耦合膜冷凝器的碳捕集系统能耗特性分析

翟融融，魏清，冯凌杰，孙舸洵

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市 昌平区 102206）

0 引言

温室气体排放引起的全球气候变化是21世纪人类面临的最严重的环境问题。截至2021年，全球温室气体总排放量达408亿t CO2当量，其中能源燃烧和工业加工排放的CO2占能源领域温室气体排放量的近89%，煤炭燃烧排放的CO2占全球CO2排放总体增长的40%以上[1]。为了适应环保要求的变化，燃煤电厂通常采用化学吸收法脱除CO2。基于乙醇胺(monoethanolamine，MEA)的CO2吸收是目前较为成熟的燃烧后碳捕集技术之一，然而该捕集方式需要外部热源提供热量以满足MEA 再生，导致输出功率降低、发电成本上升。典型的情况是，发电厂捕获90%的CO2，会减少大约30%的产出[2]。同时，火电厂运行过程中需要消耗大量的循环水，用于低温热源的冷却，系统的水消耗量也会增加。

目前针对CO2捕集以及与电厂集成的研究主要集中在降低系统整体能耗方面，包括开发新型吸收剂[3-5]、优化工艺流程[6-10]等。近年来出现的膜技术给碳捕集节能提供了新思路。膜冷凝器与传统换热器相比具有以下优点：膜冷凝器中传质和传热都可以发生，而传统换热器中仅发生传热；传统换热器通常用于高品位热回收，有一定的温度要求和材料约束，但是膜冷凝器不受限制；膜冷凝器具有极高的接触面积，结构紧凑，更适合用于工程改造。

对于燃煤电站，一般烟气温度在130 ℃以下，烟气中水蒸气的体积分数为10%~16%，具有相当大的潜热。已有的膜工艺主要基于在进料侧使用疏水性多孔膜[11-12]或在渗透侧使用亲水性纳米多孔膜，可从50~90 ℃的烟气中回收20%~60%的热量和30%~80%的水[13]。文献[14-17]在实验室条件下用膜冷凝器从电站烟气流中回收水和热，研究了操作参数对膜传质和传热过程性能的影响。除了测试膜元件的烟气水热回收性能，研究人员还将膜冷凝器和碳捕集系统耦合，以降低捕集能耗。Feron 等[18]提出了一种新型膜辅助液体吸收再生(membrane assisted liquid absorption and regeneration，MALAR)工艺，该系统有2 个气液膜接触器：在解吸塔顶部的膜冷凝器和在解吸塔底部的膜蒸发器。将MALAR 概念与改进的液体吸附剂结合使用，可将再生能耗降低50%。Yan等[19]进一步研究膜冷凝器用于回收解吸塔排出蒸汽潜热的节能潜力，结果表明，热回收量随进气温度的升高和出口温度的降低而显著增加。

综合以上研究发现，众多学者单独研究了膜元件的烟气水热回收性能，或者膜技术用于碳捕集系统的潜力，然而将膜冷凝器与碳捕集系统耦合后回收烟气水热的研究鲜见报道。本文基于膜冷凝器对烟气中低品位热的回收潜力，提出了一种将膜冷凝器与碳捕集系统耦合的新系统。这种方案的创新性在于：膜冷凝器能够将一部分烟气水热捕集到系统内，避免其从吸收塔顶流出而耗散掉，有利于减小系统的能耗。

1 系统介绍

1.1 Tarong CO2捕集工厂参考案例

选择典型的Tarong CO2捕集中试工厂常规工艺作为研究案例。建造在澳大利亚的Tarong 中试工厂处理来自电厂的烟气流，以约100 kg/h 的速度捕获CO2，其流程图如图1所示。该案例通用性良好，适用于各类工艺流程改造[20]。

