MEA捕集火電廠CO2中貧液溫度和流量的影響分析

屠夢波

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075）

火力發(fā)電廠作為煤炭使用巨頭，從1990年到2010年20年時(shí)間，其CO2排放量從21億噸增加到45億噸左右，足足翻了一倍之多。若使CO2排放總量有所減少，火力發(fā)電廠煙氣中CO2的捕集和儲存 （CCS）是一個非常有效的手段［1］。

化學(xué)吸收法無疑是電廠煙氣脫碳中最實(shí)用的方法?；瘜W(xué)吸收法是在火電廠煙道尾氣經(jīng)過脫硫、除塵以及脫銷后進(jìn)入吸收塔然后和吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)溶劑形成富CO2的吸收液，吸收液進(jìn)入再生塔加熱分解從而分離出高濃度的CO2。以一乙醇胺 （MEA）為主的醇胺溶液等作為吸收劑的化學(xué)吸收法經(jīng)濟(jì)效益較高而且效果較好。

1 MEA捕集CO2模擬系統(tǒng)建立

1.1 選擇模型

本論文采用Aspen Plus模擬軟件中用于模擬實(shí)際火電廠煙氣脫碳，重點(diǎn)在于實(shí)際模擬，所以采用基于流率的非平衡模型RateFrac。

1.2 確定模擬系統(tǒng)的反應(yīng)方程

1）總反應(yīng)方程

2）吸收塔模型建立

①各反應(yīng)組分以及生成物的輸入。軟件會自動從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用各個組分參數(shù)。②選擇物性方法。本次模擬選用的物性方法為ELECNRTL。③進(jìn)入模型建立界面，建立單獨(dú)的吸收塔模型。④相關(guān)參數(shù)輸入。華能北京熱電廠尾氣脫碳工程是我國首例CO2捕集工程，該工程采用化學(xué)吸收法作為捕集方法，通過乙醇胺 （MEA）分離出高純度的CO2。本文選用北京華能熱電廠相關(guān)參數(shù)作為物流數(shù)據(jù)輸入，以做到和實(shí)際更好的比較，保證模擬系統(tǒng)的實(shí)用性。⑤反應(yīng)方程輸入。⑥完成上述5個步驟之后，即可進(jìn)行模擬運(yùn)行，模擬結(jié)果見第二節(jié)。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 貧液流量對CO2捕集效果的影響

由表1得到，每吸收1mol CO2需要2mol MEA。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)為0.1256的煙氣，體積流率為14m3／min時(shí)理論需要1915.4kg／h質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3的MEA溶液。本次模擬會輸入不同的貧液流量數(shù)值，得出不同的煙氣CO2吸收率，從而總結(jié)得出CO2吸收率隨貧液流量變化規(guī)律，經(jīng)過模擬計(jì)算得出模擬結(jié)果如表2和圖2所示。

表1 貧液流量對CO2吸收率影響

從表1看出，當(dāng)貧液流量從2100kg／h提高到3100kg／h時(shí)，CO2吸收率也82%增加到88%，所以適當(dāng)增加貧液流量，對提高CO2吸收率有較好的效果。

從圖1看出，隨貧液流量增加CO2吸收率也隨之升高，但是增加的幅度也在逐漸減小。當(dāng)貧液流量增加后，廢水量、水損耗量、用電量、吸收劑成本和再沸器能耗也必定隨之提升，還可能引起液泛，導(dǎo)致模擬中不會出現(xiàn)的問題在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)。為能夠?qū)崿F(xiàn)較高的脫碳率、不浪費(fèi)資源并且節(jié)約成本，需要確定一個合理的貧液流量值［2］。從表1看出，當(dāng)貧液流量為2700kg／h時(shí)，即可滿足較高的CO2吸收率且副作用較小。

綜上所述，當(dāng)實(shí)際吸收劑用量約為理論用量的1.4倍時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較高的CO2吸收率。

圖1 貧液流量對CO2吸收率的影響圖

2.2 貧液溫度對CO2捕集效果的影響

通過本系統(tǒng)模擬，得到CO2吸收率隨貧液溫度變化表和變化曲線，如表2和圖2所示。

表2 CO2吸收率隨貧液溫度變化表

從表2看出，當(dāng)貧液溫度從20℃上升到90℃時(shí)，CO2吸收率從高達(dá)90%以上的吸收率下降到83.03%，在40℃左右時(shí)依舊可以保持89%左右的吸收率，吸收效果較好。從圖2中還看出，隨貧液溫度升高，CO2吸收率也隨之降低，但是降低幅度也在逐漸升高，MEA與二氧化碳反應(yīng)會放出熱量，上述規(guī)律符合放熱反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理［3］。

從圖2看出，隨貧液溫度的上升脫碳效率隨之下降。根據(jù)陶氏化學(xué)公司研究，當(dāng)吸收液中熱穩(wěn)定鹽超過一定濃度時(shí)，就會對吸收塔造成較大危害。甲酸鹽和乙酸鹽在過熱時(shí)就會開始分解，造成吸收塔的化學(xué)腐蝕，進(jìn)氣溫度越高，MEA揮發(fā)量就越高，不利于節(jié)約吸收劑成本，不利于環(huán)境保護(hù)，也不利于反應(yīng)進(jìn)行。在實(shí)際工程當(dāng)中，需要把解吸塔中再生的吸收液回流到吸收塔重復(fù)利用，而這部分再生液溫度較高，所以當(dāng)要保證貧液溫度更低時(shí)，就需要更多的冷卻能量，能耗更高。因此，貧液溫度并不是越低越好，而是把溫度控制在一定范圍內(nèi)對整個系統(tǒng)的脫碳效果以及節(jié)能效果更加有利。通過分析可得到合適的范圍在30～50℃。

圖2 CO2吸收率隨貧液溫度變化圖

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

1）CO2脫除效果隨著貧液流量增加而提升，最佳貧液用量為理論用量的1.4倍左右；

2）CO2脫除效果隨著吸收液液溫度和煙氣溫度提高而下降，最佳溫度均在40℃左右；

3.2 展望

1）本次設(shè)計(jì)由于收斂性不夠好，未實(shí)現(xiàn)再生與吸收循環(huán)，為能更加接近實(shí)際模擬情況，在未來的模擬當(dāng)中會進(jìn)一步努力完善此設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使其能夠循環(huán)運(yùn)行；2）在實(shí)際運(yùn)行工況中，影響MEA捕集二氧化碳效果的因素眾多，其他更多方面的影響因素會在未來的學(xué)習(xí)和實(shí)踐當(dāng)中進(jìn)一步分析［4］。