醇胺法碳捕集工藝解吸塔能耗分析

趙東亞, 揭 超, 李兆敏

(1.中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

醇胺法碳捕集工藝解吸塔能耗分析

趙東亞1, 揭 超1, 李兆敏2

(1.中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

解吸塔的能耗是評(píng)價(jià)醇胺法的重要技術(shù)指標(biāo)。針對(duì)解吸塔反應(yīng)精餾的特點(diǎn),在MESH方程(質(zhì)量平衡方程、相平衡方程、摩爾分?jǐn)?shù)歸一化方程、能量平衡方程)中加入反應(yīng)項(xiàng)建立平衡級(jí)靜態(tài)模型,得到與再生能耗相關(guān)的直接因素,定性分析這些因素對(duì)再生能耗的影響。結(jié)果表明,再生能耗主要集中在解吸塔內(nèi)升溫吸熱和解吸化學(xué)吸熱過(guò)程,且MEA濃度、塔底壓力等參數(shù)對(duì)能耗也有較大影響。

二氧化碳捕集; MESH方程; 反應(yīng)精餾; 能耗

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類(lèi)對(duì)化石燃料的需求量不斷增加,導(dǎo)致CO2的排放量逐年提高,造成越來(lái)越嚴(yán)重的溫室效應(yīng)問(wèn)題。燃煤電廠是CO2的集中排放源,捕集煙氣中的CO2對(duì)緩解全球氣候變化具有重要意義[1-2]?；瘜W(xué)吸收法因其捕集量大、技術(shù)較為成熟得到了廣泛的利用,其中MEA吸收法以其吸收速率快、吸收效率高等優(yōu)點(diǎn)發(fā)展最為迅速,但該工藝需要電廠供給大量高低壓蒸汽,導(dǎo)致捕集成本升高[3-4]。解吸塔是醇胺法二氧化碳捕集技術(shù)耗能最大的設(shè)備,解吸能耗占CO2捕集系統(tǒng)總能耗的70% ～ 80%[5],對(duì)其能耗進(jìn)行分析,對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有積極作用。當(dāng)前在研究降低CO2解吸能耗方面,主要有:采用新型吸收劑[6]、優(yōu)化工藝參數(shù)、改進(jìn)吸收解吸工藝[7]。其中優(yōu)化工藝參數(shù)不涉及改變裝置及試劑,在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。Abu-Zahra[8]運(yùn)用Aspen Plus建模并分析了能耗同貧液負(fù)載率(溶液中CO2的質(zhì)量占比)、吸收劑濃度、貧液(含CO2較少的溶液)溫度的關(guān)系;李太星等[9]研究了氨水吸收CO2反應(yīng)熱隨貧液CO2負(fù)載率變化規(guī)律,其他影響因素如氨水濃度等則未做詳細(xì)分析。李小飛等[10]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上定性分析貧液CO2負(fù)載率等5個(gè)工藝參數(shù)同單位能耗,并未建立吸收塔能耗分析的機(jī)制模型,且數(shù)據(jù)量較少,不能充分反映單位能耗與工藝參數(shù)之間的關(guān)系,如單位能耗隨富液(含CO2較多的溶液)溫度升高而減小,但當(dāng)富液溫度超過(guò)拐點(diǎn)時(shí)則迅速上升,文中未能體現(xiàn)。筆者運(yùn)用MESH方程建立解吸塔機(jī)制模型,在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上增加塔頂溫度、富液進(jìn)料流率和貧液溫度3個(gè)參數(shù)對(duì)單位能耗的影響分析,并確定貧液負(fù)載率等8個(gè)參數(shù)的參考設(shè)置范圍。

1 MEA二氧化碳捕集工藝

二氧化碳捕集與純化工藝過(guò)程主要的化學(xué)反應(yīng)為

二氧化碳吸收:

(1)

乙醇胺再生:

CO2+2R-NH2.

