MEA吸收烟气中二氧化碳过程的建模与分析

MEA吸收烟气中二氧化碳过程的建模与分析

王致新，吕剑虹，崔晓波

东南大学，能源与环境学院，南京市四牌楼2号 邮编210096；

Modeling and Analysis of MEA-based Carbon Dioxide Capture System from Flue Gas

Zhixin Wang, Jianhong Lu, Xiaobo Cui

School of Energy & Environment, Southeast University, Sipailou No.2 Nanjing, China.

ABSTRACT: In this work a rate-based steady-state model of an integrated MEA-based carbon dioxide capture system from flue gas, consisting of an absorber and stripper, is developed

using

the

widely-accepted

commercial

platform-Aspen Plus. The rate-based model has better predictive capability than the equilibrium-based model, and agrees well with experimental data from the pilot plant at the University of Texas at Austin. Based on this steady-state model, comprehensive flowsheet parametric studies have been done to investigate the integrated system characteristics. The sensitivity simulation analysis results show that, specifying a constant condenser temperature makes the system less sensitive than operating the stripper at a constant distillate to feed ratio and a constant reflux ratio. The enhanced control structure is used to analyze the steady state characteristics of the carbon dioxide capture process. No snowball effect is seen with this improved control structure on integrated system.

KEY WORD: Carbon Dioxide Capture; Rate-based model; MEA; Flue Gas

摘要：本文应用Aspen化工流程软件建立了MEA吸收电厂烟气中二氧化碳完整系统的稳态非平衡级模型，其中包含一个吸收塔和汽提塔。建立的非平衡级模型相比平衡级模型有更好的预测性能，并且和德州奥斯汀分校的试验结果更加吻合。基于建立的模型，对整个捕捉系统的性能进行了全面的流程参数研究。灵敏度仿真分析结果表明通过调节回流比维持冷凝器温度不变能够使系统运行更加稳定，并对这种改进的控制策略进行稳态性能分析，这种改进控制策略不会引起雪球效应。 关键词：二氧化碳捕捉；非平衡级模型；MEA吸收；烟气

减少二氧化碳净排放量，然而由于化石燃料的实用性和高能量密度，化石燃料在今后的几十年内仍将继续作为世界能源的最主要来源。在过去的十年里，燃煤发电满足了新增电力需求的47%，它同时也是二氧化碳排放的单个最大来源，而且，在今后几十年内仍然是全球发电的支柱。因此，目前中国、印度等发展中国家在建的新燃煤发电厂和欧美以及其他国家现有的燃煤发电厂对未来几十年的全球二氧化碳减排任务提出了巨大的挑战[1]。

目前，为了降低来自化石燃料的二氧化碳排放，主要有三大类型的减排方法：燃烧前捕捉、燃烧后捕捉和富氧燃烧捕捉。其中，燃烧后捕捉二氧化碳技术是短期内最可行的方法。这主要是因为它对于低浓度和低分压二氧化碳的捕捉能耗变化不大[2]。运用MEA（一乙醇胺溶液）吸收装置能够捕捉电厂烟气中90%的二氧化碳，但能耗却非常高。如果应用到电厂当中，将降低电厂20-30%的电力输出，并且有较高的固定资产投入和运行维护费用[3]。因此碳捕捉技术面临着短期内大幅降低能耗的挑战。由于MEA吸收二氧化碳过程的高能耗和昂贵的建设运行费用，基于仿真模型的二氧化碳捕捉过程的设计与研究对于降低投资和能耗是十分有意义的。目前的工艺水平是应用30%质量浓度的MEA溶液来吸收烟气

1 介绍

尽管全球都渴望通过可再生能源的应用来

中的二氧化碳，许多研究学者都专注于基于此溶液的捕捉过程建模与分析来最优化过程性能，德州奥斯汀分校的研究小组就通过建立试验平台对MEA吸收二氧化碳过程的单个吸收塔和单个汽提塔进行了平衡级与非平衡级仿真模型的研究与分析[4,5,6,7,8]。一个完整的系统模型对于全面分析过程性能特性是必要的，例如当电厂负荷发生变化时，电厂与捕捉装置之间的高度热耦合作用产生的影响，以及整个捕捉装置的操作性能优化如何降低能耗损失等。本文运用Aspen Plus化工流程软件建立了完整二氧化碳捕捉系统的非平衡级模型。

2 非平衡级模型

图1所示为本文建立的基于MEA吸收二氧化碳捕捉系统非平衡级模型的流程图。吸收塔运行条件为一个大气压和40~60℃，脱硫后的烟气含有10~15%的CO2进入吸收塔，在吸收塔中与一乙醇胺水溶液逆流接触。二氧化碳通过可逆反应吸收进入一乙醇胺水溶液形成富液（相对于二氧化碳含量）。富液在进入汽提塔之前通过热交换器被提前预热。在汽提塔中，工作在1.6个大气压，热量由再沸器中以蒸汽的形式提供致使化学反应平衡逆向进行，释放出CO2。其中CO2和水蒸汽被送往压缩过程。而热的贫液从汽提塔底部流出在到达吸收塔之前被送回到热交换器进行冷却。

