火電廠MEA吸收法捕集CO2的模擬與分析

車德勇 劉大任 張卓文 王艷鵬 劉 輝

(1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2.哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，哈爾濱 150001)

自2009年“哥本哈根世界氣候大會”召開以來，如何有效控制溫室氣體的排放成為我國經濟發展過程中亟待解決的重要課題[1]。溫室氣體指的是大氣中能吸收地面反射的太陽輻射，并重新發射輻射的氣體，包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)及含氟制冷劑等[2]。由于人類活動排放的溫室氣體中含量最多的是CO2，而煤炭等化石燃料的燃燒是大氣中CO2劇增的重要原因，因此對煤炭燃燒的大戶——燃煤電廠進行煙氣脫碳處理無疑會對減排CO2產生顯著效果。目前，研究用于煙氣脫碳的方法較多，主要分為吸附法、低溫法、膜分離法及化學吸收法等[3]。其中化學吸收法具有吸收速度快、吸收效率高及系統穩定性好等特點，具有很高的工業應用價值。

一乙醇胺(MEA)是化學吸收法中常用的吸收劑，國內外眾多學者對MEA捕集CO2開展了廣泛的研究。Jung J等對CO2的吸收和解吸過程的經濟性進行了模擬和優化[4]，通過使用一種相分離換熱器降低了解吸塔冷凝器的能量損耗，使捕集CO2所需要的能量從3.31GJ/t降低到2.86GJ/t。Harun N等采用動態模型研究改變煙氣流速和再沸器熱負荷時MEA吸收過程的瞬間變化[5]，結果表明煙氣流速和再沸器熱負荷的改變是影響貧液負荷和CO2脫除效率的關鍵因素；西安熱工院的黃斌等人進行了CO2捕集的工業試驗研究，獲得了煙氣脫碳工程應用的現場資料[6]；清華大學的鄭碏等人對MEA溶液中的CO2氣體溶解度進行計算，得出了CO2在MEA溶液中的溶解度，在此基礎上，建立了CO2吸收過程模擬程序和總體能耗的計算方法[7]。筆者利用Aspen Plus軟件進行MEA溶液吸收燃煤電廠煙氣中CO2的流程模擬，對吸收液溫度、煙氣量及貧液負荷等因素對脫碳效率的影響程度進行了探究，得到了適宜的操作條件，為MEA脫碳的工業應用起到了指導和預測的作用。

1 MEA吸收法捕集CO2的流程模擬①

1.1 CO2捕集的模型

圖1為采用Aspen Plus建立的CO2捕集系統的工藝流程。圖1中，經過脫硫脫硝處理后的煙氣從底部進入填料吸收塔，在塔內上升過程中遇到從吸收塔頂部噴淋的MEA貧液，氣液在吸收塔的填料上逆流接觸進行傳質傳熱，煙氣中的CO2被吸收后，從塔頂部離開吸收塔。MEA貧液吸收CO2后成為MEA富液，富液通過泵的加壓和換熱器升溫后進入解吸塔。解吸塔實際上是精餾塔，其作用是通過再沸器將CO2解吸出來。富液在解吸CO2后成為貧液，流出解吸塔的貧液通過換熱器降溫后在混合器中與補充的水和MEA進行混合，再通過冷卻器降溫后重新進入吸收塔捕集CO2。這一吸收-解吸的循環過程實現了吸收劑MEA的反復使用，系統只需補充損失的少量水和MEA即可。圖1中各模塊的說明見表1。

圖1 MEA吸收法捕集CO2裝置流程

設備單元ASPEN模塊模塊命名吸收塔RateFracABSORPT解吸塔RateFracDESORPT熱交換器 HeatXEXCHANGE富液泵PumpRICHPUMP混合器MixerMIXER冷卻器HeaterCOOLING

1.2 模擬煙氣的選擇

模擬煙氣的參數參照某燃煤電廠CO2捕集示范裝置的煙氣參數，該試驗系統中煙氣從該電廠1號機組和2號機組脫硫系統之后的煙道引出，流量為2～3km3/h。通常條件下該煙氣中的主要成分和模擬煙氣的成分見表2。

