燃煤電廠CO2捕集中煙氣預處理系統的優化模擬

呂太，劉力萌，郭東方，牛紅偉，尚航

（1東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林132001；2中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209）

人類活動產生過量的CO2，造成了嚴重的全球性環境問題。當前，控制和減少CO2排放已成為國際社會應對全球氣候變化的共識和關鍵舉措[1]。因此，對CO2的捕集再利用顯得尤為重要。目前國內、外對CO2燃燒后捕集主要采用有機胺來進行吸收，普遍采用乙醇胺（monoethanolamine，MEA）法。MEA是一種堿性物質，會與酸性氣體SOx和NO2發生不可逆反應，生成無法在后續工藝中再生的熱穩定性鹽。這將導致工質溶液損失，并且由于一些鹽的毒性特別強，還會產生廢液處理等問題。因此當采用MEA法時，煙氣中的SOx和NO2含量必須減少到較低的水平，這就需要對進入吸收塔的煙氣進行預處理。

一般煙氣預處理采用填料塔。填料塔是最常用的氣液傳質設備之一，由于其具有生產能力大、分離效率高、壓降小、操作彈性大的優點，而廣泛應用于蒸餾、吸收、解吸、汽提、萃取、洗滌等過 程[2-3]。然而國內對CO2的捕集中煙氣預處理系統的實例涉及的并不是很多，只有華能北京熱電廠、華能上海石洞口電廠的捕集中有煙氣預處理系統，而國外無論在實例方面還是模擬方面比國內要完善很多。

由于國內對預洗塔模擬和實際應用方面的欠缺，本文采用Aspen Plus軟件，分別從組合填料、填料層高度、吸收劑進量和分層噴淋進吸收劑方面，對煙氣預洗系統進行模擬，得出預洗塔脫硫、降溫的較佳條件，從而為工程實踐提供理論參考。

1 煙氣預處理

煙氣一般來自于電廠脫硫后的煙氣，SO2含量100～400mg/m3，NOx含量100～400mg/m3。煙氣NOx中以NO為主，一般在95%以上，NO與捕集溶液不發生反應，所以在煙氣預處理優化模擬中只需要考慮降低SO2含量，并降低出口煙氣溫度。

為了在后續CO2捕集中降低溶劑消耗，提高CO2的捕集效率，SO2含量一般需降到10μL/L以下（根據本次煙氣工況，脫硫效率在91%以上，出口煙氣SO2含量在4kg/h以下），煙氣溫度一般降到30℃左右。

圖1為運用Aspen Plus對燃煤電廠CO2捕集系統的工藝流程圖[4]。煙氣首先經過預處理系統的洗滌塔（SCRUBBER）除去SO2等雜質并降低煙氣溫度，經過處理的煙氣進入吸收塔（ABSORBER）用胺吸收CO2，吸收后富液由塔底經過富液泵和換熱器之后進入閃蒸罐（SEP）閃蒸出一部分CO2，其余的進入再生塔（STRIPPER）再生出CO2，最后將其進行排放或者收集，剩下的貧液由塔底流出重 新 返回吸收塔循環吸收。

2 模擬選擇與假設

本文對預洗塔（SCRUBBER）進行優化模擬，選取填料塔內含兩層16mm的鮑爾環填料，模擬采用Aspen Plus內置模塊庫中的RadFrac模型。由于模塊中含有電解質組分參與反應，故選擇電解質物性模型ELECNRTL作為模塊模擬的主要物性方法。

模擬假設：①假設煙氣成分有N2、O2、CO2、H2O及SO2（見表1），參加反應有SO2和CO2，不考慮鹵化氫和煙塵的影響；②不考慮預洗塔內壓降；③脫硫系統穩定運行。

模擬中的主要反應見式（1）～式（5）。

表1 煙氣工況

圖1 CO2捕集系統模擬流程圖

3 優化模擬分析

3.1 填料選擇

填料是預洗塔的重要組成部分，直接與預洗塔的操作性能好壞有關。一般情況下，預洗塔內都是單一填料，但是為了進一步提高脫硫效率，本次研究將不同類型的填料和同種類型不同型號的填料進行組合，形成組合填料，并且與單一填料的脫硫率進行比較，最后選出較佳的填料形式。

在Aspen Plus操作欄中，進入Blocks中的預洗塔（SCRUBBER），選擇各種不同的填料，對各種填料的參數進行設置，得出相應的數據。

3.1.1 不同種填料組合

選取4種在非平衡狀態下脫硫效果相近的常用填料，即鮑爾環填料（PALL）、金屬矩鞍環填料（IMTP）、波紋板填料（FLEXIPAC）和絲網型規整填料（CY）。單一填料脫硫效率和組合填料的脫硫效率分別見表2和表3。

