深冷空分系統(tǒng)的過程模擬、優(yōu)化及分析

熊 杰 趙海波 鄭楚光

(華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074)

熊 杰 趙海波 鄭楚光

(華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074)

針對(duì)氧燃燒技術(shù)對(duì)氧氣的特殊需求，利用ASPEN PLUS軟件對(duì)一概念深冷空分系統(tǒng)進(jìn)行了過程模擬，并對(duì)系統(tǒng)中的重要部件—蒸餾塔進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。優(yōu)化變量選取蒸餾塔中的3個(gè)重要參數(shù):總級(jí)數(shù)、入流級(jí)數(shù)以及回流率。在得到空氣分離過程所需的最小總級(jí)數(shù)、最小回流率的基礎(chǔ)上利用一定的經(jīng)驗(yàn)代數(shù)關(guān)系得到了總級(jí)數(shù)和入流級(jí)數(shù)的最優(yōu)值，并依此得到了此時(shí)的最佳入流級(jí)數(shù)。基于優(yōu)化工況的結(jié)果，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

深冷空分 ASPEN PLUS分析 設(shè)計(jì)優(yōu)化 氧燃燒

1 引言

在中國(guó)，60%的能源需求由燃煤提供，因此燃煤電廠是CO2最主要的排放源。在眾多CO2減排方法中，氧燃燒由于與現(xiàn)有燃煤鍋爐技術(shù)承接性最好、工業(yè)接受度高、污染物近零排放等而受到特別關(guān)注，有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行。

氧燃燒技術(shù)是用高濃度的O2代替空氣進(jìn)行燃燒，并將70%左右產(chǎn)生的煙氣循環(huán)，一來可以補(bǔ)充缺少的N2空間，二來可以控制爐膛溫度［1-2］。為了得到持續(xù)高濃度的O2，氧燃燒系統(tǒng)中必須配備空氣分離裝置［3］。氧燃燒系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 氧燃燒系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Oxy-combustion system

空氣分離的方法通常有3種:低溫分離(深冷)，變壓吸附和膜分離。對(duì)于氧燃燒系統(tǒng)，需要大量的高純度O2(95%以上，對(duì)于2×300 MW燃煤機(jī)組需要300 000 Nm3/h以上)，采用深冷法是目前唯一選擇［4-5］。在深冷空分系統(tǒng)中，如對(duì)O2、N2的濃度有很高要求(99.5%以上)，蒸餾過程通常需在3個(gè)塔中完成:高壓塔、低壓塔以及Ar提純塔。但是，在氧燃燒過程中，因?yàn)閷?duì)O2的濃度要求并沒有那么嚴(yán)格(95%即可)，對(duì)于N2更是幾乎沒有要求［6-7］。因此，針對(duì)氧燃燒的特殊需求，本文在保證氧氣濃度的前提下對(duì)空分系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，系統(tǒng)中只包含一個(gè)蒸餾塔(包含冷凝器和再熱器)，這樣將大大降低空分系統(tǒng)的成本投入，也將相應(yīng)降低氧燃燒系統(tǒng)的成本屏障，提高氧燃燒系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

本文使用商業(yè)過程模擬軟件ASPEN PLUS對(duì)此深冷空分系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和優(yōu)化。ASPEN(Advanced System for Process Engineering)是 1976—1981年由MIT主持，能源部資助，55個(gè)高校和公司參與開發(fā)而完成的一套大型軟件。ASPEN PLUS是其眾多產(chǎn)品中的一個(gè)，主要功能是對(duì)化工，能源等系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。ASPEN PLUS中的模擬過程基于模塊化，通常采用序列求解的辦法，模塊之間采用物流，熱流或者能流進(jìn)行連接。ASPEN PLUS中包含大量的組分，豐富的物性數(shù)據(jù)庫和物性方法，涉及物理特性，化學(xué)特性以及熱力學(xué)特性，在工程應(yīng)用中有著廣泛的適用范圍和強(qiáng)大的處理能力。

