基于MVR熱泵的胺法捕集回收煙氣中CO2

陸詩建，蔣 超，康壽興

(1.中石化節能環保工程科技有限公司，山東 東營 257026；2. 中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026;3. 勝利油田東勝精攻石油開發股份集團有限公司，山東 東營 257015)

作為一種成熟的方法，胺法二氧化碳去除過程在發電廠煙氣中二氧化碳收集領域具有廣泛的市場前景，并已在許多國家使用[1]。顯著的優點是酸性氣體CO2的吸收速率快，去除效果好，化學穩定性好，不會熱分解，易于從污染溶液中提取[2-3]。然而，解吸再生需要高能耗和高運行成本。數據顯示，捕獲一噸二氧化碳的成本約為60美元[2-3]。因此，有必要對傳統IEA方法的吸收和解吸過程進行節能研究，以降低捕集成本。

機械蒸氣再壓縮(MVR)技術在20世紀末提出的一種新型節能工藝[4-7]。它是由瑞士的Steuler Escher Wie在1917年用蒸汽再壓縮技術機械地發明的[8]。MVR是蒸發領域已知的最先進，高效和環保的節能技術，廣泛應用于化工，輕工，食品，醫藥，海水淡化，污水處理等工業生產的溶液蒸發過程[8]。本文將MVR熱泵工藝引入到胺法CO2捕集過程，并與傳統胺法工藝進行節能效果對比分析。

1 基于MVR熱泵的CO2捕集工藝流程與節能原理

MVR熱泵工作原理如圖1，從電廠出來的煙氣進入吸收塔，在吸收塔中跟MEA貧液充分反應后，變成MEA富液并通過泵輸送到換熱器與從閃蒸塔出來的MEA貧液進行換熱，經過換熱后的MEA富液進入解析塔進行解析，解析后的貧液進入閃蒸塔閃蒸，由于閃蒸塔中壓強降低，導致大量液體在瞬間氣化，產生大量蒸汽(即為二次蒸汽)，液體的汽化潛熱轉化為氣體的顯熱被提取出來。氣化后的液體在自身重力作用下從閃蒸塔底部流出，進入貧富液換熱器后經過冷卻后回到吸收塔。閃蒸塔中產生的大量二次蒸汽則被壓縮機加壓后變成高溫高壓的氣體進入解析塔后對MEA富液進行加熱，從而減小了再沸器的負荷。

節能原理：MVR為平衡蒸餾，是持續穩定的過程。通過加熱隔膜或突然的預定壓力來解壓縮到液體的特定溫度。部分液體與蒸發氣體和液體快速分離。它出現在蒸汽之上。隨著壓力下降，在低溫下，液體沸騰，由液體冷卻釋放的顯熱和潛熱蒸發的液體部分可以在沒有額外蒸汽加熱的情況下獲得。根據亨利定律P=EX，溶質在氣相液相溶劑中的溶解度在不同的溫度和分壓下是不同的。當溶劑壓力降低時，在溶質溶劑解吸時形成閃蒸時它會自動釋放。在閃蒸法中，主要是回收溶劑凝結時釋放的潛熱。

圖1 帶有MVR熱泵的CO2捕集系統流程圖

Fig.1 flow chart of CO2capture system with MVR heat pump

2 MVR熱泵二氧化碳捕集流程仿真模型

根據傳統CO2捕集流程工藝和已選取的單元操作模塊即吸收塔(RadFrac)、再生塔(RadFrac)、閃蒸塔(Flash)、壓縮機(Compr)、泵(Pump)、熱交換器(HeatX)、冷卻器(Heater)、閥(Valve)。構建帶有MVR熱泵的MEA二氧化碳捕集系統模型，模型流程圖如圖2。