(2)

如圖1所示,電廠的煙氣經(jīng)冷卻器冷卻后加壓進(jìn)入吸收塔,在吸收塔中發(fā)生反應(yīng)(1),完成二氧化碳的吸收,形成穩(wěn)定的中間產(chǎn)物氨基甲酸酯,經(jīng)吸收塔塔頂排出凈化的煙氣,塔底輸出二氧化碳富液,富液經(jīng)過(guò)貧富液換熱器換熱后進(jìn)入解吸塔發(fā)生反應(yīng)(2),氨基甲酸酯分解,完成MEA的再生,在解吸塔的塔頂?shù)玫礁邼舛鹊亩趸籍a(chǎn)品,塔底排出高溫的二氧化碳貧液,貧液一部分進(jìn)行回收,一部分回流,經(jīng)過(guò)貧富液換熱器為富液提供熱量,同時(shí)自己的溫度降低,之后再經(jīng)過(guò)冷卻器進(jìn)一步降溫,最后和補(bǔ)充的MEA溶液,循環(huán)水一起進(jìn)入吸收塔,完成吸收液的循環(huán)[8-11]。

圖1 MEA化學(xué)吸收法的工藝流程Fig.1 Process of MEA method carbon capture

對(duì)于解吸塔而言,能量的來(lái)源及去向主要有再沸器供熱、冷凝器散熱、富液流入和貧液流出負(fù)載熱量以及塔頂二氧化碳帶出的熱量;物料來(lái)源及去向包括來(lái)自吸收塔的富液、冷凝塔輸出的CO2(含雜質(zhì))和再沸器輸出的貧液。

2 解吸塔機(jī)制模型

主要采用MESH法建立平衡級(jí)模型。模型假設(shè):(1)催化精餾過(guò)程為定常態(tài)且反應(yīng)僅發(fā)生于液相;(2)汽液兩相離開(kāi)塔板時(shí)處于熱力學(xué)平衡和相平衡;(3)有反應(yīng)發(fā)生的塔板為全混反應(yīng)器[12-13]。

圖2 第j級(jí)塔板參數(shù)Fig.2 Parameters of plate of j

根據(jù)物料及能量衡算關(guān)系列出方程[14-15]為

M方程(級(jí)j的組分物料衡算方程):

Lj-1xi,j-1+Vj+1yj+1+Fjzi,j-Ljxi,j-Ujxi,j-(Vj+Gj)yi,j+ΔRj=0.

(3)

式中,x為液相組分摩爾流率;y為液相組分摩爾流率;Vj為汽相流率;Lj為液相流率;Fi為液體進(jìn)料量;z為進(jìn)料組分摩爾流率;i為組分號(hào);j為平衡級(jí)號(hào);ΔRj為級(jí)間反應(yīng)速率;Gj為側(cè)線汽流量;Uj為側(cè)線液流量。

E方程(汽-液相平衡方程):

Yi,j=Ki,jXi,j.

(4)

式中,K為相平衡常數(shù);Yi,j為組分在液相中的摩爾分率;Xi,j為組分在汽相中的摩爾分率。

S方程(摩爾分率加和式):

(5)

式中,m為組分個(gè)數(shù)。

H方程(級(jí)j的熱量衡算方程):

Lj-1hi,j-1+Vj+1Hj+1+FjHi,j-(Li+Uj)hi,j-(Vi+Gj)Hj-Qj+ΔRjHrj=0.

(6)

式中,hj為液相摩爾熱焓;Hj為汽相摩爾熱焓;Hr為反應(yīng)摩爾熱焓;Qj為級(jí)間流失熱。

R方程(總反應(yīng)速率為各級(jí)反應(yīng)速率總和):

(7)

式中,ΔR為總反應(yīng)速率。

在MESH方程中相平衡常數(shù)Ki,j、汽相摩爾熱焓Hi,j和液相摩爾熱焓hi,j不是獨(dú)立變量,它們是溫度、壓力和組成的函數(shù)[16-18]。

(8)

Grich,in=Glean,out+GCO2.

(9)

式中,Grich,in為入塔富液流率;Glean,out為出塔貧液流率;GCO2為塔頂二氧化碳流率;Tj為塔板溫度;Pj為塔板壓力。

貧液流率可用富液流率和塔頂汽體產(chǎn)量表示。由于反應(yīng)精餾塔內(nèi)氣壓變化不大,可近似看作定值,板層塔板壓力均等于塔底壓力。由貧液負(fù)載率推算塔底液相組分摩爾流率,每層塔板液相組分摩爾流率由后者線性?xún)?nèi)插獲得。由塔頂CO2產(chǎn)量和塔頂流率可得塔頂汽相組分摩爾流率,每層塔板汽相組分摩爾流率由其線性?xún)?nèi)插獲得。液體進(jìn)料量由富液流率獲得。進(jìn)料組分摩爾流率由富液負(fù)載率推算可得。側(cè)線汽、液流量均為零。塔板溫度由塔頂溫度和貧液溫度線性?xún)?nèi)插獲得。塔板汽相流率和液相流率分別由塔頂汽體流率和貧液流率線性?xún)?nèi)插獲得,級(jí)間流失熱、級(jí)間反應(yīng)熱、汽相摩爾熱焓、反應(yīng)摩爾熱焓、液相摩爾熱焓均由單位能耗涵蓋。

