勝利電廠100t/d煙氣CO2捕集裝置火用分析與節(jié)能方法探索

陸詩建，趙東亞，朱全民，李清方

（1.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580；

2.中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，山東 東營 257026）

全球變暖的威脅使得CO2減排成為世界各國關(guān)注的焦點問題。化石燃料發(fā)電廠是CO2的集中排放源，其所排CO2量占總排放量的大約30%[1-3]，因此應(yīng)當(dāng)成為減排CO2的重點。煙氣中CO2的分離脫除方法眾多，但考慮到電廠煙氣中CO2的分壓低和技術(shù)工藝的成熟性，化學(xué)吸收法對煙氣中CO2的脫除相對而言是一種比較好的選擇。由于煙道氣中的主要成分是氮氣(約72%～77%)，而CO2含量相對較低（約12%～15%)[4-7]，分離耗能很大，因此上述技術(shù)均不可避免地導(dǎo)致電站效率下降[8-9]，發(fā)電成本增加。因此對CO2捕集裝置進行火用和能量分析非常重要[10-11]。

本文以中石化已建的勝利電廠100t/d CO2捕集純化裝置為研究對象，對煙氣CO2捕集系統(tǒng)工藝流程各節(jié)點進行能量分析和火用分析，繪制出系統(tǒng)的能流圖及火用流圖，并對系統(tǒng)各個單元設(shè)備進行能量分析及火用分析，判斷出其中的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進的方案。所得結(jié)論對擬建化學(xué)吸收法碳捕集裝置具有較好的參考價值。

1 CO2捕集裝置的火用分析

1.1 化學(xué)吸收法碳捕集工藝流程

化學(xué)吸收法CO2捕集技術(shù)常選用復(fù)合胺作為吸收劑，其水溶液呈堿性，15%～20%復(fù)合胺溶液的pH值約為12；而CO2為弱酸性氣體，當(dāng)CO2溶解于復(fù)合胺水溶液中時，發(fā)生放熱反應(yīng)。40℃左右，CO2被復(fù)合胺溶液吸收成為富液，達到平衡后，將富液加熱至100℃左右使之分解，釋放出CO2，同時溶液成為貧液，降溫后可循環(huán)使用。工藝流程如圖1所示，熱力系統(tǒng)由CO2的吸收設(shè)備、泵、換熱設(shè)備、冷卻設(shè)備、加熱設(shè)備及CO2的解吸設(shè)備等主要設(shè)備組成?；镜墓ぷ髁鞒淌菑腻仩t出來的煙氣先經(jīng)過分離器凈化處理，然后進入水洗塔，當(dāng)溫度降到貧胺液吸收CO2的最佳溫度后，直接將煙氣送入分離器，將煙氣中夾雜的水蒸氣等分離出來之后，在引風(fēng)機的作用下進入吸收塔后與其內(nèi)的40℃的貧胺液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

吸收了CO2之后的富胺液經(jīng)過富液泵加壓之后進入貧富液換熱器與從再生塔出來的貧液發(fā)生熱交換，被加熱到85℃，直接進入再生塔，在再生塔內(nèi)富液繼續(xù)被加熱到100℃左右開始發(fā)生解吸反應(yīng)。從再生塔出來的胺液分為兩部分，一部分出來后進入貧富胺液熱交換系統(tǒng)，將富胺液加熱，而自身溫度降低到65℃，之后貧胺液經(jīng)過貧液泵進入貧液冷卻器冷卻后變?yōu)?0℃，然后40℃的貧胺液回流到吸收塔繼續(xù)吸收煙氣；還有一部分直接進入溶液煮沸器被加熱汽化為蒸汽，蒸汽進入再生塔用以提供富胺液升溫及析出CO2所需要的能量。析出的CO2夾雜著水蒸氣離開再生塔后進入再生氣冷卻器，被冷卻到40℃后，水蒸氣變?yōu)橐簯B(tài)水，之后進入氣液分離器；經(jīng)過氣液分離再生的CO2作為產(chǎn)品被收集，而分離出的液態(tài)水回流到再生塔，這就是整個CO2化學(xué)吸收循環(huán)過程。

