基于速率模型的胺法碳捕集系統(tǒng)吸收塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)耦合模型

＊李東航 董文峰 楊凱翔 劉炳成

（青島科技大學(xué) 山東 266061）

1.前言

隨著全球氣候變化問題日益嚴(yán)重，減少碳排放已經(jīng)成為全球共同關(guān)注的重要問題?；痣姀S是能源行業(yè)二氧化碳主要排放源之一。

碳捕集、利用和封存（CCUS）技術(shù)被廣泛認(rèn)為是減少大氣中二氧化碳（CO2）濃度的有效途徑之一，也是目前實現(xiàn)化石能源低碳化利用為數(shù)不多的技術(shù)選擇[1]。煙氣碳捕集技術(shù)有化學(xué)吸收法、物理吸附法、膜分離法等?；瘜W(xué)吸收法因其高效性和針對火電廠煙氣的適用性得到了廣泛研究和關(guān)注，國內(nèi)已有許多投運(yùn)或建設(shè)中的化學(xué)吸收法CCUS示范項目。

化學(xué)吸收法中，吸收塔內(nèi)化學(xué)吸收是一個伴有放熱反應(yīng)的熱質(zhì)耦合復(fù)雜過程，多采用Aspen Plus等流程模型軟件[2-3]或中試實驗的方法對其進(jìn)行傳熱傳質(zhì)研究。Aspen Plus軟件中，不同計算方法的選取，導(dǎo)致同一工況下的傳質(zhì)傳熱結(jié)果相差較大[4]，中試實驗則需要大量人力物力投入。

本文綜合考慮了氣相CO2濃度與吸收劑負(fù)載的變化和汽化潛熱、反應(yīng)熱對流換熱及吸收過程的影響，搭建熱質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型。與ASPEN結(jié)果進(jìn)行比對以確定模型準(zhǔn)確性后，對某電廠采用MEA吸收劑的吸收工藝流程進(jìn)行了分析和工藝優(yōu)化。

2.模型建立

(1)傳熱傳質(zhì)微元模型建立

將吸收塔內(nèi)填料作一維處理，分成數(shù)個微元段，微元段模型如圖1所示。為使計算結(jié)果更接近實際運(yùn)行情況，傳質(zhì)計算中采用速率模型而非理想平衡模型。對模型做出如下簡化與假設(shè)：①過程為絕熱過程，不與外界環(huán)境換熱。②填料塔內(nèi)溶液、煙氣之間的傳熱傳質(zhì)是穩(wěn)態(tài)的，忽略軸向混合。③傳質(zhì)與傳熱的相界面積相同。④傳熱過程中，液膜阻力忽略不計。⑤微元中氣液的物性始終與微元一側(cè)（上側(cè)或下側(cè)）的流股物性一致。⑥微元中氣相惰性氣體全部為氮?dú)狻＂吆雎园窊]發(fā)，吸收液體積流量不變。⑧忽略氣相壓力損失。

圖1 吸收塔微元模型圖

圖1中，G為煙氣的摩爾流量，kmol/h；GB為煙氣中惰性氣體（N2）的摩爾流量，kmol/h；Ga為煙氣中CO2的摩爾流量，kmol/h；GW為煙氣中水蒸氣的摩爾流量，kmol/h；L為吸收液的摩爾流量，kmol/h；XA為吸收液負(fù)載，molCO2/molAmine；tG為氣相溫度（微元下側(cè)），℃；tL為液相溫度（微元下側(cè)），℃。

(2)模型平衡方程

①質(zhì)量平衡方程。微元中傳質(zhì)包括CO2的吸收和水的蒸發(fā)或水蒸氣的冷凝兩部分。氣相中CO2和H2O的變化量與液相中變化量相同，微元?dú)庖合噙M(jìn)口的總摩爾流量與出口氣液相總摩爾流量相等。

結(jié)合已有的傳質(zhì)模型，微元質(zhì)量平衡方程為：

式中，aw為填料的有效比表面積，m2/m2；A為吸收塔截面積，m2；dz為微元高度，m；P為吸收塔內(nèi)絕對壓力，kPa；am為傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·h·kPa)；ya為煙氣中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)；ca*為吸收液CO2飽和狀態(tài)下對應(yīng)的摩爾分?jǐn)?shù)，與吸收液負(fù)載、溫度相關(guān)；am為水傳質(zhì)系數(shù)，m/s；pB為氣液界面溫度對應(yīng)的水蒸氣飽和分壓，kPa；pv為氣相水蒸氣分壓，kPa。

②熱量平衡方程。微元中的氣液兩相之間的熱量傳遞包括對流換熱和氣化潛熱兩部分，其中氣化潛熱只對液相溫度產(chǎn)生影響。液相吸收CO2后會在液膜內(nèi)部產(chǎn)生反應(yīng)熱，由于氣液直接接觸時液相一側(cè)的給熱系數(shù)遠(yuǎn)大于氣相，為簡化計算假設(shè)此部分熱量全部作用液相[5]。

結(jié)合以上分析與傳熱模型，能量平衡方程為：

式中，CpG為氣相的比熱容，kJ/(kmol·℃)；CpL為液相的比熱容，kJ/(kmol·℃)；U為傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)；Hw為水蒸氣的潛熱，kJ/mol；Hamine為反應(yīng)焓，kJ/mol(CO2)。

