氨法脫除電廠煙氣CO2系統(tǒng)能耗分析及參數(shù)優(yōu)化

段立強(qiáng)，楊 陽，張素華，楊勇平

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

隨著化石能源的利用，CO2大量排放，導(dǎo)致全球氣候異常[1]。燃煤電廠的CO2排放量占我國總CO2排放量的三分之一，控制燃煤電廠的CO2排放量能有效地緩解越來越嚴(yán)重的溫室效應(yīng)?；痣姀S尾部脫碳技術(shù)有很多種:化學(xué)吸收法、物理吸收法、膜分離法、變溫 (變壓)吸附法等[2～3]。其中化學(xué)吸收法的歷史悠久，技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，并不斷的推陳出新，氣體回收率和純度可達(dá)99%以上，是一種最具有工程可行性的CO2減排法[2]。目前世界上所有商業(yè)化應(yīng)用的方法大都是以單乙醇胺 (MEA)溶劑為基礎(chǔ)的化學(xué)吸收法，但是 MEA法也有許多不足之處[4]:如吸收能力差，再生能耗大，易降解等不足，有必要開發(fā)一種新的、更加理想的吸收劑。

近年來，氨水溶液被認(rèn)為是非常具有發(fā)展?jié)摿Φ腃O2化學(xué)吸收劑。與傳統(tǒng)的 MEA法相比，濕氨法具有吸收能力強(qiáng)、不易被煙氣中的O2降解、腐蝕性小、再生能耗低、吸收劑成本低廉、可脫除多種酸性氣體污染物等優(yōu)勢[5～7]。

對于氨法脫碳系統(tǒng)，絕大部分的研究集中在NH3溶液吸收 CO2的化學(xué)機(jī)理、系統(tǒng)內(nèi)的熱整合、采用不同吸收劑時(shí)吸收效果和成本的比較。NETL[8]模擬比較了對 MEA、液氨脫除 CO2和氨水聯(lián)合脫除 CO2、SOx、NOx、Hg的研究，確定三種情況下對電廠效率的影響，表明氨法對CO2的脫除確實(shí)優(yōu)于 MEA;Corti[9]對 IGCC進(jìn)行模擬，主要包括吸收、再生過程，通過改變氨水濃度，吸收塔溫度、壓力，再生塔溫度、壓力，煙氣溫度考察其對CO2脫除效率的影響，利用敏感性分析確定相關(guān)參數(shù)。

本文研究的目的在于通過實(shí)際的電廠數(shù)據(jù)，利用Aspen plus軟件模擬研究系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)對再生能耗的影響，揭示其能耗特性規(guī)律，在保證盡量小的氨逃逸度和電廠實(shí)際情況的前提下提出一種接近最優(yōu)的運(yùn)行參數(shù)組合。由于在大規(guī)模實(shí)際利用化學(xué)吸收法脫碳的過程中，最大的問題在于高昂的運(yùn)行費(fèi)用以及極大的效率損失，而且氨法脫碳還需要注意氨逃逸，減少氨損失，所以本文對運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化是以氨損失盡可能少的情況下使再生能耗達(dá)到最低為目標(biāo)。

1 氨法脫碳系統(tǒng)建立及條件

1.1 系統(tǒng)流程及描述

氨法脫碳系統(tǒng)模型的系統(tǒng)流程如圖1所示。來自電廠的煙氣在經(jīng)過嚴(yán)格的脫硫脫硝并加壓后從塔底進(jìn)入吸收塔 (ABSORBER)，與來自塔頂?shù)奈談┙佑|并發(fā)生反應(yīng)，除去煙氣中的 CO2。凈化之后的煙氣從塔頂排出，吸收CO2之后的富液 (RICH-SOL)通過換熱器 (HEATX2)與來自再生塔底的貧液 (LEAN-AM)換熱，而后進(jìn)入再生塔。在再生塔內(nèi)通過提高溫度使得氨與CO2反應(yīng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定中間產(chǎn)物逆向反應(yīng)，釋放出CO2。還原之后的氨從塔底流出，經(jīng)換熱器與富液換熱之后再經(jīng)冷卻水進(jìn)一步冷卻后，與補(bǔ)充的氨水一起進(jìn)入吸收塔開始下一輪煙氣洗滌。