圖1 CO2捕集裝置工藝流程圖

1.2 CO2捕集裝置分析

W為換熱設(shè)備的損耗功，計算式為：

其中：THm—高溫流體熱力學(xué)平均溫度，℃；TLm—低溫流體熱力學(xué)平均溫度，℃。

平均溫度的計算公式為：

其中：T1—流體的起始溫度，℃；T2—流體的終端溫度，℃。

其中：Ex,in—輸入；Ex,out—系統(tǒng)輸出；△Ex—系統(tǒng)內(nèi)部損；Ex,ef—系統(tǒng)有效。

工藝流程中所有的裝置和設(shè)備的操作參數(shù)如圖2所示。能量平衡計算過程中忽略動能、位能的變化。

圖2 二氧化碳捕集系統(tǒng)的操作參數(shù)

取環(huán)境溫度為25℃，即T0=298.15K，計算煙道的Ea。

在此，視進入系統(tǒng)的煙氣為理想氣體，查表并計算可以得出煙氣的各組分氣體的物性參數(shù)如表1所示。

表1 煙氣各組分氣體物性參數(shù)(40℃，8kPa)

圖3 二氧化碳捕集系統(tǒng)火用流圖

1.3 各設(shè)備的能量衡算及火用分析

吸收塔系統(tǒng)包括進吸收塔的煙氣Qa、進吸收塔的貧液Qi、反應(yīng)放熱Qr、出吸收塔的煙氣Qj、出吸收塔的富液Qb。

由于吸收塔中發(fā)生了一系列的化學(xué)反應(yīng)，胺液吸收CO2的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)場試驗可知，吸收塔內(nèi)的溫度為60℃，胺液每吸收1kg的CO2就放出1490kJ的熱量。在吸收塔中胺液吸收的CO2約有3040kg/h[15]，于是，此流程中反應(yīng)放出的熱量為：Qr=2556×3040/3600=2158.4kJ/s。

得出吸收塔內(nèi)能量平衡計算分析，忽略吸收塔與環(huán)境之間的換熱，如表2所示。

表2 吸收塔系統(tǒng)能量平衡計算

再生塔系統(tǒng)包括進再生塔的富液Qc、再生塔回流水Qk、溶液煮沸器出口蒸汽Qm、出再生塔的貧液Qg、出再生塔的再生氣Qd、進溶液煮沸器的貧液Ql、反應(yīng)吸熱Qr六部分。

在再生塔中發(fā)生的解吸CO2的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)場試驗可知，吸收塔內(nèi)的溫度為100℃，胺液每解吸1kg的CO2就吸收2556kJ的熱量。在再生塔中胺液解吸的CO2約有3040kg/h。于是，此流程中反應(yīng)吸收的熱量為：Qr=2556×3040/3600=2158.4kJ/s，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)Er通過熱量公式計算為433.82kJ/s。

同樣，通過計算可以得出：

外界供熱：

即在忽略散熱損失的情況下，為保持再生塔內(nèi)100℃，外界需提供至少2299.55kJ/s的熱量。

表3 再生塔系統(tǒng)能量平衡計算

貧富液換熱器系統(tǒng)包括出吸收塔的富液Qb、出再生塔的貧液Qg、進再生塔的富液Qc、出貧富液換熱器的貧液Qh四部分，在此系統(tǒng)中，根據(jù)能量守恒可以求得貧富液換熱器的散熱損失為1220.2kJ/s，貧富液換熱器能效率為55.89%，貧富液換熱器效率為87.64%，貧富液換熱器損失為155.04kJ/s：

得出貧富液換熱器內(nèi)能量平衡計算分析，如表4所示。

表4 貧富液換熱器系統(tǒng)能量平衡計算

貧液冷卻器系統(tǒng)包括出貧富液換熱器的貧液Qh、貧液冷卻器冷卻水Qo、進吸收塔的貧液Qi，在此系統(tǒng)中包括了，根據(jù)能量守恒可以求得貧液冷卻器的冷量損失為1667.36kJ/s，貧液冷卻器的能效率是53.59%，貧液冷卻器的效率是77.03%，貧液冷卻器損失為211.69 kJ/s。得出貧液冷卻器內(nèi)能量平衡計算分析，如表5。