(3)模型計算方法

填料塔各個微元按照從下到上的計算方式進(jìn)行計算，塔底第一個微元為計算開始微元。工程實際中，塔底煙氣進(jìn)口參數(shù)與塔頂吸收液進(jìn)口參數(shù)為已知參數(shù)，為完成計算，首先假設(shè)塔底液相參數(shù)，將所得計算結(jié)果中的塔頂吸收液參數(shù)與已知數(shù)值比對，調(diào)整假設(shè)值，最終得出計算結(jié)果。

3.模型準(zhǔn)確性驗證

為驗證模型的準(zhǔn)確性，現(xiàn)對如下工況分別用模型與ASPEN模擬軟件進(jìn)行計算，并比對計算結(jié)果。

工況條件如表1 所示。A S P E N 模擬中吸收塔（ABSORBER）單元由于涉及傳質(zhì)傳熱過程，采用嚴(yán)格的多級氣-液精餾操作單元RadFrac模塊。計算模型采用速率模式，選用20塊塔板進(jìn)行計算，選用MELLAPAK250Y填料，相界面積、傳質(zhì)傳熱系數(shù)停留時間關(guān)聯(lián)式分別選用Hanley-St10、Hanley-St10、ChiltonandColbum、Brf-92方法，流動模型設(shè)置為混合流動模型（Mixedflowmode）。

ASPEN模擬結(jié)果的捕集率為90.02%，模型計算的捕集率為93.87%。模型計算結(jié)果中氣液兩相溫度隨填料變化趨勢、吸收劑負(fù)載變化對填料高度變化趨勢與ASPEN模擬結(jié)果中，各取值點(diǎn)位誤差不超過5%。此部分誤差是由于模型假設(shè)塔內(nèi)壓力恒定忽略壓降導(dǎo)致的。

4.工藝優(yōu)化結(jié)果與討論

某電廠CCUS示范項目中，煙氣進(jìn)吸收塔設(shè)計流量為100000Nm3/h，其中煙氣CO2體積分?jǐn)?shù)約為12%，經(jīng)堿洗塔降溫除塵后，進(jìn)入吸收塔溫度為40℃左右。吸收塔吸收段填料高度為20m，采用MEA吸收劑，吸收劑貧液入口溫度為40℃，脫除率不低于90%。

（1）氣液比優(yōu)化。氣液比是影響捕集系統(tǒng)的重要運(yùn)行參數(shù)。不同液氣比下，氣液兩相溫度隨填料高度變化曲線如圖2所示。氣液比降低，氣液相溫度增大，這是因為傳熱量相對不變，而液相質(zhì)量流量更低，導(dǎo)致液相溫度增高。不同液氣比下，溫度峰值所處位置相差不大。

圖2 不同液氣比下氣液兩相溫度隨填料高度變化曲線

不同液氣比下，氣相CO2濃度隨塔高變化曲線與捕集率如圖3所示。吸收塔捕集率隨氣液比增大而升高，但增幅明顯變緩，氣液比由243.9Nm3/m3增大至285Nm3/m3時，捕集率由85.51%升高至90.80%，由285Nm3/m3增大至344.82Nm3/m3時，捕集率僅由90.80%升高至92.40%。

圖3 不同氣液比下吸收性能結(jié)果

增大氣液比會增加填料有效比表面積和液相傳質(zhì)系數(shù)，但由圖3a可知，氣液比過大會導(dǎo)致氣相CO2濃度過快降低，兩相間CO2傳質(zhì)驅(qū)動力下降過快，阻礙CO2的吸收，進(jìn)而導(dǎo)致捕集率隨氣液比增大的趨勢減緩。

系統(tǒng)CO2捕集量一定時，氣液比增大會使貧富液間循環(huán)負(fù)載降低，再生能耗中的顯熱會隨循環(huán)負(fù)載的降低而增大[6]，工程實際中，氣液比的優(yōu)化應(yīng)綜合考慮捕集率與再生能耗進(jìn)行，最佳氣液比為285Nm3/m3。

（2）填料高度優(yōu)化不同填料高度下，吸收塔吸收性能如圖4所示。填料高度由10m增加到20m，捕集率由73.31%升高至90.81%，而填料高度由20m增大至25m，捕集率僅由90.81%增大至93.96%。填料高度增大，氣液傳質(zhì)面積隨之增大，CO2吸收量增大從而導(dǎo)致捕集率升高。而進(jìn)一步增大填料高度，由圖4a可知，填料高度為25m時，氣相CO2在填料中段迅速降低，CO2吸收速率隨之降低，導(dǎo)致捕集率增速降低。

圖4 不同填料高度下吸收塔吸收性能

5.總結(jié)

本文基于速率模型建立了吸收塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)耦合計算模型。相同工況條件下，將模型計算結(jié)果與Aspen Plus工藝模擬軟件計算結(jié)果進(jìn)行比對，誤差控制在5%以內(nèi)?；诖四Ｐ蛯δ畴姀S化學(xué)吸收法CCUS示范項目中，吸收塔內(nèi)吸收工藝進(jìn)行了分析優(yōu)化，結(jié)果如下：氣液比降低，氣液溫度增大，但氣液兩相溫度峰值出現(xiàn)的位置大致相同，在距離填料頂端相對高度75%處；優(yōu)化結(jié)果顯示最佳氣液比為285Nm3/m3，最佳填料高度為20m；實際工程應(yīng)用中，不應(yīng)一味提高氣液比和填料高度增大吸收塔吸收性能，應(yīng)綜合考慮再生能耗、捕集率、經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行優(yōu)化。