燃煤電廠CO2捕集中煙氣預(yù)處理系統(tǒng)的優(yōu)化模擬

呂太，劉力萌，郭東方，牛紅偉，尚航

（1東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林132001；2中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

人類活動(dòng)產(chǎn)生過量的CO2，造成了嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題。當(dāng)前，控制和減少CO2排放已成為國際社會應(yīng)對全球氣候變化的共識和關(guān)鍵舉措[1]。因此，對CO2的捕集再利用顯得尤為重要。目前國內(nèi)、外對CO2燃燒后捕集主要采用有機(jī)胺來進(jìn)行吸收，普遍采用乙醇胺（monoethanolamine，MEA）法。MEA是一種堿性物質(zhì)，會與酸性氣體SOx和NO2發(fā)生不可逆反應(yīng)，生成無法在后續(xù)工藝中再生的熱穩(wěn)定性鹽。這將導(dǎo)致工質(zhì)溶液損失，并且由于一些鹽的毒性特別強(qiáng)，還會產(chǎn)生廢液處理等問題。因此當(dāng)采用MEA法時(shí)，煙氣中的SOx和NO2含量必須減少到較低的水平，這就需要對進(jìn)入吸收塔的煙氣進(jìn)行預(yù)處理。

一般煙氣預(yù)處理采用填料塔。填料塔是最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一，由于其具有生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降小、操作彈性大的優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于蒸餾、吸收、解吸、汽提、萃取、洗滌等過 程[2-3]。然而國內(nèi)對CO2的捕集中煙氣預(yù)處理系統(tǒng)的實(shí)例涉及的并不是很多，只有華能北京熱電廠、華能上海石洞口電廠的捕集中有煙氣預(yù)處理系統(tǒng)，而國外無論在實(shí)例方面還是模擬方面比國內(nèi)要完善很多。

由于國內(nèi)對預(yù)洗塔模擬和實(shí)際應(yīng)用方面的欠缺，本文采用Aspen Plus軟件，分別從組合填料、填料層高度、吸收劑進(jìn)量和分層噴淋進(jìn)吸收劑方面，對煙氣預(yù)洗系統(tǒng)進(jìn)行模擬，得出預(yù)洗塔脫硫、降溫的較佳條件，從而為工程實(shí)踐提供理論參考。

1 煙氣預(yù)處理

煙氣一般來自于電廠脫硫后的煙氣，SO2含量100～400mg/m3，NOx含量100～400mg/m3。煙氣NOx中以NO為主，一般在95%以上，NO與捕集溶液不發(fā)生反應(yīng)，所以在煙氣預(yù)處理優(yōu)化模擬中只需要考慮降低SO2含量，并降低出口煙氣溫度。

為了在后續(xù)CO2捕集中降低溶劑消耗，提高CO2的捕集效率，SO2含量一般需降到10μL/L以下（根據(jù)本次煙氣工況，脫硫效率在91%以上，出口煙氣SO2含量在4kg/h以下），煙氣溫度一般降到30℃左右。

圖1為運(yùn)用Aspen Plus對燃煤電廠CO2捕集系統(tǒng)的工藝流程圖[4]。煙氣首先經(jīng)過預(yù)處理系統(tǒng)的洗滌塔（SCRUBBER）除去SO2等雜質(zhì)并降低煙氣溫度，經(jīng)過處理的煙氣進(jìn)入吸收塔（ABSORBER）用胺吸收CO2，吸收后富液由塔底經(jīng)過富液泵和換熱器之后進(jìn)入閃蒸罐（SEP）閃蒸出一部分CO2，其余的進(jìn)入再生塔（STRIPPER）再生出CO2，最后將其進(jìn)行排放或者收集，剩下的貧液由塔底流出重 新 返回吸收塔循環(huán)吸收。

2 模擬選擇與假設(shè)

本文對預(yù)洗塔（SCRUBBER）進(jìn)行優(yōu)化模擬，選取填料塔內(nèi)含兩層16mm的鮑爾環(huán)填料，模擬采用Aspen Plus內(nèi)置模塊庫中的RadFrac模型。由于模塊中含有電解質(zhì)組分參與反應(yīng)，故選擇電解質(zhì)物性模型ELECNRTL作為模塊模擬的主要物性方法。