圖2 帶有MVR熱泵的CO2捕集系統流程圖

Fig.2 Aspen flow chart of CO2capture system with MVR heat pump

3 模擬數據分析

3.1 物流參數分析

以100噸/天CO2捕集量為基準，根據模擬要求對整個模擬流程的物流參數進行檢驗，檢測二氧化碳的捕集率和解析塔頂析出產品中二氧化碳的純度，看是否達到要求。當煙氣流量為120t/h、吸收劑循環量2.4t/h、貧液負荷為0.2時，MVR熱泵二氧化碳捕集流程的物流信息如下表1所示。

表1 關鍵物流信息 Tab.1 Key logistics information

如表1所示，在整個流程模擬中二氧化碳的捕集率大于85%且大于第二章模擬種二氧化碳的捕集率，解析塔頂析出的產品中二氧化碳的純度高于98%且高于第二章模擬中產品的純度，因此可以看出MEA捕集二氧化碳流程加入MVR熱泵后，整個流程的二氧化碳捕集率和產品中CO2的純度不僅達到了設計要求而且還得到了提高，流程模擬中其他參數也都達到了設計要求。

3.2 CO2捕集率分析

(1)設置煙氣流量為24t/h，貧液負荷為0.2，閃蒸壓力為60kPa時，探究CO2捕集率隨吸收劑循環量的變化情況。

圖3 吸收劑溶液循環量與吸收率的關系Fig.3 Relation between solution flow and absorption rate

由上圖分析可以得出，吸收率隨著吸收劑循環量的增大而增大；當吸收劑循環量較低時，CO2捕集率也較低；隨著吸收劑循環量的增大，吸收劑的載氣限度上升，可以吸收更多煙氣中的CO2，捕集率就會隨著提高；當吸收劑循環量超過120t/h時，化學吸收充分，隨著循環量的增加，CO2捕集率幾乎不變。

模擬結果顯示：當吸收劑循環量為120t/h時，CO2捕集率為90%左右時，是最佳吸收劑循環量；MVR熱泵CO2捕集系統CO2的捕集率隨吸收劑循環量的變化規律與傳統CO2捕集系統基本一致，但是相對于傳統CO2捕集系統，相同吸收劑循環量下MVR熱泵CO2捕集系統的捕集率相對較低。

(2)設置吸收劑循環量為120t/h，CO2負荷為0.2，閃蒸壓力為60kPa時，CO2捕集率隨煙氣流量的變化情況。結果如圖4所示。

圖4 煙氣流量與捕集率的關系Fig.4 Relationship between flue gas flow and absorption rate

分析曲線能夠發現，在吸收劑溶液循環量一定的情況下，隨著進入吸收塔的煙氣量的增加，CO2吸收率保持穩定后不斷降低的。當煙氣量從22t/h到24t/h之間時，吸收劑對CO2的化學吸收充分，CO2吸收率基本保持不變；當煙氣量大于24t/h時，吸收劑的載氣限度超過了煙氣中CO2的量，雖然煙氣量的增加導致了煙氣中CO2的含量相應增加，但是經過吸收后的煙氣中CO2排放量增加更為迅速，化學反應完全不充分，導致CO2捕集率不斷下降。

模擬結果顯示，當煙氣流量為24t/h時，CO2捕集率達到最大值。MVR熱泵CO2捕集系統CO2的捕集率隨煙氣流量的變化規律與傳統CO2捕集系統基本一致，但是相對于傳統CO2捕集系統，相同煙氣流量下MVR熱泵CO2捕集系統的CO2捕集率相對較低。

(3)設置吸收劑循環量為120t/h，煙氣循環量為24t/h，CO2負荷為0.2時，MVR二氧化碳捕集系統CO2捕集率隨MVR熱泵閃蒸壓力的變化規律，當閃蒸壓力小于40kPa時，迭代出現錯誤，模擬不出結果，所以閃蒸壓力小于40kPa時的情況不予討論。結果如圖5所示。