2 深冷空分系統(tǒng)模擬

深冷空分系統(tǒng)在ASPEN PLUS中的模擬流程圖如圖2所示。系統(tǒng)流程包含4個(gè)主要部件:多級(jí)壓縮機(jī)，換熱器，蒸餾塔和節(jié)流閥。圖中實(shí)線表示物流，虛線表示能量流。系統(tǒng)模擬選取的物性方法為PENG-ROB，它被推薦用于氣體加工煉油及化工應(yīng)用，對(duì)所有溫度和壓力都可能獲得合理的計(jì)算結(jié)果，并且在臨界區(qū)域內(nèi)也能一致。入流空氣的物理參數(shù)以及組成如表1所示。

圖2 深冷空分系統(tǒng)模擬流程圖Fig.2 Simulation flowsheet of cryogenic air separation system

表1 入流空氣的物理參數(shù)及組成Table 1 Thermodynamic parameters and chemicalcomposition of inlet air flow

多級(jí)壓縮級(jí)共包含4級(jí)，每一級(jí)由一個(gè)單級(jí)壓縮機(jī)和一個(gè)中間換熱器組成，每級(jí)中的換熱器均使用冷卻水將空氣冷卻到20℃，最終級(jí)的出口壓力設(shè)定為6.3×105Pa，每一級(jí)壓縮機(jī)的等熵效率為0.8，機(jī)械效率為0.97。

蒸餾塔中生成的氮?dú)夂脱鯕庠趽Q熱器中將來流壓縮空氣冷卻到飽和狀態(tài)，以用來分離。3股物流的壓力損失均設(shè)定為0.1×105Pa。蒸餾塔包含一個(gè)冷凝器(上端)和一個(gè)再熱器(下端)。根據(jù)氧氣、氮?dú)獾姆悬c(diǎn)(分別為-183℃和-196℃)可以推斷，蒸餾塔上端產(chǎn)品為氮?dú)猓露水a(chǎn)品為氧氣。上端和下端產(chǎn)品的出口壓力分別設(shè)定為1.5×105Pa和5.8×105Pa。在蒸餾塔的模擬計(jì)算中，設(shè)置的初始值為:總級(jí)數(shù)為30;入流級(jí)數(shù)是總級(jí)數(shù)的一半，即15;下端出口質(zhì)量流率與總?cè)肓髻|(zhì)量流率之比(B/F)設(shè)定為0.215。為了使下端出口氧氣的摩爾濃度達(dá)到95%，在蒸餾塔的模擬過程中使用ASPEN PLUS中的設(shè)計(jì)規(guī)定功能，調(diào)控回流率的數(shù)值，設(shè)置的范圍為(0.1—100)。同時(shí)，通過使用另一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)定用以調(diào)控蒸餾塔入流的熱力狀態(tài)(濕度)，以使得蒸餾塔中冷凝器中吸收的冷量和再熱器中吸收的熱量平衡。模擬結(jié)果如表2所示。

表2 深冷空分系統(tǒng)模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of cryogenic air separation system

3 蒸餾塔優(yōu)化

為了使蒸餾塔的分離、經(jīng)濟(jì)性能接近最優(yōu)，選取了3個(gè)參數(shù)加以優(yōu)化:總級(jí)數(shù)，入流級(jí)數(shù)以及回流率［8-9］。確定此3者優(yōu)化值的方法［8］以及優(yōu)化的過程、結(jié)果如下。

3.1 優(yōu)化總級(jí)數(shù)

蒸餾塔的總級(jí)數(shù)，不僅直接影響分離產(chǎn)品的濃度，更是直接影響了蒸餾塔的高度，與蒸餾塔的成本直接相關(guān)。因此，確定蒸餾塔的總級(jí)數(shù)十分重要。采取的方法是先確定滿足分離要求所需要的最小級(jí)數(shù)，而最優(yōu)級(jí)數(shù)=最小級(jí)數(shù)×2+2［8］。最小級(jí)數(shù)的確定方法是不斷降低總級(jí)數(shù)，為滿足分離需求，回流率將慢慢趨向于無窮大(本文中的界定為大于100)，此時(shí)的蒸餾塔級(jí)數(shù)即為最小級(jí)數(shù)。降低總級(jí)數(shù)時(shí)，確保入流級(jí)數(shù)與總級(jí)數(shù)的比例(NF/N)不變，因?yàn)樽罴袾F/N的數(shù)值是不隨總級(jí)數(shù)的增減而變化的。優(yōu)化總級(jí)數(shù)得到的結(jié)果如表3所示，表中數(shù)值第一列對(duì)應(yīng)著模擬的初始結(jié)果，加粗的數(shù)值對(duì)應(yīng)著最小總級(jí)數(shù)(13)，因此最優(yōu)總級(jí)數(shù)為28。

