耦合膜冷凝器的碳捕集系統(tǒng)能耗特性分析

翟融融，魏清，馮凌杰，孫舸洵

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102206）

0 引言

溫室氣體排放引起的全球氣候變化是21世紀(jì)人類面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境問題。截至2021年，全球溫室氣體總排放量達(dá)408億t CO2當(dāng)量，其中能源燃燒和工業(yè)加工排放的CO2占能源領(lǐng)域溫室氣體排放量的近89%，煤炭燃燒排放的CO2占全球CO2排放總體增長的40%以上[1]。為了適應(yīng)環(huán)保要求的變化，燃煤電廠通常采用化學(xué)吸收法脫除CO2。基于乙醇胺(monoethanolamine，MEA)的CO2吸收是目前較為成熟的燃燒后碳捕集技術(shù)之一，然而該捕集方式需要外部熱源提供熱量以滿足MEA 再生，導(dǎo)致輸出功率降低、發(fā)電成本上升。典型的情況是，發(fā)電廠捕獲90%的CO2，會(huì)減少大約30%的產(chǎn)出[2]。同時(shí)，火電廠運(yùn)行過程中需要消耗大量的循環(huán)水，用于低溫?zé)嵩吹睦鋮s，系統(tǒng)的水消耗量也會(huì)增加。

目前針對(duì)CO2捕集以及與電廠集成的研究主要集中在降低系統(tǒng)整體能耗方面，包括開發(fā)新型吸收劑[3-5]、優(yōu)化工藝流程[6-10]等。近年來出現(xiàn)的膜技術(shù)給碳捕集節(jié)能提供了新思路。膜冷凝器與傳統(tǒng)換熱器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：膜冷凝器中傳質(zhì)和傳熱都可以發(fā)生，而傳統(tǒng)換熱器中僅發(fā)生傳熱；傳統(tǒng)換熱器通常用于高品位熱回收，有一定的溫度要求和材料約束，但是膜冷凝器不受限制；膜冷凝器具有極高的接觸面積，結(jié)構(gòu)緊湊，更適合用于工程改造。

對(duì)于燃煤電站，一般煙氣溫度在130 ℃以下，煙氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為10%~16%，具有相當(dāng)大的潛熱。已有的膜工藝主要基于在進(jìn)料側(cè)使用疏水性多孔膜[11-12]或在滲透側(cè)使用親水性納米多孔膜，可從50~90 ℃的煙氣中回收20%~60%的熱量和30%~80%的水[13]。文獻(xiàn)[14-17]在實(shí)驗(yàn)室條件下用膜冷凝器從電站煙氣流中回收水和熱，研究了操作參數(shù)對(duì)膜傳質(zhì)和傳熱過程性能的影響。除了測試膜元件的煙氣水熱回收性能，研究人員還將膜冷凝器和碳捕集系統(tǒng)耦合，以降低捕集能耗。Feron 等[18]提出了一種新型膜輔助液體吸收再生(membrane assisted liquid absorption and regeneration，MALAR)工藝，該系統(tǒng)有2 個(gè)氣液膜接觸器：在解吸塔頂部的膜冷凝器和在解吸塔底部的膜蒸發(fā)器。將MALAR 概念與改進(jìn)的液體吸附劑結(jié)合使用，可將再生能耗降低50%。Yan等[19]進(jìn)一步研究膜冷凝器用于回收解吸塔排出蒸汽潛熱的節(jié)能潛力，結(jié)果表明，熱回收量隨進(jìn)氣溫度的升高和出口溫度的降低而顯著增加。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，眾多學(xué)者單獨(dú)研究了膜元件的煙氣水熱回收性能，或者膜技術(shù)用于碳捕集系統(tǒng)的潛力，然而將膜冷凝器與碳捕集系統(tǒng)耦合后回收煙氣水熱的研究鮮見報(bào)道。本文基于膜冷凝器對(duì)煙氣中低品位熱的回收潛力，提出了一種將膜冷凝器與碳捕集系統(tǒng)耦合的新系統(tǒng)。這種方案的創(chuàng)新性在于：膜冷凝器能夠?qū)⒁徊糠譄煔馑疅岵都较到y(tǒng)內(nèi)，避免其從吸收塔頂流出而耗散掉，有利于減小系統(tǒng)的能耗。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 Tarong CO2捕集工廠參考案例

選擇典型的Tarong CO2捕集中試工廠常規(guī)工藝作為研究案例。建造在澳大利亞的Tarong 中試工廠處理來自電廠的煙氣流，以約100 kg/h 的速度捕獲CO2，其流程圖如圖1所示。該案例通用性良好，適用于各類工藝流程改造[20]。