圖5 閃蒸壓力與捕集率的關系Fig.5 The relationship between flash pressure and capture rate

由圖中可以看出，隨著MVR熱泵閃蒸壓力的增大，CO2捕集率基本保持不變，但都達到85%以上，符合設計要求。

模擬結果顯示：CO2的捕集率幾乎不受閃蒸壓力的影響，且符合設計要求，因此可以討論閃蒸壓力作為操作變量時，解析能耗的變化。

3.3 再沸器負荷分析

(1) 設置煙氣流量為24t/h，吸收劑循環量為120t/h，閃蒸壓力為60kPa時，MVR二氧化碳捕集系統再沸器載荷隨CO2負荷的變化情況。結果如圖6所示。

圖6 捕獲每千克CO2消耗再沸器 負荷與貧液載荷的關系曲線Fig.6 Relation curve between the reboiler load and liquid load captured per kg of CO2

從圖6可以看出，MVR二氧化碳捕集系統再沸器載荷隨MEA貧液負荷的增大先減小后保持穩定。當貧液負荷較低時，再沸器熱負荷較大；再沸器熱負荷隨著貧液負荷的增加迅速減小，貧液負荷在0.2到0.25時，達到最小值；當貧液負荷增大到0.25之后，再沸器負荷不會發生明顯的變化。

模擬結果顯示：MVR二氧化碳捕集系統再沸器負荷隨MEA貧液負荷的變化規律與傳統二氧化碳捕集系統一致，且相同煙氣流量、吸收劑循環量和貧液負荷下，MVR二氧化碳捕集系統捕獲每千克CO2消耗再沸器負荷要低于傳統二氧化碳捕集系統的捕獲每千克CO2消耗再沸器載荷。

(2)設置煙氣流量為24t/h，吸收劑循環量為120t/h，貧液負荷為0.2時，MVR二氧化碳捕集系統的再沸器負荷隨閃蒸壓力的變化情況，當閃蒸壓力小于40kPa時，迭代出現錯誤，模擬不出結果，所以閃蒸壓力小于40kPa時的情況不予討論。結果如圖7所示。

圖7 捕獲每千克CO2再沸器 負荷與閃蒸壓力的關系曲線Fig.7 Relation curve of CO2 reboiler load and flash pressure is captured per kg of CO2

從圖7可以看出，隨著MVR熱泵閃蒸壓力的增大，解析塔再沸器的負荷逐漸增大，由于閃蒸壓力的限制，可以暫時斷定當閃蒸壓力為45kPa時，解析塔再沸器負荷最小。

分析模擬數據：當閃蒸壓力較小時，被閃蒸液體的汽化潛熱轉化為氣體的顯熱就會越多，被壓縮機壓縮后氣體的品質就會越高，進入解析塔后再沸器用于解析的熱量就會越少，從而再沸器的負荷就會越小。相反，當閃蒸壓力較大時，被閃蒸液體的汽化潛熱轉化為氣體的顯熱就會越少，被壓縮機壓縮后氣體的品質就會越低，進入解析塔后再沸器用于解析的熱量就會越多，從而再沸器的負荷就會越大。

3.4 系統解析能耗分析

分析傳統二氧化碳捕集流程模擬和MVR熱泵二氧化碳流程模擬可得：

q節約=q1-(q2+PW×3600/Q捕獲CO2)

(式1)

(式2)

式中:q節約——MVR熱泵二氧化碳捕集流程捕獲每千克CO2再生能耗節約的能量；

η——MVR熱泵二氧化碳捕集流程的解析能耗的節能率；

q1——傳統二氧化碳捕集流程捕獲每千克CO2所需解析塔再沸器負荷，kJ/kg；

q2——MVR熱泵二氧化碳捕集流程捕獲每千克CO2所需再沸器負荷，kJ/kg；

PC——MVR熱泵壓縮機的功率，kW。

取煙氣流量為24t/h，吸收劑循環量為120t/h，貧液負荷為0.2時，MVR熱泵二氧化碳捕集系統解析過程的壓縮機耗能隨MVR熱泵閃蒸壓力的變化情況。同樣，當閃蒸壓力小于40kPa時，迭代出現錯誤，模擬不出結果，所以閃蒸壓力小于40kPa時的情況不予討論。結果如圖8所示。