圖1 氨法脫碳系統(tǒng)模擬流程圖Fig.1 Simulation flow diagram of ammonia-based CO2removing system

模擬煙氣數(shù)據(jù)見表1，本文中的煙氣數(shù)據(jù)來自國內(nèi)典型600 MW機(jī)組的平均數(shù)據(jù)，煙氣質(zhì)量流量為2 000 t/h。在實(shí)際模擬中，為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，煙氣成分只考慮了 N2、O2、H2O、CO2四種成分。

1.2 模型的選擇及設(shè)計(jì)規(guī)定說明

CO2–NH3–H2O體系中發(fā)生的相平衡和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜。體系中NH3和CO2之間主要發(fā)生的水相反應(yīng)見表2。

表1 煙氣數(shù)據(jù)Tab.1 Data of flue gas

表2 NH3吸收CO2主要反應(yīng)過程Tab.2 The main reactions between NH3and CO2

物性方法選擇ELECNRTL，吸收塔和再生塔均選擇RADFRAC模塊。為了控制吸收塔對煙氣的吸收率以及再生塔的解析率，分別在吸收塔和再生塔中做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)定:吸收塔中設(shè)定以吸收塔頂出口凈煙氣中CO2含量占進(jìn)入吸收塔的煙氣中CO2的百分比為目標(biāo)值，調(diào)節(jié)吸收塔進(jìn)口貧液流量。再生塔中，設(shè)定再生塔內(nèi)CO2解析率為目標(biāo)值，調(diào)節(jié)變量為再生熱負(fù)荷。

2 模擬結(jié)果與分析

對于氨吸收CO2系統(tǒng)，影響其吸收效果及再生能耗的主要參數(shù)為:CO2回收率;吸收劑的氨質(zhì)量濃度;吸收劑流量;吸收劑溫度;吸收塔操作壓力;吸收塔和再生塔級數(shù) (N);再生塔操作壓力 (P);貧液負(fù)荷 α(定義為貧液中所含CO2成分的總摩爾量與貧液中所含NH3成分的總摩爾量的比);再生塔入口富液溫度。其中吸收劑流量實(shí)際上由貧液負(fù)荷、吸收塔級數(shù)、吸收塔操作壓力、吸收劑溫度、氨的質(zhì)量濃度等決定的。

2.1 CO2回收率

一般而言，隨著CO2回收率的增加，再生能耗呈上升趨勢。因?yàn)樵谙嗤呢氁贺?fù)載下，提高CO2回收率是通過提高貧液流量來達(dá)到的。在本文分析中，選取75%～99%為系統(tǒng)的回收率，研究了貧液負(fù)荷α為0.1 molCO2/molNH3和0.2 molCO2/molNH3時(shí)，CO2回收率與吸收的關(guān)系以及與系統(tǒng)再生能耗關(guān)系。由圖2與圖3可以看出，當(dāng)回收率由75%逐漸增加到99%，系統(tǒng)再生能耗及吸收劑流量呈上升趨勢，在后續(xù)分析中，本文選擇了90%的CO2回收率。

圖2 不同貧液負(fù)荷下CO2回收率與再生能耗的關(guān)系Fig.2 The relationship between CO2recovery rate and regeneration energy consumption under different lean solvent loads

2.2 吸收劑氨的質(zhì)量濃度

反應(yīng)物濃度增加將促進(jìn)反應(yīng)正向移動(dòng)，高的氨水濃度可以減小吸收劑流量，但卻增加了NH3/CO2在再生塔中的分離難度，同樣增大了氨的損失。本文主要考慮了1%～16%質(zhì)量濃度的氨水溶液。