表3 總級(jí)數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 3 Simulation results for different total stages numbers

3.2 優(yōu)化回流率

蒸餾塔回流率的物理意義是塔中回流的液相與冷凝出口產(chǎn)品的摩爾量之比。回流率對(duì)于產(chǎn)品濃度、能量消耗以及蒸餾塔直徑有著很大的影響。確定最優(yōu)回流率的方法是先確定分離所需要的最小回流率，而最優(yōu)回流率=最小回流率×1.2［8］。最小回流率的確定方法是不斷增加總級(jí)數(shù)，直到所需的回流率不再降低，此時(shí)的回流率即為最小回流率。增加總級(jí)數(shù)時(shí)，同樣確保入流級(jí)數(shù)與總級(jí)數(shù)的比例不變。優(yōu)化回流率得到的結(jié)果如表4所示，表中數(shù)值第一列對(duì)應(yīng)著模擬的初始結(jié)果，加粗的數(shù)值即為最小回流率(0.87)，因此最優(yōu)回流率為1.044。

表4 回流率優(yōu)化結(jié)果Table 4 Simulation results for different reflex ratios

3.3 優(yōu)化入流級(jí)數(shù)

蒸餾塔入流級(jí)數(shù)對(duì)冷凝器、再熱器中須提供的冷量、熱量有著直接的影響，同時(shí)也對(duì)滿足蒸餾條件的回流率有著很大的影響，最優(yōu)入流級(jí)數(shù)認(rèn)為是使得熱(冷)耗最小時(shí)的級(jí)數(shù)［8］。將冷凝器中消耗的冷量作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來優(yōu)化入流級(jí)數(shù)。需要指出的是，總級(jí)數(shù)和回流率的最優(yōu)值是不能同時(shí)使用(滿足)的，任選一個(gè)來完成入流級(jí)數(shù)的優(yōu)化。選取優(yōu)化總級(jí)數(shù)28，設(shè)計(jì)規(guī)定中調(diào)節(jié)回流率以滿足蒸餾要求。優(yōu)化入流級(jí)數(shù)得到的結(jié)果如圖3所示，最優(yōu)入流級(jí)數(shù)是第15級(jí)，此時(shí)回流率和冷量消耗均達(dá)到最小。同時(shí)，從圖3也可以看出回流率與冷量消耗隨入流級(jí)的變化規(guī)律是一致的。

圖3 入流級(jí)數(shù)優(yōu)化結(jié)果圖Fig 3 Simulation results for different feed stages

表5 參考環(huán)境參數(shù)定義Table 5 Reference environment definition

表6 空分系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果Table 6 Exergy calculation results of the cryogenic air separation system

表6 空分系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果Table 6 Exergy calculation results of the cryogenic air separation system

物流(能流) 物理/kW 化學(xué)1 284.92壓縮空氣 75 199.70 1 284.92進(jìn)入蒸餾塔的空氣 188 643.73 1 284.92 N2 79 073.76 7 784.76 O2 63 590.49 1 2861.19 N2-OUT 12 933.98 7 784.76 O2-OUT 3 533.85 1 2861.19 O2-V 62 608.06 1 2861.19/kW空氣0 W 102 242.90 -

表7 空分系統(tǒng)損分析結(jié)果Table 7 Exergy destruction and exergy loss analysis results of cryogenic air separation system

表7 空分系統(tǒng)損分析結(jié)果Table 7 Exergy destruction and exergy loss analysis results of cryogenic air separation system

a為部件耗散與總耗散的比率;b為部件耗散與進(jìn)入系統(tǒng)總的比率。

部件 ED，i(EL，i) aED，i/ED，T bED，i(EL，i)/EF多級(jí)壓縮機(jī)/kW 103 527.82 27 043.20 40.72% 26.12%換熱器 11 769.96 17.72% 11.37%蒸餾塔 26 618.46 40.08% 25.71%節(jié)流閥 982.43 1.48% 0.95%總耗散 66 414.04 100.00% 64.15%損失 20 718.74 - 20.01%空分總損 /kW 87 132.78 84.16%進(jìn)入系統(tǒng)總