图1. 非平衡级模型流程图

Fig 1. Rate-based model system flowsheet

本模型采用德州奥斯汀分校的试验装置运行数据来设定进料状态和单个塔的设计参数。为了简化模型，本文假设烟气中只含N2, O2, CO2 和H2O。吸收塔中的热损失和压损都忽略不计，汽提塔中的压损也忽略不计。冷却器cooler用来确保进入吸收塔的溶液温度在40℃。热交换器用来维持进入汽提塔的温度在恒定值。混合器用来补充MEA和水以维持系统的质量守恒。泵用来增加液体的压力维持系统的正常运行。

3 模型验证

通过模型的稳态仿真结果与德州奥斯汀分校的实验室数据的对比，本文对所建立的模型进行了验证。德州奥斯汀分校的试验装置设计为闭环系统来捕捉二氧化碳，系统采用32.5%质量浓度的一乙醇胺水溶液。测试工况包含24种操作条件的48组试验运行一个月时间[9]。

本文选取液汽比较低的工况47和液汽比较高的工况32来进行稳态性能验证。在工况32中，液汽比为6.6。而在工况47中，液汽比为3.4。两个工况分别代表吸收塔中两种不同类型的试验温度曲线。吸收塔中液相的试验测量温度曲线与模型仿真结果的温度曲线对比图如图2，3所示。

图2. 工况32吸收塔液相温度曲线图 Fig 2. Case 47 Absorber Temperature Profile

图3. 工况47吸收塔液相温度曲线图 Fig 3. Case 32 Absorber Temperature Profile

从图中可以看出，非平衡级模型相对于平衡级模型能够得到更加准确的仿真结果，而且预测性能也更好，结果是令人满意的。

4 灵敏度分析

在灵敏度分析之前，本模型对试验运行的工况进行了改进。在试验运行工况中，由于设备条件的局限使用了容量较小的热交换器，这导致进入汽提塔中的液体过冷，一大部分的再沸器热负荷用来加热溶液。所以本文设计汽提塔的进出口温差为5℃，这样可以降低再沸器热负荷的3.5%。基于这个稳态模型，对整个捕捉系统的参数性能进行了研究。将两种基本的控制策略进行了对比，一种策略是通过调节回流比维持冷凝器温度不变；另一种是通过调节冷凝器负荷来维持恒定的回流比。当烟气流量在稳态值的-2%到+5%变化时，CO2的捕捉率降低，然而再沸器热负荷却由于系统MEA溶液量的增加反而上升。具体的灵敏度分析结果如图4-7所示。

图4. 二氧化碳捕捉率变化图

Fig 4. CO2 Removal Percentage in Flue Gas

图5. 再沸器负荷变化图 Fig 5. Reboiler Heat Duty in Stripper

图6. 冷凝器温度变化图

Fig 6. Condenser Temperature Change in Stripper

图7. 冷凝器负荷变化图

Fig 7. Condenser Duty Change in Stripper

灵敏度分析结果表明捕捉系统对于输入扰动的响应性能，从图5和图6明显看出设定固定的冷凝器温度比设定固定的回流比有更优的性能，而且不会引起冷凝器内温度的大幅变化，同时降低了再沸器中能耗变化范围。

5 结论

本文建立了烟气中二氧化碳捕捉系统的非

平衡级模型，通过对模型的灵敏度分析，帮助深入理解当电厂烟气流量发生扰动时对捕捉系统性能产生的影响。本文提出的改进控制策略能够优化系统性能避免循环系统的雪球效应。将来应用于实际电厂的放大模型的研究对于研究二氧化碳捕捉技术具有重要的意义。同时将稳态模型扩展到动态模型，进行联合二氧化碳捕捉的电厂协调控制系统的研究对于优化捕捉性能，降低捕捉能耗是十分重要的。

致谢

感谢美国伦斯勒理工学院的Bequette教授对文章提供的建议与帮助。同时感谢所有研究组成员的帮助。

参 考 文 献

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收稿日期：2012-07

作者简介：

王致新（1984-），性别：女，籍贯：上海，学历：在读博士，职称：研究生，研究方向：热工过程建模与控制 通信地址：南京市四牌楼2号东南大学能源与环境学院，邮编210096.

手机：15850561670 邮箱：wangzhixinseu@

MEA吸收烟气中二氧化碳过程的建模与分析

作者：作者单位：

王致新， 吕剑虹， 崔晓波

东南大学,能源与环境学院,南京市四牌楼2号 210096

本文链接：/Conference_8148872.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mn24.html