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）

火力發電廠作為煤炭使用巨頭，從1990年到2010年20年時間，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］。

化學吸收法無疑是電廠煙氣脫碳中最實用的方法。化學吸收法是在火電廠煙道尾氣經過脫硫、除塵以及脫銷后進入吸收塔然后和吸收劑發生化學反應，化學溶劑形成富CO2的吸收液，吸收液進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吸收法經濟效益較高而且效果較好。

1 MEA捕集CO2模擬系統建立

1.1 選擇模型

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

1.2 確定模擬系統的反應方程

1）總反應方程

2）吸收塔模型建立

①各反應組分以及生成物的輸入。軟件會自動從數據庫中調用各個組分參數。②選擇物性方法。本次模擬選用的物性方法為ELECNRTL。③進入模型建立界面，建立單獨的吸收塔模型。④相關參數輸入。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參數作為物流數據輸入，以做到和實際更好的比較，保證模擬系統的實用性。⑤反應方程輸入。⑥完成上述5個步驟之后，即可進行模擬運行，模擬結果見第二節。

2 模擬結果分析

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。經過計算，當CO2體積分數為0.1256的煙氣，體積流率為14m3／min時理論需要1915.4kg／h質量分數為0.3的MEA溶液。本次模擬會輸入不同的貧液流量數值，得出不同的煙氣CO2吸收率，從而總結得出CO2吸收率隨貧液流量變化規律，經過模擬計算得出模擬結果如表2和圖2所示。

表1 貧液流量對CO2吸收率影響

從表1看出，當貧液流量從2100kg／h提高到3100kg／h時，CO2吸收率也82%增加到88%，所以適當增加貧液流量，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，導致模擬中不會出現的問題在實際應用中出現。為能夠實現較高的脫碳率、不浪費資源并且節約成本，需要確定一個合理的貧液流量值［2］。從表1看出，當貧液流量為2700kg／h時，即可滿足較高的CO2吸收率且副作用較小。

綜上所述，當實際吸收劑用量約為理論用量的1.4倍時可以實現較高的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，當貧液溫度從20℃上升到90℃時，CO2吸收率從高達90%以上的吸收率下降到83.03%，在40℃左右時依舊可以保持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與二氧化碳反應會放出熱量，上述規律符合放熱反應的反應機理［3］。

從圖2看出，隨貧液溫度的上升脫碳效率隨之下降。根據陶氏化學公司研究，當吸收液中熱穩定鹽超過一定濃度時，就會對吸收塔造成較大危害。甲酸鹽和乙酸鹽在過熱時就會開始分解，造成吸收塔的化學腐蝕，進氣溫度越高，MEA揮發量就越高，不利于節約吸收劑成本，不利于環境保護，也不利于反應進行。在實際工程當中，需要把解吸塔中再生的吸收液回流到吸收塔重復利用，而這部分再生液溫度較高，所以當要保證貧液溫度更低時，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對整個系統的脫碳效果以及節能效果更加有利。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 結論與展望

3.1 結論

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）本次設計由于收斂性不夠好，未實現再生與吸收循環，為能更加接近實際模擬情況，在未來的模擬當中會進一步努力完善此設計系統，使其能夠循環運行；2）在實際運行工況中，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習和實踐當中進一步分析［4］。