圖3 不同貧液負(fù)荷下CO2回收率對吸收劑流量的影響Fig.3 The effect of CO2recovery rate on the mass flow of absorbent under different lean solvent loads

圖4顯示了改變氨水濃度后，吸收劑流量，氨損失，水損失的變化規(guī)律。如圖所示，隨著氨水濃度的增加，氨損失急劇增加，水損失在氨水濃度處于0.01～0.09的范圍內(nèi)增加，在0.09以后為降低的趨勢。但是為了減少隨著煙氣離開的氨和水的數(shù)量，必須采用較低的氨水濃度，因?yàn)榇罅康陌睋p失和回收不利于整個(gè)吸收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性?？紤]到水的損失沒有氨的損失那么嚴(yán)重，所以氨濃度選為5%。

圖4 氨的質(zhì)量濃度對吸收劑流量、氨和水損失的影響Fig.4 The effect of ammonia mass concentration on the mass flow of absorbent，ammonia loss and water loss

2.3 吸收劑溫度

溫度是影響化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)重要因素，氨和CO2的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度的降低有利于促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，因此也可以減少吸收劑流量和氨的損失。本文中考慮了0～40℃的溫差范圍。結(jié)果顯示在圖5，吸收劑溫度越低，吸收劑流率，氨損失和水損失就越低。不過要將吸收劑冷凝到0～10℃，需要的代價(jià)是非常高的。本研究考慮電廠冷卻水資源，因而選用40℃作為后續(xù)研究基礎(chǔ)。

圖5 吸收劑溫度對吸收劑流量、氨和水損失的影響Fig.5 The effect of absorbent temperature on the mass flow of absorbent，ammonia loss and water loss

2.4 吸收塔操作壓力

有研究者對半閉式燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)(SCGT/CC)煙氣加壓氨法脫碳系統(tǒng)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，隨著吸收塔操作壓力增加，出口氨損失、水損失、吸收劑質(zhì)量流率下降，對系統(tǒng)熱負(fù)荷等有直接影響。但隨著壓力的進(jìn)一步增加，下降趨勢放緩。本文考察了1～4 bar壓力情況下的吸收效果，結(jié)果見圖6。壓力越高，吸收劑流率，氨損失和水損失越低，但是壓力的提高需要極大的代價(jià)，因?yàn)橥瑫r(shí)也大大的增加了壓縮煙氣的能耗 (如圖7所示)，因此本研究吸收塔還是采用1.2 bar的壓力。

圖6 吸收塔操作壓力對吸收劑流量、氨和水損失的影響Fig.6 The effect of absorber operating pressure on the mass flow of absorbent，ammonia loss and water loss

2.5 操作塔級數(shù)

圖7 吸收塔操作壓力對煙氣壓縮機(jī)能耗的影響Fig.7 The effect of absorber operating pressure on the energy consumption of flue gas compressor

理論上吸收劑最小質(zhì)量流量以及最小再生能耗在操作塔級數(shù)處于無窮大時(shí)獲得，但是實(shí)際中由于增加操作塔級數(shù)會(huì)提高操作塔的高度，增加設(shè)備成本和運(yùn)行費(fèi)用，所以操作塔級數(shù)的選擇需在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。操作塔級數(shù)與吸收劑流量及再生能耗的關(guān)系如圖8，隨著操作塔級數(shù)的增加，吸收劑流量和再生能耗都呈先減小后平緩趨近恒定值。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，當(dāng)兩相鄰的操作塔級數(shù)所對應(yīng)的吸收劑流量的相對差值小于0.5%時(shí)，此時(shí)的操作塔級數(shù)N就可定義為最小操作塔級數(shù)Nmin，本文中吸收塔Nmin=7，再生塔Nmin=6?？紤]到實(shí)際過程中的阻力損失因素，本文的吸收塔和再生塔級數(shù)都選為8。

圖8 操作塔級數(shù)與吸收劑流量及再生能耗的關(guān)系Fig.8 The effects of the column trays on the absorbent mass flow and regeneration energy consumption