(10)

3 解吸塔能耗分析

3.1 單位能耗計(jì)算

運(yùn)用MESH法建立了平衡級(jí)模型,并找出與再生熱相關(guān)的變量,根據(jù)這些參量對(duì)再生熱進(jìn)行了進(jìn)一步的能耗分析。

Qreg=Qs+Qr+Qg.

(11)

式中,Qreg為再生熱;Qs為顯熱;Qr為分解反應(yīng)熱;Qg為汽化熱。

(1)顯熱。

其中

(12)

(2)分解反應(yīng)熱。

Q=GCO2ΔqCO2.

(13)

式中,ΔqCO2為單位CO2再生所需的平均反應(yīng)熱;GCO2為塔頂CO2流率。

(3)汽化熱。

(14)

綜上,解吸塔單位能耗計(jì)算式為

(15)

3.2 單位能耗與關(guān)鍵參數(shù)分析

由式(9)可知,單位能耗主要受貧液溫度、負(fù)載率,富液溫度、負(fù)載率、流量,塔頂溫度、流量和塔底壓力等參數(shù)影響,通過(guò)ProTreat軟件建立工藝模型,并求解獲得相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)參數(shù)與單位能耗關(guān)系做了進(jìn)一步分析。ProTreat軟件是一款專(zhuān)門(mén)處理酸性氣體化工的仿真軟件,在CO2捕集領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用[20-22]。以勝利電廠100 t/d CO2捕集工程為背景建立捕集工藝模型,其基礎(chǔ)條件包括煙道氣組分(12.5%CO2,78.5%N2,4%O2,5%H2O),進(jìn)氣量18 965 m3/h,進(jìn)入吸收塔溫度40 ℃,吸收劑為MEA溶液,質(zhì)量分?jǐn)?shù) 28%,吸收塔為填料塔,解吸塔為板式塔。

如圖3所示,隨著解吸塔塔底的壓力或貧液溫度增加,再生能耗開(kāi)始以較快速度下降,分別在解吸塔貧液溫度為391.9 ℃和塔底壓力為0.158 MPa時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),此后,繼續(xù)增大解吸塔塔底壓力或貧液溫度,再生能耗下降緩慢。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,往往采用增大再沸器加熱蒸汽量的方式增加塔底壓力,與此同時(shí)塔底溫度也會(huì)隨之上升。由此可知,增大解吸塔塔底壓力,再生能耗也會(huì)下降,當(dāng)解吸塔塔底壓力過(guò)高時(shí),解吸塔塔底溫度也會(huì)較高,這樣會(huì)造成吸收液的大量損耗反而不利于解吸過(guò)程。

圖3 塔底溫度和壓力對(duì)單位能耗的影響Fig.3 Influences of bottom temperature and pressure on unit energy consumption

圖4為貧液負(fù)載率對(duì)單位能耗的影響。由圖4可知,貧液CO2負(fù)載逐漸增大,系統(tǒng)的再生能耗會(huì)逐漸降低,當(dāng)貧液CO2負(fù)載到0.255 mol CO2/mol MEA時(shí),貧液能耗達(dá)到最小值,約為4.52 GJ/t,之后增大貧液CO2的負(fù)載,再生能耗會(huì)緩慢增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是貧液負(fù)載大即貧液內(nèi)CO2量較多,經(jīng)降溫流入吸收塔,吸收效果會(huì)下降從而導(dǎo)致CO2產(chǎn)量降低,單位能耗上升。

圖4 貧液負(fù)載率對(duì)單位CO2能耗的影響Fig.4 Influence of leaning solution load rate on unit energy consumption

