深冷空分系統(tǒng)的過程模擬、優(yōu)化及分析

熊 杰 趙海波 鄭楚光

(華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室 武漢 430074)

熊 杰 趙海波 鄭楚光

(華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室 武漢 430074)

針對氧燃燒技術對氧氣的特殊需求，利用ASPEN PLUS軟件對一概念深冷空分系統(tǒng)進行了過程模擬，并對系統(tǒng)中的重要部件—蒸餾塔進行了設計優(yōu)化。優(yōu)化變量選取蒸餾塔中的3個重要參數(shù):總級數(shù)、入流級數(shù)以及回流率。在得到空氣分離過程所需的最小總級數(shù)、最小回流率的基礎上利用一定的經(jīng)驗代數(shù)關系得到了總級數(shù)和入流級數(shù)的最優(yōu)值，并依此得到了此時的最佳入流級數(shù)?；趦?yōu)化工況的結果，對整個系統(tǒng)進行了分析。

深冷空分 ASPEN PLUS分析 設計優(yōu)化 氧燃燒

1 引言

在中國，60%的能源需求由燃煤提供，因此燃煤電廠是CO2最主要的排放源。在眾多CO2減排方法中，氧燃燒由于與現(xiàn)有燃煤鍋爐技術承接性最好、工業(yè)接受度高、污染物近零排放等而受到特別關注，有望在短期內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)運行。

氧燃燒技術是用高濃度的O2代替空氣進行燃燒，并將70%左右產(chǎn)生的煙氣循環(huán)，一來可以補充缺少的N2空間，二來可以控制爐膛溫度［1-2］。為了得到持續(xù)高濃度的O2，氧燃燒系統(tǒng)中必須配備空氣分離裝置［3］。氧燃燒系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 氧燃燒系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Oxy-combustion system

空氣分離的方法通常有3種:低溫分離(深冷)，變壓吸附和膜分離。對于氧燃燒系統(tǒng)，需要大量的高純度O2(95%以上，對于2×300 MW燃煤機組需要300 000 Nm3/h以上)，采用深冷法是目前唯一選擇［4-5］。在深冷空分系統(tǒng)中，如對O2、N2的濃度有很高要求(99.5%以上)，蒸餾過程通常需在3個塔中完成:高壓塔、低壓塔以及Ar提純塔。但是，在氧燃燒過程中，因為對O2的濃度要求并沒有那么嚴格(95%即可)，對于N2更是幾乎沒有要求［6-7］。因此，針對氧燃燒的特殊需求，本文在保證氧氣濃度的前提下對空分系統(tǒng)進行了簡化，系統(tǒng)中只包含一個蒸餾塔(包含冷凝器和再熱器)，這樣將大大降低空分系統(tǒng)的成本投入，也將相應降低氧燃燒系統(tǒng)的成本屏障，提高氧燃燒系統(tǒng)的競爭力。

本文使用商業(yè)過程模擬軟件ASPEN PLUS對此深冷空分系統(tǒng)進行了模擬和優(yōu)化。ASPEN(Advanced System for Process Engineering)是 1976—1981年由MIT主持，能源部資助，55個高校和公司參與開發(fā)而完成的一套大型軟件。ASPEN PLUS是其眾多產(chǎn)品中的一個，主要功能是對化工，能源等系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)模擬。ASPEN PLUS中的模擬過程基于模塊化，通常采用序列求解的辦法，模塊之間采用物流，熱流或者能流進行連接。ASPEN PLUS中包含大量的組分，豐富的物性數(shù)據(jù)庫和物性方法，涉及物理特性，化學特性以及熱力學特性，在工程應用中有著廣泛的適用范圍和強大的處理能力。

2 深冷空分系統(tǒng)模擬

深冷空分系統(tǒng)在ASPEN PLUS中的模擬流程圖如圖2所示。系統(tǒng)流程包含4個主要部件:多級壓縮機，換熱器，蒸餾塔和節(jié)流閥。圖中實線表示物流，虛線表示能量流。系統(tǒng)模擬選取的物性方法為PENG-ROB，它被推薦用于氣體加工煉油及化工應用，對所有溫度和壓力都可能獲得合理的計算結果，并且在臨界區(qū)域內(nèi)也能一致。入流空氣的物理參數(shù)以及組成如表1所示。

圖2 深冷空分系統(tǒng)模擬流程圖Fig.2 Simulation flowsheet of cryogenic air separation system

表1 入流空氣的物理參數(shù)及組成Table 1 Thermodynamic parameters and chemicalcomposition of inlet air flow