從表2中可以看出，單一填料的脫硫效率：PALL≈FLEXIPAC＞CY＞IMTP。從表3可以看出，組合填料的脫硫效率要比單一填料的脫硫效率高，并且煙氣出口的溫度也隨著脫硫效率的增加而有所降低，其中脫硫效率相對較好的是PALL、FLEXIPAC組合與PALL、CY。

這4種填料都屬于新型填料，具有通氣量大、阻力小、壓降小和分離效率高等特點。但是每種填料又各有其特點：PALL選擇的為聚丙烯材料，其 填料因子較小，流動阻力也較小；IMTP形狀介于環形和鞍形之間，有兩者的優點，并且全部表面都能被有效地利用，使氣體和液體在填料層中的流動和擴散更加有利；FLEXIPAC由相互平行、垂直排列的波板片組裝而成，波紋與填料塔軸線程45°角，相鄰的板片在波峰或波谷相接觸，使煙氣和液體的接觸更加充分；CY是4種填料中比表面積和空隙率最大的，并且質量輕，氣相通路傾角小、有規則，能獲得更高純度的吸收產品[5]。在選擇填料的同時，出于經濟性的考慮，最終選取的較佳填料組合是PALL和FLEXIPAC。

表2 單一填料脫硫效率

表3 組合填料的脫硫效率

3.1.2 同種填料組合

選取2種型號的鮑爾環（PALL），分別為16mm和25mm，將型號不同的2種鮑爾環進行組合。各組合填料的脫硫效率見表4。

表4 單一填料和其不同類型組合填料的脫硫效率

從表4可以看出，同種填料不同型號的脫硫效率和降溫多少是不同的，16mm的要比25mm的脫硫效率高，這是因為16mm的比表面積較大，填料因子較小。從表4中也可以看出，無論是哪種組合方式，組合填料的脫硫效率都要比單一填料有明顯提高，并且出口煙氣溫度也有所降低。

綜合表3和表4的分析結果，組合填料脫硫效率較高的原因，主要是兩種填料都發揮了各自的突出優點，不同的形狀和性能都加強了通氣量大、阻力小、壓降小等特點，從而使SO2和吸收劑的接觸面積增大，有利于相間傳質，因此預洗塔的脫硫效率和降溫效果較好，可滿足后續胺法脫碳要求。

3.2 填料層高度

填料的填料層是氣液接觸的主要反應位置，故填料層高度是降低出口煙氣SO2含量和出口煙氣溫度的主要因素之一。

在Aspen Plus中建立一個靈敏度分析，保持其他工藝條件恒定，設置采集變量（出口煙氣SO2含量或出口煙氣溫度）和操縱變量（填料層高度），調整填料層高度，把得到的結果作出曲線，觀察其變化。

圖2 填料層高度與出口煙氣SO2含量之間的關系

從圖2中可以看出，出口煙氣中SO2含量的總趨勢是隨填料層高度的增加而降低的。當填料高度小于1m時，出口煙氣中SO2含量迅速下降；當填料高度在1～2m之間時，下降趨勢也很明顯；當填料高度大于2m后，呈平滑曲線逐步下降；當填料高度大于4m之后，下降趨勢趨于平緩。

從圖3中可以看出，隨填料層高度的增加出口煙氣溫度逐漸降低。當填料層高度小于2m時，溫度下降較快；當填料層高度在2～4m之間時，溫度下降的比較平均；當填料層高度大于4m時，溫度均勻下降，但是降低的較少。

綜合圖2和圖3的分析結果，隨著填料層高度的增加，雖然氣液接觸的面積增加了，但是隨著高度的增加液膜阻力隨之增加，所以太高的高度對去除出口煙氣中SO2含量的能力越來越少，出口煙氣溫度降低的也越來越少。因此填料層的最佳高度為2～4m。

3.3 吸收劑

3.3.1 吸收劑進量

圖3 填料層高度與出口煙氣溫度之間的關系

吸收劑為預洗塔中氣液反應的主要因素，由于本次模擬的煙氣量主要來自電廠脫硫，煙氣進氣量較為固定，故優化吸收劑的進量也是是降低出口煙 氣SO2含量和出口煙氣溫度的主要因素之一[6]。由于常用的吸收劑氨水會吸收CO2，影響其后續捕集量，所以本次模擬吸收劑采用工業水，既經濟又能除去SO2減少對CO2的吸收。

在Aspen Plus中建立一個靈敏度分析，保持其他工藝條件恒定，設置采集變量（出口煙氣SO2含量或出口煙氣溫度）和操縱變量（吸收劑進量），調節吸收劑進量，把得到的結果作出曲線，觀察其 變化。