5 總結(jié)

針對(duì)氧燃燒系統(tǒng)對(duì)氧氣的濃度需求特點(diǎn)，對(duì)一概念深冷空分系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整，并使用ASPEN PLUS軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，模擬計(jì)算得到的氧氣濃度(95%)可以滿足氧燃燒系統(tǒng)的要求。同時(shí)，得到的氮?dú)鉂舛雀哌_(dá)99.1%，這樣就保證了氧氣產(chǎn)品的較高流量和效率。在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)選取了蒸餾塔中的總級(jí)數(shù)，入流級(jí)數(shù)以及回流率3個(gè)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，在得到分離所需的最小總級(jí)數(shù)，最小回流率的前提下利用經(jīng)驗(yàn)公式得到了選取的3個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值，分別為28級(jí)，15級(jí)和1.044。利用使用的優(yōu)化方法和得到的優(yōu)化數(shù)值可以指導(dǎo)蒸餾塔的設(shè)計(jì)，使得深冷空分系統(tǒng)的物理、經(jīng)濟(jì)性能達(dá)到更優(yōu)，也使得氧燃燒技術(shù)更具有經(jīng)濟(jì)性能上的優(yōu)勢(shì)。

1 熊 杰，趙海波，柳朝暉，等.基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的O2/CO2循環(huán)燃燒系統(tǒng)和MEA吸附系統(tǒng)的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29(10):1625-1629.

2 Wall T F.Combustion processes for carbon capture［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2007，31(1):31-47.

3 Xiong J，Zhao H，Zheng C，et al.An economic feasibility study of O2/CO2recycle combustion technology based on existing coal-fired power plants in China［J］.Fuel，2009，88(6):1135-1142.

4 Vinson D R.Air separation control technology［J］.Computers ＆Chemical Engineering，2006，30(10-12):1436-1446.

5 Jordal K，Anheden M，Yan J，et al.Oxyfuel combustion for coalfired power generation with CO2capture-Opportunities and challenges［C］.Greenhouse Gas Control Technologies 7，Oxford，2005.201-209.

6 Allam R J.Improved oxygen production technologies［J］.Energy Procedia，2009，1(1):461-470.

7 Andersson K，Johnsson F.Process evaluation of an 865 MWe lignite fired O2/CO2power plant［J］.Energy Conversion and Management，2006，47(18-19):3487-3498.

8 Luyben W L.Distillation Design and Control Using Aspen Simulation［M］.Hoboken，New Jersey:John Wiley＆ Sons，2006.

9 Kister H Z.Distillation Design［M］.New York:McGraw-Hill，1992.

10 Bejan A，Tsatsaronis G，Moran M J.Thermal design and optimization［M］.New York:Wiley，1996.

11 Daniel J J，Rosen M A.Exergetic environmental assessment of life cycle emissions for various automobiles and fuels［J］.Exergy，An International Journal，2002，2(4):283-294.

1989.

Simulation optimization and exergy analysis of a cryogenic air separation

Xiong Jie Zhao Haibo Zheng Chuguang

(State Key Laboratory of Coal Combustion，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Regarding to the special oxygen demand of the oxy-combustion technology，a conceptual cryogenic air separation system was simulated using ASPEN PLUS.And a design optimization was conducted to the distillation column.Three parameters were chosen to optimize the column:feed stage，total number of stages and reflux ratio.After the minimal total number of stages and minimal reflux ratio were obtained，the optimum total number of stages and reflux ratio can be found out by using some experiential algebraic equations.Based on these optimum results，the optimum feed stage can be fixed.Finally，an exergy analysis was performed to the air separation system based on the optimum case.

cryogenic air separation;ASPEN PLUS;exergy analysis;design optimization;Oxy-combustion

TB657，TK11

A

1000-6516(2011)03-0039-05

2011-04-14;

2011-05-25

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50936001)，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-10-0395)。

熊 杰，男，27歲，博士研究生。