表2 煙氣中主要成分及其體積分數 %

1.3 模擬的假設

利用Aspen Plus建立MEA吸收法脫碳的模

擬流程需要進行如下假設：

a. 在脫碳前進行的脫硫脫硝效果理想，忽略微量SOX和NOX對吸收反應的影響；

b. 不考慮O2與MEA的反應；

c. 不考慮MEA的腐蝕和降解；

d. 模擬中不考慮CO2的干燥、壓縮和運輸的工藝流程。

2 模型驗證

通過文獻[8]中的數據可知，該燃煤電廠CO2捕集示范裝置的吸收塔和解吸塔同為填料塔，塔高30m，吸收塔和解吸塔的內徑分別為1.2m和1.0m。塔體填料高度均為2×7.5m，填料類型為孔板波紋填料，填料空隙率大于98%，填料的排列方式為規整排列。為檢驗模型的可靠性，模擬中設置的塔體參數、物料參數與該裝置的已知參數保持一致。將獲得的模擬值與該燃煤電廠CO2捕集示范裝置的實時數據進行比較，得到的比較結果列于表3。從表3可以看出，模擬值與實測值之間存在一定的誤差，其中吸收塔出口CO2的體積分數略高于實測值，解吸塔出口CO2的體積分數和回收CO2的量均低于實測值，但誤差較小，說明模擬結果與實測結果是基本一致的，驗證了模擬的可信度。

表3 試驗結果與模型預測值的對比

3 模擬結果與分析

3.1 貧液溫度對脫碳效率的影響

圖2是吸收液溫度與脫碳后CO2的排量、脫碳效率的關系圖。從圖2中可以看出，隨著吸收液溫度的不斷升高，二氧化碳的排量不斷增加，脫碳效率隨之下降。溫度是影響化學反應速率的重要因素，化學反應速率通常隨溫度的升高而增大。但MEA與CO2的反應是放熱反應，較低的溫度有利于化學平衡向正向移動，進而保證產品較高的收率。CO2不易溶于水，其溶解度隨溫度的升高而降低，過高的溫度不利于CO2溶解到吸收液中發生化學吸收。因此控制吸收液的溫度在較低范圍內，有利于提高CO2的捕集率。但過低的吸收液溫度意味著冷卻器能耗的增加，不利于系統的經濟性。同時，低溫也會造成反應速度過慢，進而延長反應時間。圖2中吸收液溫度在40～50℃時，脫碳效率在96%以上，是最優的溫度范圍。

圖2 吸收液溫度與CO2排量、脫碳效率的關系

3.2 煙氣量對脫碳效率的影響

圖3為煙氣量與脫碳后煙氣中CO2的排量、脫碳效率的關系曲線。從圖3中可以看出，隨著進入吸收塔煙氣量的增加，CO2的排量逐漸上升，脫碳效率不斷降低。當煙氣流量增加的范圍較小時，脫碳效率緩慢下降，隨著煙氣量的不斷增加，脫碳效率大幅降低。當煙氣量范圍為90～125kmol/h時，CO2的排放量升高較慢，脫碳效率略微降低；當煙氣量范圍在125～150kmol/h時，CO2的排放量隨煙氣流量的增加而大幅提高，脫碳效率顯著下降。這是由于煙氣量超過125kmol/h后，氣液比大大增加，超過了MEA溶液的載氣限度，雖然煙氣量的增加導致了煙氣中CO2的含量相應增加，但脫碳后煙氣中CO2的排量增加得更為迅速，導致了脫碳效率的急劇下降。由圖3可知，最佳的煙氣量在100～115kmol/h范圍內，CO2的排量較小，脫碳效率較高。

圖3 煙氣量與CO2的排量、脫碳效率的關系

3.3 貧液負荷對脫碳效率的影響

貧液負荷指的是吸收液中CO2的載荷，即CO2和吸收劑MEA的比值。貧液負荷的大小取決于解吸塔的解吸程度，解吸塔解吸能力越強則貧液負荷越低，解吸塔解吸能力越差則貧液負荷越高。從圖4中可以看出，CO2的捕集效率隨貧液負荷的增加而降低。當貧液負荷在0.2～0.3的范圍時，脫碳效率曲線下降緩慢，當貧液負荷超過0.3后，脫碳效率曲線迅速下滑，當貧液負荷在0.4左右時，脫碳效率已經低到60%左右。可見，貧液負荷是影響脫碳效率的重要因素之一，較低的貧液負荷才能保證較高的脫碳效率。最佳的貧液負荷為0.2～0.3之間，此時脫碳效率高達94%以上。

圖4 貧液負荷對脫碳效率的影響

4 結論

4.1吸收液溫度越低，凈煙氣中的CO2含量越少，CO2脫除效果越好。而過低的液溫不利于系統的經濟性，同時減緩了反應的速度，最佳的吸收液溫度為40～50℃。

4.2脫碳效率隨煙氣量的增加而降低，煙氣量的增加導致氣液比增大，較大的氣液比不利于脫碳反應的順利進行，當煙氣量在100～115kmol/h范圍時，脫碳效率較高。

4.3貧液負荷的增大導致了MEA的吸收能力降低，CO2脫除效率下降。而較低的貧液負荷意味著再沸器能耗的增加，適宜的貧液負荷為0.2～0.3范圍內。