壓縮式熱泵回收CO2捕集解吸塔廢熱節(jié)能工藝研究

陸詩建，孟曉鋒，高麗娟，張會明，曲宏偉，趙東亞，朱全民

(1.中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，山東 東營 257026；2.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司純梁采油廠，山東 濱州 256504；4.冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司，山東 煙臺 264000)

燃煤電廠煙道氣中CO2的分離與回收，目前廣泛采用的捕集方法是化學(xué)吸收法[1-3]。該法是利用CO2與有機胺發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)，吸收與解吸交替進(jìn)行，從而實現(xiàn)二氧化碳從煙氣中的分離[4-6]。有機胺捕集CO2的流程如圖1所示。

圖1 有機胺捕集CO2流程

有機胺吸收法具有吸收速率高、溶劑易于制備，效果明顯，工藝成熟，在國內(nèi)外二氧化碳捕集工程中已獲得了應(yīng)用，建設(shè)了多個示范工程[7-10]。但該法也存在吸收劑能耗高、運行成本高的問題。

為解決能耗高的問題，一是開發(fā)低能耗吸收劑，二是研發(fā)各類節(jié)能工藝，充分回收利用捕集系統(tǒng)內(nèi)廢熱，實現(xiàn)再生能耗的降低[11-12]。目前國內(nèi)外開發(fā)了高效率換熱器、MVR熱泵、吸收式熱泵技術(shù)等節(jié)能工藝，降低能耗效果在20%以內(nèi)[13-15]。其中利用熱泵技術(shù)回收捕集廢熱獲得了學(xué)者關(guān)注，成為研究熱點。熱泵是消耗少量驅(qū)動能源，將低品位熱源的熱能變?yōu)楦咂肺粺嵩吹难b置。壓縮式熱泵是通過電動機等動力機械來驅(qū)動壓縮機做功，使工質(zhì)在熱泵中循環(huán)流動并發(fā)生相變，利用壓縮機做功與相變熱來達(dá)到制熱的目的。本文在常規(guī)有機胺吸收法的基礎(chǔ)上，采用壓縮式熱泵回收解吸塔頂氣體熱量，研究探討最佳節(jié)能指標(biāo)和工況參數(shù)。

1 基礎(chǔ)參數(shù)與捕集系統(tǒng)模型

燃煤電廠煙氣組分比較復(fù)雜，主要包括水蒸氣、CO2、硫化物、NOx以及固體顆粒等，本文主要模擬吸收-再生過程，故進(jìn)入捕集流程中的煙氣是經(jīng)過水洗塔脫硫脫硝后以及靜電除塵等處理的煙氣，主要成分為CO2、H2O、O2和N2。其具體參數(shù)如表1、表2所示。

表1 燃煤電廠煙氣組分參數(shù)

表2 貧液吸收劑參數(shù)

結(jié)合燃煤電廠煙氣參數(shù)，確定各單元模塊參數(shù)，以此來進(jìn)行有機胺法捕集CO2流程吸收-再生過程模擬，各單元模塊參數(shù)見表3。

表3 捕集系統(tǒng)單元模塊參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置及單元模塊選取，利用ASPEN PLUS軟件進(jìn)行了常規(guī)有機胺法捕集CO2工藝流程進(jìn)行了模型的建立，如圖2所示。

圖2 常規(guī)有機胺法捕集CO2工藝流程模型

2 壓縮式熱泵捕集CO2工藝流程模擬分析

基于壓縮式熱泵的胺法捕集CO2工藝流程的建立主要是利用壓縮式熱泵來回收解吸塔塔頂氣體中水蒸汽的潛熱和顯熱，CO2的顯熱，然后將回收的這部分熱量用于提高富液溫度。解吸塔中主要進(jìn)行的CO2的再生，MEA溶液與CO2反應(yīng)為可逆反應(yīng)，富液在解吸塔中吸熱釋放CO2，從而實現(xiàn)CO2的再生。潛熱與顯熱公式如式(1)、(2)所示。