Tarong CO2捕集中試工廠常規(guī)工藝流程中，醇胺溶液(S6)與煙氣(S1)中的CO2在吸收塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫除掉煙氣中的CO2，凈化氣(S2)由塔頂排空。富醇胺溶液(S3)經(jīng)貧富液換熱器進(jìn)入解吸塔，與塔底再沸器產(chǎn)生的蒸氣接觸，經(jīng)加熱使CO2從富液中解吸出來，在塔頂經(jīng)冷凝器將水蒸氣回流后，得到純度較高的CO2(S9)，送到多級(jí)壓縮裝置中被壓縮液化。富液再生后成為貧液(S5)，此時(shí)貧液溫度較高，在貧液泵的作用下與吸收塔底的富液(S3)經(jīng)熱交換后再經(jīng)冷卻器使溫度降至吸收溫度，然后被送至吸收塔頂循環(huán)吸收。

1.2 膜冷凝器與Tarong碳捕集系統(tǒng)耦合的新系統(tǒng)

為了降低碳捕集系統(tǒng)的能耗水平，提出了一種將膜冷凝器與Tarong 碳捕集系統(tǒng)耦合的新系統(tǒng)，如圖2 所示。這個(gè)系統(tǒng)中，煙氣在經(jīng)過膜冷凝器時(shí)一部分水蒸氣冷凝滲透到富液側(cè)，同時(shí)熱量也從高溫的煙氣側(cè)傳遞到富液側(cè)。它相比常規(guī)碳捕集工藝的優(yōu)勢在于：在常規(guī)碳捕集工藝中，煙氣的水熱從吸收塔塔頂大量流出被浪費(fèi)，而工藝改造后，膜冷凝器將一部分煙氣水熱回收到系統(tǒng)內(nèi)，減小了能量的損失。此外，吸收塔在接收高溫?zé)煔鈺r(shí)，底部吸收的推動(dòng)力降低，吸收劑循環(huán)流量增加，再生能耗會(huì)增大，而改造過的系統(tǒng)在接受高溫的電廠排煙(S10)后，膜冷凝器發(fā)揮冷卻作用，使吸收塔入口煙氣(S1)保持較低溫度，降低了系統(tǒng)的再生能耗。

圖2 膜冷凝器回收煙氣水熱改造方案Fig. 2 Water and heat recovery of flue gas by membrane condenser

2 系統(tǒng)建模

2.1 模擬的假設(shè)條件

為了使模擬更直接有效，在模擬過程中，除了對(duì)煙氣進(jìn)行了設(shè)定外，還對(duì)膜冷凝器做出接近實(shí)際情況的假設(shè)：1）膜冷凝器和貧富液熱交換器沒有散熱損失；2）冷凝系統(tǒng)中的膜完全阻礙CO2，即沒有任何CO2跨膜轉(zhuǎn)移，因?yàn)槿軇┮呀?jīng)負(fù)載了CO2，即使有少量的CO2跨膜轉(zhuǎn)移，對(duì)冷凝系統(tǒng)工藝性能的影響也不顯著；3）沿膜式冷凝器的流體為逆流流動(dòng)；4）水蒸氣冷凝放出的潛熱能夠迅速被富液吸收。

2.2 膜組件的物理和數(shù)學(xué)模型

本文計(jì)算參考的微米孔徑膜結(jié)構(gòu)如圖3所示，長80 cm，內(nèi)、外徑分別為8 mm 和12 mm。膜組件進(jìn)口內(nèi)直徑14 mm，組件內(nèi)徑41.7 mm。

圖3 組件的物理模型Fig. 3 Physical model of the component

計(jì)算使用的公式源于文獻(xiàn)[21]，經(jīng)驗(yàn)證，公式計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值誤差在10%以內(nèi)，可以用于計(jì)算水蒸氣的傳熱傳質(zhì)過程。

膜外、內(nèi)壁平均溫度分別表示為：

式中：T1為膜外壁平均溫度，℃；T2為膜內(nèi)壁平均溫度，℃；Tf為進(jìn)氣溫度，℃；Tp為富液溫度，℃。

其中a、b、c分別表示為：

式中：r1為膜管內(nèi)半徑，m；r2為膜管外半徑，m；hf為煙氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；hp為液體側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；Hv,f為煙氣焓，kJ/kg；J為滲透通量，kg/(m2?s)；λm為膜的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?℃)。

膜外表面熱流量表示為

式中l(wèi)為膜管長度，m。

式(1)—(6)中需要的部分參數(shù)由Aspen plus 軟件計(jì)算得出，先計(jì)算出單管的熱流量，再求出所需總膜管數(shù)量和富液分流(S11)流量，計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 計(jì)算流程圖Fig. 4 Calculation flow chart