Tarong CO2捕集中试工厂常规工艺流程中，醇胺溶液(S6)与烟气(S1)中的CO2在吸收塔内发生化学反应，脱除掉烟气中的CO2，净化气(S2)由塔顶排空。富醇胺溶液(S3)经贫富液换热器进入解吸塔，与塔底再沸器产生的蒸气接触，经加热使CO2从富液中解吸出来，在塔顶经冷凝器将水蒸气回流后，得到纯度较高的CO2(S9)，送到多级压缩装置中被压缩液化。富液再生后成为贫液(S5)，此时贫液温度较高，在贫液泵的作用下与吸收塔底的富液(S3)经热交换后再经冷却器使温度降至吸收温度，然后被送至吸收塔顶循环吸收。

1.2 膜冷凝器与Tarong碳捕集系统耦合的新系统

为了降低碳捕集系统的能耗水平，提出了一种将膜冷凝器与Tarong 碳捕集系统耦合的新系统，如图2 所示。这个系统中，烟气在经过膜冷凝器时一部分水蒸气冷凝渗透到富液侧，同时热量也从高温的烟气侧传递到富液侧。它相比常规碳捕集工艺的优势在于：在常规碳捕集工艺中，烟气的水热从吸收塔塔顶大量流出被浪费，而工艺改造后，膜冷凝器将一部分烟气水热回收到系统内，减小了能量的损失。此外，吸收塔在接收高温烟气时，底部吸收的推动力降低，吸收剂循环流量增加，再生能耗会增大，而改造过的系统在接受高温的电厂排烟(S10)后，膜冷凝器发挥冷却作用，使吸收塔入口烟气(S1)保持较低温度，降低了系统的再生能耗。

图2 膜冷凝器回收烟气水热改造方案Fig. 2 Water and heat recovery of flue gas by membrane condenser

2 系统建模

2.1 模拟的假设条件

为了使模拟更直接有效，在模拟过程中，除了对烟气进行了设定外，还对膜冷凝器做出接近实际情况的假设：1）膜冷凝器和贫富液热交换器没有散热损失；2）冷凝系统中的膜完全阻碍CO2，即没有任何CO2跨膜转移，因为溶剂已经负载了CO2，即使有少量的CO2跨膜转移，对冷凝系统工艺性能的影响也不显著；3）沿膜式冷凝器的流体为逆流流动；4）水蒸气冷凝放出的潜热能够迅速被富液吸收。

2.2 膜组件的物理和数学模型

本文计算参考的微米孔径膜结构如图3所示，长80 cm，内、外径分别为8 mm 和12 mm。膜组件进口内直径14 mm，组件内径41.7 mm。

图3 组件的物理模型Fig. 3 Physical model of the component

计算使用的公式源于文献[21]，经验证，公式计算值和实验值误差在10%以内，可以用于计算水蒸气的传热传质过程。

膜外、内壁平均温度分别表示为：

式中：T1为膜外壁平均温度，℃；T2为膜内壁平均温度，℃；Tf为进气温度，℃；Tp为富液温度，℃。

其中a、b、c分别表示为：

式中：r1为膜管内半径，m；r2为膜管外半径，m；hf为烟气侧对流传热系数，W/(m2⋅℃)；hp为液体侧对流传热系数，W/(m2⋅℃)；Hv,f为烟气焓，kJ/kg；J为渗透通量，kg/(m2⋅s)；λm为膜的有效导热系数，W/(m⋅℃)。

膜外表面热流量表示为

式中l为膜管长度，m。

式(1)—(6)中需要的部分参数由Aspen plus 软件计算得出，先计算出单管的热流量，再求出所需总膜管数量和富液分流(S11)流量，计算流程如图4所示。

图4 计算流程图Fig. 4 Calculation flow chart

3 案例分析

3.1 基础系统模拟

为了研究碳捕集系统，使用Aspen plus 模拟软件参照Tarong CO2捕集中试工厂建立了模型。模型使用的数据源自文献[20]，表1为Tarong CO2捕集中试工厂2011 年5 月18 日吸收解吸试验条件。进入吸收塔的烟气组成为：体积分数77.4%的N2、11.1%的CO2、6%的O2和5.5%的H2O，温度61.8 ℃。