模擬假設(shè)：①假設(shè)煙氣成分有N2、O2、CO2、H2O及SO2（見表1），參加反應(yīng)有SO2和CO2，不考慮鹵化氫和煙塵的影響；②不考慮預(yù)洗塔內(nèi)壓降；③脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

模擬中的主要反應(yīng)見式（1）～式（5）。

表1 煙氣工況

圖1 CO2捕集系統(tǒng)模擬流程圖

3 優(yōu)化模擬分析

3.1 填料選擇

填料是預(yù)洗塔的重要組成部分，直接與預(yù)洗塔的操作性能好壞有關(guān)。一般情況下，預(yù)洗塔內(nèi)都是單一填料，但是為了進(jìn)一步提高脫硫效率，本次研究將不同類型的填料和同種類型不同型號的填料進(jìn)行組合，形成組合填料，并且與單一填料的脫硫率進(jìn)行比較，最后選出較佳的填料形式。

在Aspen Plus操作欄中，進(jìn)入Blocks中的預(yù)洗塔（SCRUBBER），選擇各種不同的填料，對各種填料的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.1.1 不同種填料組合

選取4種在非平衡狀態(tài)下脫硫效果相近的常用填料，即鮑爾環(huán)填料（PALL）、金屬矩鞍環(huán)填料（IMTP）、波紋板填料（FLEXIPAC）和絲網(wǎng)型規(guī)整填料（CY）。單一填料脫硫效率和組合填料的脫硫效率分別見表2和表3。

從表2中可以看出，單一填料的脫硫效率：PALL≈FLEXIPAC＞CY＞IMTP。從表3可以看出，組合填料的脫硫效率要比單一填料的脫硫效率高，并且煙氣出口的溫度也隨著脫硫效率的增加而有所降低，其中脫硫效率相對較好的是PALL、FLEXIPAC組合與PALL、CY。

這4種填料都屬于新型填料，具有通氣量大、阻力小、壓降小和分離效率高等特點(diǎn)。但是每種填料又各有其特點(diǎn)：PALL選擇的為聚丙烯材料，其 填料因子較小，流動(dòng)阻力也較?。籌MTP形狀介于環(huán)形和鞍形之間，有兩者的優(yōu)點(diǎn)，并且全部表面都能被有效地利用，使氣體和液體在填料層中的流動(dòng)和擴(kuò)散更加有利；FLEXIPAC由相互平行、垂直排列的波板片組裝而成，波紋與填料塔軸線程45°角，相鄰的板片在波峰或波谷相接觸，使煙氣和液體的接觸更加充分；CY是4種填料中比表面積和空隙率最大的，并且質(zhì)量輕，氣相通路傾角小、有規(guī)則，能獲得更高純度的吸收產(chǎn)品[5]。在選擇填料的同時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，最終選取的較佳填料組合是PALL和FLEXIPAC。

表2 單一填料脫硫效率

表3 組合填料的脫硫效率

3.1.2 同種填料組合

選取2種型號的鮑爾環(huán)（PALL），分別為16mm和25mm，將型號不同的2種鮑爾環(huán)進(jìn)行組合。各組合填料的脫硫效率見表4。

表4 單一填料和其不同類型組合填料的脫硫效率

從表4可以看出，同種填料不同型號的脫硫效率和降溫多少是不同的，16mm的要比25mm的脫硫效率高，這是因?yàn)?6mm的比表面積較大，填料因子較小。從表4中也可以看出，無論是哪種組合方式，組合填料的脫硫效率都要比單一填料有明顯提高，并且出口煙氣溫度也有所降低。

綜合表3和表4的分析結(jié)果，組合填料脫硫效率較高的原因，主要是兩種填料都發(fā)揮了各自的突出優(yōu)點(diǎn)，不同的形狀和性能都加強(qiáng)了通氣量大、阻力小、壓降小等特點(diǎn)，從而使SO2和吸收劑的接觸面積增大，有利于相間傳質(zhì)，因此預(yù)洗塔的脫硫效率和降溫效果較好，可滿足后續(xù)胺法脫碳要求。