表5 貧液冷卻器系統(tǒng)能量平衡計算

再生氣冷卻器系統(tǒng)包括出再生塔的再生氣Qd、再生氣冷卻器冷卻水Qp、出再生氣冷卻器的再生氣Qe，在此系統(tǒng)中，根據(jù)能量守恒可以求得再生氣冷卻器的冷量損失為 1373.3kJ/s，再生氣冷卻器的能效率為61.77%，再生氣冷卻器的效率的為60.04%，再生氣冷卻器損失為259.39kJ/s。得出再生氣冷卻器內(nèi)能量平衡計算分析，如表6所示。

表6 再生氣冷卻器系統(tǒng)能量平衡計算

教師的“健康”,不僅限于沒有疼痛、沒有疾病或少病，還包括身體的舒適、心理的安寧，即完全的身心舒適與幸福感。健康安全工作訴求包括多方面。首先，學(xué)校應(yīng)當(dāng)建立安全制度，采取措施保障教師的人身安全。學(xué)校不得在危及教師人身安全、健康的校舍和其他設(shè)施、場所中進行教育教學(xué)活動。其次，額定教師的工作量。教師工作量關(guān)乎教師投入多少時間、完成了哪些教學(xué)及其相關(guān)工作任務(wù)，與教師職業(yè)幸福感、師資科學(xué)配置以及教育教學(xué)質(zhì)量密切相關(guān)。第三，形成和諧的教師工作氛圍，構(gòu)建支持教師工作的人際工作環(huán)境。

溶液煮沸器系統(tǒng)包括溶液煮沸器進口貧液Ql、溶液煮沸器加熱蒸汽Qn、溶液煮沸器出口蒸汽Qm，在此系統(tǒng)中，根據(jù)能量守恒可以求得溶液煮沸器的散熱損失為2352.58kJ/s，溶液煮沸器的能效率為56.76%，溶液煮沸器的效率為40.62%，溶液煮沸器損失為47.7kJ/s。得出溶液煮沸器內(nèi)能量平衡計算分析，如表7所示。

表7 溶液煮沸器系統(tǒng)能量平衡計算

2 捕集裝置的能耗分析及改進途徑

2.1 整套系統(tǒng)的用能薄弱環(huán)節(jié)及分析

從以上的熱平衡計算中可以看出，在保持吸收塔內(nèi)胺液吸收CO2的化學(xué)反應(yīng)達到最佳狀態(tài)（60℃）時，吸收塔會向外界散出1701.81kW的熱量；為保持再生塔內(nèi)胺液解吸CO2的化學(xué)反應(yīng)達到最佳狀態(tài)（100℃），在沒有散熱損失的情況下還需要外界提供至少1564.25kW的熱量；貧富液換熱器有1220.2kW的散熱損失，它的熱效率是55.89%；而再生器冷卻器和貧液冷卻器兩個冷卻器的冷量損失分別為1373.3kW和1667.36kW，冷能效率分別是61.77%和53.59%；溶液煮沸器內(nèi)的能量損失為2352.58kW，能效率為56.76%。從這個角度來看，溶液煮沸器的能量損失最嚴重，熱效率僅有56.76%；其次是再生氣冷卻器的冷量損失比較嚴重，其能效率最低。

可見，再生塔（包括溶液煮沸器在內(nèi)）是整個系統(tǒng)用能過程中最薄弱的環(huán)節(jié)，它的可用能利用效率最低，但同時也是節(jié)能潛力最大的環(huán)節(jié)，因為此環(huán)節(jié)浪費的是高品位的能源—塔頂部100℃的高溫蒸汽潛熱。再生氣冷卻器和貧液冷卻器效率很低，但因為這兩個環(huán)節(jié)浪費的是低品位的能源—32℃的冷卻水。