表1 CO2吸收解吸试验条件Tab. 1 Conditions of CO2 absorption and desorption test

通过将模拟结果与文献[22]模拟数据进行比较，对所建立的模型进行了验证，表2为文献[22]Tarong 常规碳捕集系统的模拟结果与本文模拟结果的相对误差：富液CO2负荷2.97%，CO2吸收速率3.44%，再沸器温度2.8%，CO2体积分数0.4%，再生能耗3.92%。由表2可见，本文所建模型准确度高，结果可信，可用于后续模拟研究中。

表2 Tarong CO2捕集中试工厂常规流程模拟结果比较Tab. 2 Comparison of simulation results of Tarong CO2 capture pilot plant conventional process

3.2 改进后系统的模拟结果

对改进后的系统模拟是在膜冷凝器入口烟气(S10)流量和成分与表1 相同、温度78 ℃、烟气水回收率40%、进入吸收塔的烟气(S1)温度61.8 ℃，且保证CO2捕获率90%的前提下进行的。将其结果和Tarong 常规碳捕集系统在相同条件下的结果进行对比，如表3 所示。其中，冷却负荷是贫液进入吸收塔之前流经冷却器和多级压缩冷却器的冷负荷之和，冷凝负荷是解吸塔顶部冷凝器的冷负荷。

表3 Tarong常规碳捕集系统和新系统模拟结果比较Tab. 3 Comparison of simulation results between Tarong conventional carbon capture system and the new system

由表3 可见，添加了膜冷凝器的新系统相比于Tarong 常规碳捕集系统，在接收更高温度的烟气后，回收了烟气里的水和热量，最终吸收塔进口烟气温度不变，烟气中水蒸气流量减小，其他成分流量不变。再生能耗从4.341 MJ/kg CO2降低到4.275 MJ/kg CO2，冷却负荷从2.243 MJ/kg CO2升高到2.329 MJ/kg CO2，冷凝负荷从0.335 MJ/kg CO2降低到0.333 MJ/kg CO2。

3.3 关键参数对改进后系统的影响

为探究改变膜冷凝器从烟气中回收的水和热量对新系统的影响，在经过膜冷凝器最终进入吸收塔的烟气(S1)温度恒定为61.8 ℃，且保证CO2捕获率90%的前提下进行模拟。常规系统再生能耗取Tarong 常规碳捕集系统CO2捕获率为90%，入口烟气(S1)温度为61.8 ℃，流量和成分与表1 所示参数相同时的再生能耗。

3.3.1 膜冷凝器入口烟温对系统的影响

图5为在烟气水回收率60%，膜冷凝器出口烟温61.8 ℃，CO2捕集率90%的条件下，再生能耗随膜冷凝器入口烟温的变化情况，当入口烟温从70 ℃增加到95 ℃时，再生能耗从4.247 MJ/kg CO2降低到4.236 MJ/kg CO2，再生能耗随热回收量的增大而减小，这是因为入口烟温升高，膜冷凝器内的传热温差增加，传热量增加，这使得膜冷凝器出口的富液温度升高，富液在进入解吸塔时温度也升高，将其加热到解吸温度消耗的再生能耗变小。

图5 膜冷凝器入口烟温对再生能耗的影响Fig. 5 Effect of inlet flue gas temperature of membrane condenser on regenerative energy consumption