多級壓縮級共包含4級，每一級由一個單級壓縮機和一個中間換熱器組成，每級中的換熱器均使用冷卻水將空氣冷卻到20℃，最終級的出口壓力設定為6.3×105Pa，每一級壓縮機的等熵效率為0.8，機械效率為0.97。

蒸餾塔中生成的氮氣和氧氣在換熱器中將來流壓縮空氣冷卻到飽和狀態(tài)，以用來分離。3股物流的壓力損失均設定為0.1×105Pa。蒸餾塔包含一個冷凝器(上端)和一個再熱器(下端)。根據(jù)氧氣、氮氣的沸點(分別為-183℃和-196℃)可以推斷，蒸餾塔上端產(chǎn)品為氮氣，下端產(chǎn)品為氧氣。上端和下端產(chǎn)品的出口壓力分別設定為1.5×105Pa和5.8×105Pa。在蒸餾塔的模擬計算中，設置的初始值為:總級數(shù)為30;入流級數(shù)是總級數(shù)的一半，即15;下端出口質量流率與總入流質量流率之比(B/F)設定為0.215。為了使下端出口氧氣的摩爾濃度達到95%，在蒸餾塔的模擬過程中使用ASPEN PLUS中的設計規(guī)定功能，調控回流率的數(shù)值，設置的范圍為(0.1—100)。同時，通過使用另一個設計規(guī)定用以調控蒸餾塔入流的熱力狀態(tài)(濕度)，以使得蒸餾塔中冷凝器中吸收的冷量和再熱器中吸收的熱量平衡。模擬結果如表2所示。

表2 深冷空分系統(tǒng)模擬結果Table 2 Simulation results of cryogenic air separation system

3 蒸餾塔優(yōu)化

為了使蒸餾塔的分離、經(jīng)濟性能接近最優(yōu)，選取了3個參數(shù)加以優(yōu)化:總級數(shù)，入流級數(shù)以及回流率［8-9］。確定此3者優(yōu)化值的方法［8］以及優(yōu)化的過程、結果如下。

3.1 優(yōu)化總級數(shù)

蒸餾塔的總級數(shù)，不僅直接影響分離產(chǎn)品的濃度，更是直接影響了蒸餾塔的高度，與蒸餾塔的成本直接相關。因此，確定蒸餾塔的總級數(shù)十分重要。采取的方法是先確定滿足分離要求所需要的最小級數(shù)，而最優(yōu)級數(shù)=最小級數(shù)×2+2［8］。最小級數(shù)的確定方法是不斷降低總級數(shù)，為滿足分離需求，回流率將慢慢趨向于無窮大(本文中的界定為大于100)，此時的蒸餾塔級數(shù)即為最小級數(shù)。降低總級數(shù)時，確保入流級數(shù)與總級數(shù)的比例(NF/N)不變，因為最佳NF/N的數(shù)值是不隨總級數(shù)的增減而變化的。優(yōu)化總級數(shù)得到的結果如表3所示，表中數(shù)值第一列對應著模擬的初始結果，加粗的數(shù)值對應著最小總級數(shù)(13)，因此最優(yōu)總級數(shù)為28。

表3 總級數(shù)優(yōu)化結果Table 3 Simulation results for different total stages numbers

3.2 優(yōu)化回流率

蒸餾塔回流率的物理意義是塔中回流的液相與冷凝出口產(chǎn)品的摩爾量之比?；亓髀蕦τ诋a(chǎn)品濃度、能量消耗以及蒸餾塔直徑有著很大的影響。確定最優(yōu)回流率的方法是先確定分離所需要的最小回流率，而最優(yōu)回流率=最小回流率×1.2［8］。最小回流率的確定方法是不斷增加總級數(shù)，直到所需的回流率不再降低，此時的回流率即為最小回流率。增加總級數(shù)時，同樣確保入流級數(shù)與總級數(shù)的比例不變。優(yōu)化回流率得到的結果如表4所示，表中數(shù)值第一列對應著模擬的初始結果，加粗的數(shù)值即為最小回流率(0.87)，因此最優(yōu)回流率為1.044。

表4 回流率優(yōu)化結果Table 4 Simulation results for different reflex ratios

3.3 優(yōu)化入流級數(shù)