3.2 填料層高度

填料的填料層是氣液接觸的主要反應(yīng)位置，故填料層高度是降低出口煙氣SO2含量和出口煙氣溫度的主要因素之一。

在Aspen Plus中建立一個(gè)靈敏度分析，保持其他工藝條件恒定，設(shè)置采集變量（出口煙氣SO2含量或出口煙氣溫度）和操縱變量（填料層高度），調(diào)整填料層高度，把得到的結(jié)果作出曲線，觀察其變化。

圖2 填料層高度與出口煙氣SO2含量之間的關(guān)系

從圖2中可以看出，出口煙氣中SO2含量的總趨勢是隨填料層高度的增加而降低的。當(dāng)填料高度小于1m時(shí)，出口煙氣中SO2含量迅速下降；當(dāng)填料高度在1～2m之間時(shí)，下降趨勢也很明顯；當(dāng)填料高度大于2m后，呈平滑曲線逐步下降；當(dāng)填料高度大于4m之后，下降趨勢趨于平緩。

從圖3中可以看出，隨填料層高度的增加出口煙氣溫度逐漸降低。當(dāng)填料層高度小于2m時(shí)，溫度下降較快；當(dāng)填料層高度在2～4m之間時(shí)，溫度下降的比較平均；當(dāng)填料層高度大于4m時(shí)，溫度均勻下降，但是降低的較少。

綜合圖2和圖3的分析結(jié)果，隨著填料層高度的增加，雖然氣液接觸的面積增加了，但是隨著高度的增加液膜阻力隨之增加，所以太高的高度對去除出口煙氣中SO2含量的能力越來越少，出口煙氣溫度降低的也越來越少。因此填料層的最佳高度為2～4m。

3.3 吸收劑

3.3.1 吸收劑進(jìn)量

圖3 填料層高度與出口煙氣溫度之間的關(guān)系

吸收劑為預(yù)洗塔中氣液反應(yīng)的主要因素，由于本次模擬的煙氣量主要來自電廠脫硫，煙氣進(jìn)氣量較為固定，故優(yōu)化吸收劑的進(jìn)量也是是降低出口煙 氣SO2含量和出口煙氣溫度的主要因素之一[6]。由于常用的吸收劑氨水會吸收CO2，影響其后續(xù)捕集量，所以本次模擬吸收劑采用工業(yè)水，既經(jīng)濟(jì)又能除去SO2減少對CO2的吸收。

在Aspen Plus中建立一個(gè)靈敏度分析，保持其他工藝條件恒定，設(shè)置采集變量（出口煙氣SO2含量或出口煙氣溫度）和操縱變量（吸收劑進(jìn)量），調(diào)節(jié)吸收劑進(jìn)量，把得到的結(jié)果作出曲線，觀察其 變化。

從圖4中可以看出，出口煙氣中SO2含量的總趨勢是隨吸收劑進(jìn)量的增加而降低，最后趨于不變。當(dāng)吸收劑進(jìn)量小于250×103kg/h時(shí)，出口煙氣中SO2含量呈線性下降；當(dāng)吸收劑進(jìn)量在(250～350)×103kg/h之間時(shí)，下降趨勢逐漸平穩(wěn)；當(dāng)吸收劑進(jìn)量大于350×103kg/h后，幾乎沒有下降趨勢，出口煙氣中SO2含量趨于不變。

從圖5中可以看出，隨吸收劑進(jìn)量的增加出口煙氣溫度逐漸降低。當(dāng)吸收劑進(jìn)量小于250×103kg/h時(shí)，溫度下降較快；當(dāng)吸收劑進(jìn)量在(250～350)×103kg/h之間時(shí)，溫度下降得比較平緩；當(dāng)吸 收劑進(jìn)量大于350×103kg/h后，溫度均勻下降，但是降低得較少。

圖4 吸收劑進(jìn)量與出口煙氣中SO2含量之間的關(guān)系

圖5 吸收劑進(jìn)量與出口煙氣溫度之間的關(guān)系

綜合圖4和圖5的分析結(jié)果，由于吸收劑進(jìn)量的增加，增大了SO2氣體分子與液膜的接觸面積，有利于相間傳質(zhì)，利于SO2的吸收和降溫，可滿足后續(xù)胺法脫碳要求。但也不是吸收劑的進(jìn)量越大越好，當(dāng)吸收劑增加到一定程度是，液滴會大量凝聚，氣液接觸面積不再增大，反而會出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，不利于SO2的吸收和降溫。因此，吸收劑的最佳進(jìn)量為(250～350)×103kg/h。