图6为在烟气水回收率60%，膜冷凝器出口烟温61.8 ℃，CO2捕集率90%的条件下冷负荷随膜冷凝器入口烟温的变化情况，当入口烟温从70 ℃增加到95 ℃时，冷却负荷从2.273 MJ/kg CO2增加到2.433 MJ/kg CO2，冷凝负荷从0.331 MJ/kg CO2增加到0.333 MJ/kg CO2，这说明冷却负荷和冷凝负荷都随着热回收量的增大而增大。冷却负荷增大是因为热回收量增大后，进入换热器的富液温度升高，导致贫富液换热器换热效果变弱，换热器热流出口温度升高。该流股后续需要冷却到指定的温度再进入吸收塔，所以流股温度升高导致冷却负荷增加。冷凝负荷增大是因为热回收量增大后，进入换热器的富液温度升高，流出换热器、流进解吸塔的富液温度也升高，塔顶流出的含湿CO2温度升高，减温至指定温度所需的冷凝负荷增大。

图6 膜冷凝器入口烟温对冷负荷的影响Fig. 6 Effect of inlet flue gas temperature of membrane condenser on cooling load

3.3.2 烟气水回收率对系统的影响

图7为在膜冷凝器入口烟温78 ℃，出口烟温61.8 ℃，CO2捕集率90%的条件下，再生能耗随烟气水回收率的变化情况，当水回收率从0 增加到100%时，再生能耗从4.331 MJ/kg CO2降低到4.184 MJ/kg CO2，再生能耗随水回收率的增大而减小。这是因为吸收塔内气液两相的传质与化学反应都需要一定时间才能完成，烟气水回收率增大导致气液流量比减小，气液两相在填料单元内停留的时间增加，反应更充分。这使得单位质量的循环工质能够吸收CO2的量增多，所需循环工质的流量减小，解吸塔内解吸过程消耗的再生能耗就变小。

图7 烟气水回收率对再生能耗的影响Fig. 7 Effect of water recovery rate of flue gas on regenerative energy consumption

图8为在膜冷凝器入口烟温78 ℃，出口烟温61.8 ℃，CO2捕集率90%的条件下，冷负荷随烟气水回收率的变化情况，当水回收率从0 增加到100%时，冷却负荷从2.348 MJ/kg CO2降低到2.305 MJ/kg CO2，冷凝负荷从0.336 MJ/kg CO2降低到0.329 MJ/kg CO2，冷却负荷和冷凝负荷都随着水回收率的增大而减小。冷却负荷减小是因为水回收率提升后，循环所需的溶液流量变小，冷却器将循环工质冷却到指定温度所需的冷却水量减小。冷凝负荷减小一方面是因为水回收率提升后，吸收塔出口的富液温度降低，经过换热器进入解吸塔的富液温度降低，塔顶流出的含湿CO2温度也降低；另一方面是因为水回收率增大后所需的循环溶液流量变小，解吸塔顶流出的含湿CO2中携带的水分变少。

图8 烟气水回收率对冷负荷的影响Fig. 8 Effect of water recovery rate of flue gas on cooling load

4 结论

提出了一种新型的碳捕集系统，该系统将膜冷凝器和碳捕集系统耦合起来。在这个系统中，烟气的水热被膜冷凝器回收到系统内，而不是从吸收塔顶流出而耗散掉，减小了系统的再生能耗。研究中使用模拟软件Aspen 搭建了对再生过程有较好预测效果的常规碳捕集模型，在此基础上将膜冷凝器和碳捕集系统耦合，探究改变关键参数对新系统的影响，结论如下：

1）耦合膜冷凝器的碳捕集系统相比常规碳捕集系统再生能耗更低。在一定条件下，相比常规碳捕集系统4.341 MJ/kg CO2的再生能耗，耦合膜冷凝器的新碳捕集系统再生能耗降低到4.275 MJ/kg CO2。

2）在膜冷凝器入口烟温78 ℃，出口烟温61.8 ℃，CO2捕集率90%的条件下，再生能耗随水回收率的增大而减小。

3）在膜冷凝器出口烟温61.8 ℃，烟气水回收率60%，CO2捕集率90%的条件下，再生能耗随热回收量的增大而减小。

4）冷却负荷和冷凝负荷都随着水回收率的增大而减小，随着热回收量的增大而增大。