蒸餾塔入流級數(shù)對冷凝器、再熱器中須提供的冷量、熱量有著直接的影響，同時也對滿足蒸餾條件的回流率有著很大的影響，最優(yōu)入流級數(shù)認為是使得熱(冷)耗最小時的級數(shù)［8］。將冷凝器中消耗的冷量作為評判標準來優(yōu)化入流級數(shù)。需要指出的是，總級數(shù)和回流率的最優(yōu)值是不能同時使用(滿足)的，任選一個來完成入流級數(shù)的優(yōu)化。選取優(yōu)化總級數(shù)28，設計規(guī)定中調節(jié)回流率以滿足蒸餾要求。優(yōu)化入流級數(shù)得到的結果如圖3所示，最優(yōu)入流級數(shù)是第15級，此時回流率和冷量消耗均達到最小。同時，從圖3也可以看出回流率與冷量消耗隨入流級的變化規(guī)律是一致的。

圖3 入流級數(shù)優(yōu)化結果圖Fig 3 Simulation results for different feed stages

表5 參考環(huán)境參數(shù)定義Table 5 Reference environment definition

表6 空分系統(tǒng)計算結果Table 6 Exergy calculation results of the cryogenic air separation system

表6 空分系統(tǒng)計算結果Table 6 Exergy calculation results of the cryogenic air separation system

物流(能流) 物理/kW 化學1 284.92壓縮空氣 75 199.70 1 284.92進入蒸餾塔的空氣 188 643.73 1 284.92 N2 79 073.76 7 784.76 O2 63 590.49 1 2861.19 N2-OUT 12 933.98 7 784.76 O2-OUT 3 533.85 1 2861.19 O2-V 62 608.06 1 2861.19/kW空氣0 W 102 242.90 -

表7 空分系統(tǒng)損分析結果Table 7 Exergy destruction and exergy loss analysis results of cryogenic air separation system

表7 空分系統(tǒng)損分析結果Table 7 Exergy destruction and exergy loss analysis results of cryogenic air separation system

a為部件耗散與總耗散的比率;b為部件耗散與進入系統(tǒng)總的比率。

部件 ED，i(EL，i) aED，i/ED，T bED，i(EL，i)/EF多級壓縮機/kW 103 527.82 27 043.20 40.72% 26.12%換熱器 11 769.96 17.72% 11.37%蒸餾塔 26 618.46 40.08% 25.71%節(jié)流閥 982.43 1.48% 0.95%總耗散 66 414.04 100.00% 64.15%損失 20 718.74 - 20.01%空分總損 /kW 87 132.78 84.16%進入系統(tǒng)總

5 總結

針對氧燃燒系統(tǒng)對氧氣的濃度需求特點，對一概念深冷空分系統(tǒng)進行了結構調整，并使用ASPEN PLUS軟件對系統(tǒng)進行了模擬，模擬計算得到的氧氣濃度(95%)可以滿足氧燃燒系統(tǒng)的要求。同時，得到的氮氣濃度高達99.1%，這樣就保證了氧氣產(chǎn)品的較高流量和效率。在模擬結果的基礎上，重點選取了蒸餾塔中的總級數(shù)，入流級數(shù)以及回流率3個參數(shù)進行了設計優(yōu)化，在得到分離所需的最小總級數(shù)，最小回流率的前提下利用經(jīng)驗公式得到了選取的3個參數(shù)的最優(yōu)值，分別為28級，15級和1.044。利用使用的優(yōu)化方法和得到的優(yōu)化數(shù)值可以指導蒸餾塔的設計，使得深冷空分系統(tǒng)的物理、經(jīng)濟性能達到更優(yōu)，也使得氧燃燒技術更具有經(jīng)濟性能上的優(yōu)勢。

1 熊 杰，趙海波，柳朝暉，等.基于熱經(jīng)濟學的O2/CO2循環(huán)燃燒系統(tǒng)和MEA吸附系統(tǒng)的技術-經(jīng)濟評價［J］.工程熱物理學報，2008，29(10):1625-1629.

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1989.

Simulation optimization and exergy analysis of a cryogenic air separation

Xiong Jie Zhao Haibo Zheng Chuguang

(State Key Laboratory of Coal Combustion，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Regarding to the special oxygen demand of the oxy-combustion technology，a conceptual cryogenic air separation system was simulated using ASPEN PLUS.And a design optimization was conducted to the distillation column.Three parameters were chosen to optimize the column:feed stage，total number of stages and reflux ratio.After the minimal total number of stages and minimal reflux ratio were obtained，the optimum total number of stages and reflux ratio can be found out by using some experiential algebraic equations.Based on these optimum results，the optimum feed stage can be fixed.Finally，an exergy analysis was performed to the air separation system based on the optimum case.

cryogenic air separation;ASPEN PLUS;exergy analysis;design optimization;Oxy-combustion

TB657，TK11

A

1000-6516(2011)03-0039-05

2011-04-14;

2011-05-25

國家自然科學基金重點項目(50936001)，教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-10-0395)。

熊 杰，男，27歲，博士研究生。