3.3.2 分層噴淋進(jìn)吸收劑

擬采用改變進(jìn)料情況提高脫硫率，由于塔內(nèi)設(shè)定為兩層填料，所以將一層進(jìn)吸收劑改為兩層進(jìn)吸收劑，在每層填料上方分別進(jìn)吸收劑。通過以下思路：兩層進(jìn)吸收劑量之和與單層進(jìn)吸收劑相同，計(jì)算脫硫效率，并與單層進(jìn)吸收劑脫硫率比較[7]。

在Aspen Plus流程的預(yù)洗塔（SCRUBBER）中，加入第二層進(jìn)吸收劑，保持其他工藝條件恒定，調(diào)節(jié)第一層和第二層吸收劑的進(jìn)量比例。

將預(yù)洗塔兩層進(jìn)吸收劑分比例進(jìn)入，其總進(jìn)料量與單層進(jìn)吸收劑量相同，其脫硫效率見表4。

從表4可以看出，對于非平衡狀態(tài)下，由一層進(jìn)吸收劑改為兩層進(jìn)吸收劑對脫硫效率有一定的提高，第一層與第二層比例從1∶5增大到1∶1，脫硫效率略有增大，溫度也略有下降；從1∶1增大道5∶1，脫硫效率增大的幅度很小，溫度也不再變化，最佳比例可以選擇1∶1。氣液的主要反應(yīng)區(qū)在填料層處，分成兩層進(jìn)料從每層填料上方進(jìn)吸收劑，可以使每層反應(yīng)區(qū)上方進(jìn)入填料的吸收劑幾乎都是未反應(yīng)過的工業(yè)水，這樣對于氣體的吸收很有利，因此效率有所增加，煙氣溫度有所減低，可滿足后續(xù)胺法脫碳要求。實(shí)際操作中，如果改為兩層進(jìn)吸收劑，可以減少動(dòng)力消耗。

在非平衡狀態(tài)下，單層進(jìn)吸收劑300×103kg/h， 脫硫效率91.1%，溫度降為33.2℃。顯然兩層進(jìn)吸收劑優(yōu)于一層進(jìn)吸收劑，其直接結(jié)果是降低了能源消耗。

表4 兩層進(jìn)吸收劑比例與脫硫效率的關(guān)系

4 結(jié) 論

通過Aspen Plus模擬分析，對燃煤電廠CO2捕集中煙氣預(yù)處理系統(tǒng)的優(yōu)化可以得出如下結(jié)論。

（1）在非平衡級模型的基礎(chǔ)上，將預(yù)洗塔中的單一填料換成不同類型和同種類型不同型號的填料，考察其脫硫效率和出口煙氣溫度情況。結(jié)果表明：4種不同類型填料進(jìn)行組合，由于各自結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，組合填料的脫硫效率要比單一填料的脫硫效率高，出口煙氣溫度也會相應(yīng)降低，其中較佳的組合是FALL和FLEXIPAC。同種類型不同型號的組合填料，比單一型號填料的脫硫效率有明顯的提高，出口煙氣溫度也有明顯降低。

（2）對預(yù)洗塔的填料層高度和吸收劑進(jìn)量建立靈敏度分析，結(jié)果表明：①當(dāng)填料層高度在2～4m之間時(shí)，SO2含量呈穩(wěn)定曲線形式下降，溫度穩(wěn)定下降，是填料層的最佳高度；②當(dāng)吸收劑進(jìn)量在(250～350)×103kg/h之間時(shí)，SO2含量呈穩(wěn)定曲線形式下降，溫度穩(wěn)定下降，是吸收劑的最佳進(jìn)量。

（3）將預(yù)洗塔的一層進(jìn)吸收劑改成兩層進(jìn)吸收劑，兩層進(jìn)吸收劑分別按照比例進(jìn)水，進(jìn)料總和與單層進(jìn)吸收劑相同。結(jié)果表明：兩層進(jìn)吸收劑的脫硫效率要比一層進(jìn)吸收劑的脫硫效率好，其中較佳的比例為1∶1。在實(shí)際操作中，如果改為兩層進(jìn)吸收劑，最大的優(yōu)勢在于可以減少能源動(dòng)力消耗。

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