2.6 貧液負(fù)荷

在固定的CO2回收率情況下，貧液負(fù)荷α的變化會(huì)引起吸收劑流量的極大變化，進(jìn)而對再生能耗產(chǎn)生影響。吸收劑中存在CO2，使得NH3可以更有效地溶解在吸收劑中，減少了吸收過程的損失。在本文研究中，選擇α為0～0.4，模擬結(jié)果見圖9。從0到0.4，吸收劑流量變?yōu)樵瓉淼?.09倍，而氨和水的損失也分別下降到了原來的24%和37%左右。

圖9 貧液負(fù)荷對吸收劑流量、氨和水損失影響Fig.9 The effect of lean solvent load on the mass flow of absorbent，ammonia loss and water loss

由于貧液負(fù)荷反映了再生塔內(nèi)的CO2的解析程度，當(dāng)α較小時(shí)，吸收系統(tǒng)的再生能耗的大小由解析反應(yīng)的反應(yīng)熱決定，α越小，解析反應(yīng)越難進(jìn)行，導(dǎo)致了反應(yīng)

熱的顯著增高。當(dāng)α較大時(shí)，反應(yīng)過程中用于加熱吸收劑的熱量即溶液顯熱開始在再生能耗中占主導(dǎo)地位時(shí)，隨著α的增大，吸收劑流量增大，溶液顯熱增大，所以這時(shí)再生能耗呈上升趨勢。如圖10，隨著貧液負(fù)荷的增大，再生能耗先減小后增大。當(dāng) α在0.3～0.33 molCO2/mol NH3之間時(shí)再生能耗最小，當(dāng)再生塔操作壓力為20 bar時(shí)，其值在2.09 MJ/kgCO2左右。

圖10 不同再生塔操作壓力下貧液負(fù)荷與再生能耗的關(guān)系Fig.10 The relationship between lean solvent load and regeneration energy consumption under different stripper operating pressures

2.7 再生塔操作壓力

再生塔操作壓力對系統(tǒng)再生能耗的影響來說是一個(gè)很重要的因素。如圖11所示。隨著操作壓力的升高再生能耗先降低后升高，本文研究再生塔操作壓力處于5～25 bar的范圍。再生塔操作壓力升高，從再生塔出來的氣體中氨的含量減少，而且這部分氨損失相對于吸收塔的氨損失較小，因此本文的氨損失主要考慮的是吸收塔部分的氨損失。

再生塔操作壓力會(huì)影響塔內(nèi)的汽液傳質(zhì)速率，提高塔內(nèi)壓力有利于反應(yīng)的進(jìn)行，降低解析反應(yīng)的反應(yīng)熱，使再生能耗降低。但是由于提高操作塔壓力會(huì)提高再生塔塔底出口溫度，當(dāng)用于加熱富液的熱量處于主導(dǎo)地位的時(shí)候，再生能耗升高。根據(jù)圖11本文選擇的再生塔操作壓力為20 bar。

2.8 再生塔入口富液溫度

圖11 不同貧液負(fù)荷下再生塔操作壓力與再生能耗的關(guān)系Fig.11 The relationship between the stripper operating pressure and regeneration energy consumption under different lean solvent loads

圖12 不同貧液負(fù)荷下再生塔入口富液溫度與再生負(fù)荷的關(guān)系Fig.12 The relationship between the rich solvent inlet temperature of stripper and regeneration energy consumption under different lean solvent loads

再生熱耗主要由兩部分組成:用于解析反應(yīng)的反應(yīng)熱和用于加熱富液的熱量，前者主要和溶液表面的CO2氣相分壓有關(guān)也即反應(yīng)程度有關(guān)，后者與富液的流量有關(guān)。圖12顯示了不同貧液負(fù)荷下富液溫度與再生負(fù)荷的關(guān)系，隨著入口溫度的升高，再生能耗顯著下降。最主要的原因就是提高入口富液溫度有效地降低了再生塔內(nèi)用于加熱富液的熱量，從而使得此時(shí)的再生能耗主要體現(xiàn)在反應(yīng)熱上。并且從圖12中曲線的斜率可以看出，在相同操作壓力的條件下，貧液負(fù)荷越小，再生能耗的大小對再生塔入口富液溫度的依賴度就越低。