2.2 降低二氧化碳再生能耗的有效途徑

降低再生能耗的途徑有以下幾種：

(1)使用更好的化學(xué)吸收劑，降低解吸過程熱負荷Qreb。解吸過程熱負荷Qreb的大小直接影響到蒸汽消耗量，若能減少溶液煮沸器熱負荷的大小，則可降低上述系統(tǒng)的蒸汽用量。

(2)降低蒸汽溫度降低再生能耗。為使CO2吸收-解吸過程能達到預(yù)先設(shè)計的水平，這里保證CO2解吸過程熱負荷為18.78×106 kJ/h，若蒸汽的入口溫度從144℃降低到135℃，通過溶液煮沸器內(nèi)能量平衡計算分析可知，蒸汽溫度從144℃降至135℃后，溶液煮沸器內(nèi)的能量損失為2268.86kJ/s；損失為116.28kJ/s；能效率為57.65%；效率為41.32%。從計算可以看出，煮沸器的熱效率和效率稍有提高，但提高幅度很小。因為，蒸汽的焓值和值主要部分是潛熱，顯熱所占份額很小，所以降低蒸汽的溫度對于提高設(shè)備的效率影響很小。

(3)提高進口富液溫度降低再生能耗。若將進入再生器的富液溫度自85℃提升至100℃，則富液自身攜帶進再生塔的能量升高，需要煮沸器提供的能量就相應(yīng)減少。通過計算，此時，捕集系統(tǒng)每產(chǎn)出1kg的CO2，需要在解吸過程消耗掉高品位蒸汽焓值約3.986MJ，值0.927MJ，比之前的焓值4.511MJ約降低了11.64%。系統(tǒng)消耗的高品質(zhì)能量有顯著的下降。

2.3 對今后大規(guī)模工藝系統(tǒng)的完善及改進建議

(1)使用高效貧富液換熱器，利用高溫的貧液提高進再生塔的富液溫度，由上面的計算可以知道當(dāng)富液溫度上升到100℃時，CO2解吸的蒸汽能耗降低11.64%，由原設(shè)計的4.511MJ/kg變?yōu)?.986MJ/kg，同時回收了貧富液換熱器出口貧液的熱量約8.19GJ/h，貧液的出口溫度由65℃降至40℃。

(2)在系統(tǒng)中增加一個換熱器，用出煮沸器的冷凝水來加熱85℃的再生塔入口富液。這樣既可以回收冷凝水的熱量，同時又可以減少高品質(zhì)能的使用量。

(3)將熱泵應(yīng)用于CO2捕集純化系統(tǒng)中，有效利用CO2捕集純化-電廠耦合系統(tǒng)的余熱，降低系統(tǒng)的整體能耗。

目前，從貧富液換熱器出來的貧胺液溫度只能降低到65℃，而吸收塔內(nèi)胺液吸收CO2的溫度為40℃，所以貧胺液出貧富液換熱器后必須通過一個貧液冷卻器將貧胺液的溫度降低到40℃左右才能夠再次重新利用貧胺液，這就導(dǎo)致了CO2的捕集成本較高同時也導(dǎo)致大量的能量浪費。

3 結(jié)論

本文主要對煙氣CO2捕集系統(tǒng)工藝流程各節(jié)點進行能量分析和分析，繪制出系統(tǒng)的能流圖及流圖，并對系統(tǒng)各個單元設(shè)備進行能量分析及分析，判斷出其中的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進的方案。

(2)可以通過提高富液的入口溫度，降低蒸汽使用量以及在系統(tǒng)中引入高溫型熱泵直接將從貧富液換熱器出來的貧液二次加熱富液進而解吸CO2最大程度的減少蒸汽的耗量等方法來降低再生能耗。

(3)引入機械蒸汽壓縮熱泵，直接將再生塔底出來的高溫貧液經(jīng)過閃蒸罐閃蒸出蒸汽之后，通過壓縮機將閃蒸蒸汽增溫升壓之后再返回至再生塔底用于加熱從塔頂流下的富液，從而可降低溶液煮沸器加熱蒸汽耗量，降低系統(tǒng)再生能耗。