Q港=m·ΔH

(1)

Q顯=cp·Δt

(2)

式中，m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg；ΔH為物質(zhì)的蒸發(fā)焓(汽化熱)，kJ/kg；cp為物質(zhì)的比熱，kJ/(kg·℃)

壓縮式熱泵主要部件包括：蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥和壓縮機，具體模塊選取及參數(shù)設(shè)定如表4所示。

表4 設(shè)備參數(shù)

制冷劑參數(shù)：制冷劑流量M=100 t/h。

根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置及前文單元模塊選取，利用ASPEN PLUS軟件進(jìn)行了基于壓縮式熱泵的胺法捕集CO2工藝流程進(jìn)行了模型的建立，如圖3所示。

圖3 基于壓縮式熱泵的胺法捕集CO2流程模型

3 系統(tǒng)再生能耗分析

該模型主要研究的是富液進(jìn)解吸塔溫度、解吸塔塔底壓力對系統(tǒng)再生能耗及再沸器負(fù)荷、貧富液換熱器負(fù)荷的影響，具體參數(shù)變化范圍如表5所示。

表5 系統(tǒng)再生能耗的影響因素數(shù)據(jù)

將壓縮式熱泵系統(tǒng)添加到常規(guī)有機胺捕集CO2流程中，可以得到如圖3所示的捕集系統(tǒng)模型，對該流程進(jìn)行分析可以得到結(jié)果如表6所示。

表6 關(guān)鍵物流參數(shù)

經(jīng)模擬計算，常規(guī)有機胺捕集CO2流程的系統(tǒng)再生能耗為4.306 GJ/tCO2；本文將壓縮式熱泵引入到常規(guī)有機胺捕集CO2流程流程中系統(tǒng)再生能耗為3.651 GJ/tCO2，降低系統(tǒng)再生能耗15.21%。對影響系統(tǒng)再生能耗的影響因素進(jìn)行具體的分析：

3.1 解吸塔塔底壓力

將壓縮式熱泵應(yīng)用到捕集流程中，雖很好的實現(xiàn)了將解吸塔塔頂氣體中的余熱回收再利用，但為保證90%的捕集率，99%的純度，常規(guī)有機胺法捕集CO2流程中的解吸塔塔底壓力已不能滿足要求，需相應(yīng)提高解吸塔塔底壓力，本文研究解吸塔塔底壓力在130～180 kPa時，解吸塔塔底壓力對系統(tǒng)再生能耗的影響。

圖4為不同解吸塔塔底壓力條件下解吸塔塔板處溫度曲線，從圖中可以看出，在解吸塔塔底壓力在130～180 kPa變化時塔板處溫度均小于125℃(溫度高于125℃時MEA吸收劑會發(fā)生熱降解)，且隨著解吸塔塔板數(shù)不斷增加，塔板處的溫度也不斷升高，這主要是因為塔板數(shù)越高越靠近再沸器，加熱后的蒸汽再次返回解吸塔中有利于解吸反應(yīng)的進(jìn)行，液體由塔底排出。

圖4 解吸塔內(nèi)塔板溫度隨塔板數(shù)變化曲線

圖5 解吸塔塔底壓力對各參數(shù)影響變化曲線

Fig.5 The variation curve of desorption tower bottom pressure on various parameters