3 優(yōu)化參數(shù)的選擇

在文章第1部分已提到:對于最優(yōu)參數(shù)的選擇，是在考慮電廠實(shí)際情況并使氨損失盡可能小的情況下達(dá)到再生能耗最低。在此意義上，依據(jù)第2部分的數(shù)據(jù)及分析可得:

(1)氨水濃度越高越有利于吸收反應(yīng)的進(jìn)行，但是同時(shí)氨損失也大大增加，不利于整個(gè)吸收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮本文選擇氨的質(zhì)量濃度為5%。

(2)吸收液溫度越低越有利于吸收反應(yīng)的進(jìn)行，使氨逃逸量減少，但是考慮到實(shí)際電廠的冷卻水資源，本文選取吸收液溫度為40℃。

(3)當(dāng)吸收塔和再生塔的操作塔級數(shù)超過8時(shí)，其對系統(tǒng)的再生能耗的影響可以忽略。

(4)提高吸收塔操作壓力有利于吸收反應(yīng)的進(jìn)行，使氨損失減少，但是與此同時(shí)壓縮煙氣的功耗大大增加，綜合考慮本文吸收塔操作壓力選取1.2 bar;隨著再生塔操作壓力的提高，再生能耗先降低后升高，本文選取再生塔操作壓力為20 bar。

(5)隨著貧液負(fù)荷的增加，流量增加，氨損失減小，再生能耗先減小后增加。在0.3＜α＜0.33時(shí)，再生能耗可取的最小。

(6)再生塔入口富液溫度的提高對降低再生能耗有很大的作用，尤其是當(dāng)貧液負(fù)荷較高時(shí)，作用更為明顯。

在本文研究范圍內(nèi)，最優(yōu)參數(shù)組合為:回收率為90%;氨水濃度為5%;吸收液溫度為40℃;吸收塔操作壓力1.2 bar;貧液負(fù)荷為0.32 molCO2/molNH3;再生塔操作壓力20 bar;再生塔入口富液溫度144.58℃。該條件下對應(yīng)的再生能耗為2.09 MJ/kgCO2。據(jù)文獻(xiàn)[11]，CO2回收率86.5%及氨濃度為5%時(shí)，其再生能耗為2.94 MJ/kgCO2。在相同回收率下本文模擬結(jié)果2.08 MJ/kgCO2，相比下降了29.3%，另外考慮到文獻(xiàn)[11]中由于其吸收溫度在10℃還需消耗額外的電耗用于冷卻煙氣，節(jié)能潛力更為明顯。在本文的氨法脫碳系統(tǒng)的基礎(chǔ)上與電廠進(jìn)行整合，系統(tǒng)效率下降約5～7個(gè)百分點(diǎn)，而采用MEA吸收電廠尾部煙氣CO2的再生能耗通常在3～4 MJ/kgCO2，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降約10個(gè)百分點(diǎn)，可見與MEA相比，采用氨水吸收電廠尾部煙氣CO2具有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文基于Aspen Plus軟件對于氨法脫碳系統(tǒng)進(jìn)行了能耗分析及參數(shù)優(yōu)化的研究。揭示了氨法脫除CO2系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對再生能耗影響規(guī)律并對主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。在考慮電廠實(shí)際運(yùn)行情況及盡量減少氨逃逸的條件下通過優(yōu)化找出了一個(gè)最優(yōu)的參數(shù)組合，與文獻(xiàn)[11]相比較有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。與MEA相比在回收CO2能耗上也有明顯優(yōu)勢，另外氨水還具有成本低的優(yōu)勢，因此氨水是火電廠尾部煙氣脫除CO2非常有發(fā)展?jié)摿Φ娜軇?/p>

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