实践优化工作落实时，需要联动考虑多方面影响因素，综合调整设备基础参数以及反应发生条件，以实现再生能耗最大化降低。