圖8 捕獲每千克CO2壓縮機 耗能與閃蒸壓力的關系曲線Fig.8 Relation curve of energy consumed by the compressor and flash pressure captured

從圖8可以看出，隨著MVR熱泵閃蒸壓力的增大，壓縮機耗能逐漸減小。當閃蒸壓力較小時，被閃蒸液體的汽化潛熱轉化為氣體的顯熱就會越多，但是要保證通過壓縮機壓縮后氣體壓強要與解析塔的壓強保持一致，所以通過壓縮機增加的壓強就會較大，因此壓縮機做功就會較大。當閃蒸壓力增大時，壓縮機做功就會減小。 設置煙氣流量為24t/h，吸收劑循環量為120t/h，MVR二氧化碳捕集系統再生能耗隨閃蒸壓力的變化情況。結果如圖9所示。

圖9 捕獲每千克CO2再生 耗能與閃蒸壓力的關系曲線Fig.9 Relation curve of regeneration power consume and flash pressure is captured per kg of CO2

從圖9可以看出，隨著閃蒸壓力的增大，MVR熱泵二氧化碳捕集流程的再生能耗先減小后增大。當閃蒸壓力從45kPa增大到60kPa時，再生能耗降低，在60kPa時有最小值；當閃蒸壓力超過60kPa后，再生能耗逐漸增大。

分析模擬數據：由圖7、圖8可知，閃蒸壓力較低時，再沸器負荷也較低，變化也較小，但是壓縮機做功很大，變化較大，相對于再生能耗而言，壓縮機耗能占主要因素，因此再生能耗相對較大；當閃蒸壓力較大時，壓縮機做功較小，但是再沸器能耗很大，相對于再生能耗而言，再沸器能耗能占主要因素，由圖2-7可知，隨閃蒸壓力的增大，再沸器負荷逐漸增大，因此再生能耗也逐漸增大。但是再沸器的負荷遠遠大于壓縮機做的功，所以整體趨勢是節能率隨閃蒸壓力的增大而減小；因此再生能耗在45kPa到80kPa會出現最小值，即60kPa所對應的值。

選擇普通二氧化碳捕集流程和帶有MVR熱泵二氧化碳捕集流程再生能耗最低時的工況進行分析，得到帶有MVR熱泵二氧化碳捕集流程的節能率，如下表2所示。

表2 兩種工藝參數對比 Tab2 Comparison of two process parameters

由表2可知，MVR熱泵CO2捕集工藝相對于傳統CO2捕集工藝所需再生能耗較小，節能率為25.62%。

4 結論

以100噸/天CO2捕集過程為規模，利用Aspen Plus軟件對MVR熱泵二氧化碳捕集流程進行建模分析，得到主要結論如下：

(1)對系統物流參數進行了分析，結果顯示系統流程中CO2的捕集率和產品純度分別達到85%和98%，滿足整個流程的CO2捕集要求。

(2)對CO2捕集率進行了分析，結果表明吸收率隨著吸收劑循環量的增大而增大。當吸收劑循環量為120t/h時，是最佳吸收劑循環量；MVR熱泵CO2捕集系統CO2的捕集率隨吸收劑循環量的變化規律與傳統CO2捕集系統基本一致， 當煙氣流量為24t/h時，CO2捕集率達到最大值。

(3)對再沸器熱負荷進行了分析，結果表明MVR二氧化碳捕集系統再沸器負荷隨MEA貧液負荷的變化規律與傳統二氧化碳捕集系統一致：先減小后保持穩定，在0.2到0.25時有最小值。MVR二氧化碳捕集系統捕獲每千克CO2消耗再沸器負荷要低于傳統二氧化碳捕集系統的捕獲每千克CO2消耗再沸器載荷。

(4)對解析過程節能率進行了分析，結果表明MVR熱泵CO2捕集工藝相對于傳統CO2捕集工藝所需再生能耗較小，節能率為25.62%。

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