圖5為富液流率、富液負(fù)載率和富液溫度對(duì)再生能耗的影響。如圖5(a)所示,增大富液流率,再生能耗開(kāi)始緩緩上升,然后在525 kg/s出現(xiàn)拐點(diǎn)急劇上升,這主要是由于富液流量增大一方面使得塔頂溫度降低有利于減少塔頂汽攜帶水量,一方面需要再沸器提供更多能量加熱富液。超過(guò)拐點(diǎn),后者影響更大,導(dǎo)致整體能耗急劇上升。

如圖5(b)所示,隨著富液負(fù)載率升高,單位能耗逐漸下降,主要由于富液所含CO2較多,更容易發(fā)生解吸反應(yīng),提高捕碳產(chǎn)量,當(dāng)超過(guò)負(fù)載率0.47時(shí),受再沸器供給熱以及溶液塔內(nèi)滯留時(shí)間限制,碳產(chǎn)量上漲變慢同時(shí)導(dǎo)致貧液負(fù)載率上升,能耗小幅上升。

如圖5(c)所示,隨著富液溫度上升單位能耗下降,在95 ℃左右出現(xiàn)拐點(diǎn)后隨即上升,主要因?yàn)楦灰簻囟纫环矫孀鳛槔鋮s溶液降低塔頂溫度,即降低汽化熱,要求富液入塔前溫度越低越好;另一方面過(guò)冷的富液進(jìn)入解吸塔會(huì)增加再沸器負(fù)荷,須供給更多蒸汽用來(lái)加熱富液到反應(yīng)溫度,要求入塔前富液溫度越高越好。

如圖6所示,隨著塔頂流率和塔頂溫度上升,單位能耗也上升,由于出塔頂汽主要是二氧化碳和水氣,流率和溫度上升會(huì)導(dǎo)致更多的水氣攜帶能量出解吸塔,從而導(dǎo)致能耗快速上升。

圖5 富液流率、富液負(fù)載率和富液溫度對(duì)再生能耗的影響Fig.5 Influences of rich solution flow rate, rich solution load rate and rich solution temperature on unit energy consumption

圖6 塔頂流率和塔頂溫度對(duì)單位能耗的影響Fig.6 Influences of top flow rate and top temperature on unit energy consumption

4 結(jié) 論

(1)再生能耗主要集中在富液塔內(nèi)升溫吸熱和解吸化學(xué)吸熱兩項(xiàng)。

(2)再生能耗主要與富液流量、富液溫度、富液負(fù)載率,貧液溫度、貧液負(fù)載率,塔頂溫度、塔頂流量和塔底壓力有關(guān)。

(3)塔底壓力和塔底溫度的適度增加有利于降低能耗;提高貧液負(fù)載率雖然有利于降低單位能耗,但過(guò)高則影響吸收塔吸收效果,降低CO2產(chǎn)量,從而導(dǎo)致能耗上升;富液溫度的提高有利于單位能耗的降低,過(guò)高溫度的進(jìn)料富液會(huì)大幅增加塔頂水蒸氣量從而導(dǎo)致能耗上升。

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(編輯 沈玉英)

Energy consumption analysis of desorption column in amine-based CO2capture process

ZHAO Dongya1, JIE Chao1, LI Zhaomin2

(1.CollegeofChemicalEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The energy consumption of the desorption column is an important technical index to evaluate this capture technology. According to the characteristics of reactive distillation of desorption column, reaction terms were joined in the MESH equations to establish a equilibrium-level static model. The main parameters directly related to the regeneration energy consumption were found out through analyzing the model. Then, the relationship between the regeneration energy consumption and the parameters was analyzed. The analysis shows that the regeneration energy consumption is mainly concentrated in the sensible heat of rich liquid and the desorption chemical heat. The MEA concentration and bottom pressure also have a great effect on energy consumption.

carbon dioxide capture; MESH equation; reactive distillation; energy consumption

2016-03-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61273188，61473312)

趙東亞(1975-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)檫^(guò)程建模與控制。E-mail: dyzhao@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)06-0150-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.06.019

P 631.9

A

趙東亞,揭超,李兆敏.醇胺法碳捕集工藝解吸塔能耗分析[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,40(6):150-155.

ZHAO Dongya, JIE Chao, LI Zhaomin. Energy consumption analysis of desorption column in amine-based CO2capture process[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016,40(6):150-155.