圖5為解吸塔塔底壓力對各參數(shù)影響變化曲線，從圖5(a)中可以看出，隨著解吸塔塔底壓力的增大，貧液CO2負(fù)載率呈上升趨勢；由圖5(b)可知，隨著解吸塔塔底壓力的升高，系統(tǒng)再生能耗呈不斷下降的趨勢，且下降趨勢逐漸減緩，造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)貧液CO2負(fù)載率較大時，解吸塔底再沸器所提供的熱量主要用來加熱大量的循環(huán)工質(zhì)，富液的再生度較低，故系統(tǒng)再生能耗值較小。當(dāng)解吸塔塔底壓力為140 kPa時出現(xiàn)拐點，此后系統(tǒng)再生能耗降低速度逐漸減緩，雖然當(dāng)解吸塔塔底壓力為180 kPa時，系統(tǒng)再生能耗最低，但是解吸塔壓力并不是越大越好，一方面解吸塔塔底壓力的提升需要增加設(shè)備的承壓能力，另一方面隨著解吸塔溫度和壓力的升高，溶劑的降解速率也會增加，吸收液會大量損耗，同時也會會加劇腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，造成設(shè)備投資增加，因此再生塔塔底壓力選擇為140 kPa，此時系統(tǒng)再生能耗為3.664 GJ/tCO2，再生能耗降低12.85%，即再生能耗可從原有4.204 GJ/tCO2降至3.664 GJ/tCO2，對每噸CO2節(jié)能值為0.54 GJ。

3.2 富液進(jìn)解吸塔溫度

圖6 富液進(jìn)解吸塔溫度對各參數(shù)影響變化曲線

Fig.6 The variation curves of the temperature of the entry desorption tower with rich liquid influencing on various parameters

圖6為富液進(jìn)解吸塔溫度對各參數(shù)影響變化曲線，從圖6(a)中可以看出，隨著進(jìn)解吸塔富液溫度的升高系統(tǒng)再生能耗呈下降趨勢，這主要是因為隨著富液進(jìn)塔溫度的升高，解吸塔內(nèi)溫度逐漸升高(如圖6(c)所示)，更有利于解吸反應(yīng)的進(jìn)行，貧液負(fù)載逐漸減小(如圖6(b)所示)，故隨著進(jìn)解吸塔富液溫度的升高，所需再沸器提供的能耗逐漸減少(如圖6(a)所示)。由于本次模擬事先對CO2捕集率做了規(guī)定，在煙氣流量不變的情況下，捕集到的CO2流量基本變化不大，故系統(tǒng)再生能耗與再沸器負(fù)荷隨解吸塔塔頂壓力變化基本趨勢一致。當(dāng)進(jìn)塔溫度為120℃時，系統(tǒng)再生能耗最低，為3.651 GJ/tCO2，再生能耗降低13.15%，即再生能耗可從原有4.204GJ/tCO2降至3.651GJ/tCO2，對每噸CO2節(jié)能值為0.553GJ，此為理論模擬計算值，實際能耗降低值以運行數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文介紹了壓縮式熱泵節(jié)能技術(shù)以及基于壓縮式熱泵技術(shù)的有機胺法捕集CO2工藝流程，并利用ASPEN PLUS軟件進(jìn)行了模擬優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

(1)在基于壓縮式熱泵技術(shù)的有機胺法捕集CO2流程模擬分析中，通過改變解吸塔塔底壓力、進(jìn)解吸塔富液溫度等參數(shù)來降低系統(tǒng)再生能耗。

(2)隨著進(jìn)解吸塔富液溫度的升高，解吸反應(yīng)進(jìn)行的越徹底，系統(tǒng)再生能耗、再沸器負(fù)荷與貧液CO2負(fù)載均呈逐漸降低趨勢，但進(jìn)解吸塔富液溫度越高，解吸塔每層塔板處溫度越高，當(dāng)進(jìn)塔溫度為120℃時，系統(tǒng)再生能耗最低，為3.664 GJ/tCO2。

(3)隨著解吸塔塔底壓力的升高，系統(tǒng)再生能耗與再沸器負(fù)荷均呈逐漸降低趨勢，貧液CO2負(fù)載呈上升趨勢，為減少吸收液損耗及投資成本當(dāng)解吸塔壓力為140 kPa時最合適，此時系統(tǒng)再生能耗值為3.651 GJ/tCO2，降低系統(tǒng)再生能耗13.15%。