從圖4中可以看出，出口煙氣中SO2含量的總趨勢是隨吸收劑進量的增加而降低，最后趨于不變。當吸收劑進量小于250×103kg/h時，出口煙氣中SO2含量呈線性下降；當吸收劑進量在(250～350)×103kg/h之間時，下降趨勢逐漸平穩；當吸收劑進量大于350×103kg/h后，幾乎沒有下降趨勢，出口煙氣中SO2含量趨于不變。

從圖5中可以看出，隨吸收劑進量的增加出口煙氣溫度逐漸降低。當吸收劑進量小于250×103kg/h時，溫度下降較快；當吸收劑進量在(250～350)×103kg/h之間時，溫度下降得比較平緩；當吸 收劑進量大于350×103kg/h后，溫度均勻下降，但是降低得較少。

圖4 吸收劑進量與出口煙氣中SO2含量之間的關系

圖5 吸收劑進量與出口煙氣溫度之間的關系

綜合圖4和圖5的分析結果，由于吸收劑進量的增加，增大了SO2氣體分子與液膜的接觸面積，有利于相間傳質，利于SO2的吸收和降溫，可滿足后續胺法脫碳要求。但也不是吸收劑的進量越大越好，當吸收劑增加到一定程度是，液滴會大量凝聚，氣液接觸面積不再增大，反而會出現減小的現象，不利于SO2的吸收和降溫。因此，吸收劑的最佳進量為(250～350)×103kg/h。

3.3.2 分層噴淋進吸收劑

擬采用改變進料情況提高脫硫率，由于塔內設定為兩層填料，所以將一層進吸收劑改為兩層進吸收劑，在每層填料上方分別進吸收劑。通過以下思路：兩層進吸收劑量之和與單層進吸收劑相同，計算脫硫效率，并與單層進吸收劑脫硫率比較[7]。

在Aspen Plus流程的預洗塔（SCRUBBER）中，加入第二層進吸收劑，保持其他工藝條件恒定，調節第一層和第二層吸收劑的進量比例。

將預洗塔兩層進吸收劑分比例進入，其總進料量與單層進吸收劑量相同，其脫硫效率見表4。

從表4可以看出，對于非平衡狀態下，由一層進吸收劑改為兩層進吸收劑對脫硫效率有一定的提高，第一層與第二層比例從1∶5增大到1∶1，脫硫效率略有增大，溫度也略有下降；從1∶1增大道5∶1，脫硫效率增大的幅度很小，溫度也不再變化，最佳比例可以選擇1∶1。氣液的主要反應區在填料層處，分成兩層進料從每層填料上方進吸收劑，可以使每層反應區上方進入填料的吸收劑幾乎都是未反應過的工業水，這樣對于氣體的吸收很有利，因此效率有所增加，煙氣溫度有所減低，可滿足后續胺法脫碳要求。實際操作中，如果改為兩層進吸收劑，可以減少動力消耗。

在非平衡狀態下，單層進吸收劑300×103kg/h， 脫硫效率91.1%，溫度降為33.2℃。顯然兩層進吸收劑優于一層進吸收劑，其直接結果是降低了能源消耗。

表4 兩層進吸收劑比例與脫硫效率的關系

4 結 論

通過Aspen Plus模擬分析，對燃煤電廠CO2捕集中煙氣預處理系統的優化可以得出如下結論。

（1）在非平衡級模型的基礎上，將預洗塔中的單一填料換成不同類型和同種類型不同型號的填料，考察其脫硫效率和出口煙氣溫度情況。結果表明：4種不同類型填料進行組合，由于各自結構的優勢，組合填料的脫硫效率要比單一填料的脫硫效率高，出口煙氣溫度也會相應降低，其中較佳的組合是FALL和FLEXIPAC。同種類型不同型號的組合填料，比單一型號填料的脫硫效率有明顯的提高，出口煙氣溫度也有明顯降低。

（2）對預洗塔的填料層高度和吸收劑進量建立靈敏度分析，結果表明：①當填料層高度在2～4m之間時，SO2含量呈穩定曲線形式下降，溫度穩定下降，是填料層的最佳高度；②當吸收劑進量在(250～350)×103kg/h之間時，SO2含量呈穩定曲線形式下降，溫度穩定下降，是吸收劑的最佳進量。

（3）將預洗塔的一層進吸收劑改成兩層進吸收劑，兩層進吸收劑分別按照比例進水，進料總和與單層進吸收劑相同。結果表明：兩層進吸收劑的脫硫效率要比一層進吸收劑的脫硫效率好，其中較佳的比例為1∶1。在實際操作中，如果改為兩層進吸收劑，最大的優勢在于可以減少能源動力消耗。

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