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)系統(tǒng)模擬

為了研究碳捕集系統(tǒng)，使用Aspen plus 模擬軟件參照Tarong CO2捕集中試工廠建立了模型。模型使用的數(shù)據(jù)源自文獻(xiàn)[20]，表1為Tarong CO2捕集中試工廠2011 年5 月18 日吸收解吸試驗(yàn)條件。進(jìn)入吸收塔的煙氣組成為：體積分?jǐn)?shù)77.4%的N2、11.1%的CO2、6%的O2和5.5%的H2O，溫度61.8 ℃。

表1 CO2吸收解吸試驗(yàn)條件Tab. 1 Conditions of CO2 absorption and desorption test

通過將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[22]模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)所建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證，表2為文獻(xiàn)[22]Tarong 常規(guī)碳捕集系統(tǒng)的模擬結(jié)果與本文模擬結(jié)果的相對(duì)誤差：富液CO2負(fù)荷2.97%，CO2吸收速率3.44%，再沸器溫度2.8%，CO2體積分?jǐn)?shù)0.4%，再生能耗3.92%。由表2可見，本文所建模型準(zhǔn)確度高，結(jié)果可信，可用于后續(xù)模擬研究中。

表2 Tarong CO2捕集中試工廠常規(guī)流程模擬結(jié)果比較Tab. 2 Comparison of simulation results of Tarong CO2 capture pilot plant conventional process

3.2 改進(jìn)后系統(tǒng)的模擬結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)模擬是在膜冷凝器入口煙氣(S10)流量和成分與表1 相同、溫度78 ℃、煙氣水回收率40%、進(jìn)入吸收塔的煙氣(S1)溫度61.8 ℃，且保證CO2捕獲率90%的前提下進(jìn)行的。將其結(jié)果和Tarong 常規(guī)碳捕集系統(tǒng)在相同條件下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3 所示。其中，冷卻負(fù)荷是貧液進(jìn)入吸收塔之前流經(jīng)冷卻器和多級(jí)壓縮冷卻器的冷負(fù)荷之和，冷凝負(fù)荷是解吸塔頂部冷凝器的冷負(fù)荷。

表3 Tarong常規(guī)碳捕集系統(tǒng)和新系統(tǒng)模擬結(jié)果比較Tab. 3 Comparison of simulation results between Tarong conventional carbon capture system and the new system

由表3 可見，添加了膜冷凝器的新系統(tǒng)相比于Tarong 常規(guī)碳捕集系統(tǒng)，在接收更高溫度的煙氣后，回收了煙氣里的水和熱量，最終吸收塔進(jìn)口煙氣溫度不變，煙氣中水蒸氣流量減小，其他成分流量不變。再生能耗從4.341 MJ/kg CO2降低到4.275 MJ/kg CO2，冷卻負(fù)荷從2.243 MJ/kg CO2升高到2.329 MJ/kg CO2，冷凝負(fù)荷從0.335 MJ/kg CO2降低到0.333 MJ/kg CO2。

3.3 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)改進(jìn)后系統(tǒng)的影響

為探究改變膜冷凝器從煙氣中回收的水和熱量對(duì)新系統(tǒng)的影響，在經(jīng)過膜冷凝器最終進(jìn)入吸收塔的煙氣(S1)溫度恒定為61.8 ℃，且保證CO2捕獲率90%的前提下進(jìn)行模擬。常規(guī)系統(tǒng)再生能耗取Tarong 常規(guī)碳捕集系統(tǒng)CO2捕獲率為90%，入口煙氣(S1)溫度為61.8 ℃，流量和成分與表1 所示參數(shù)相同時(shí)的再生能耗。

3.3.1 膜冷凝器入口煙溫對(duì)系統(tǒng)的影響

圖5為在煙氣水回收率60%，膜冷凝器出口煙溫61.8 ℃，CO2捕集率90%的條件下，再生能耗隨膜冷凝器入口煙溫的變化情況，當(dāng)入口煙溫從70 ℃增加到95 ℃時(shí)，再生能耗從4.247 MJ/kg CO2降低到4.236 MJ/kg CO2，再生能耗隨熱回收量的增大而減小，這是因?yàn)槿肟跓煖厣撸だ淠鲀?nèi)的傳熱溫差增加，傳熱量增加，這使得膜冷凝器出口的富液溫度升高，富液在進(jìn)入解吸塔時(shí)溫度也升高，將其加熱到解吸溫度消耗的再生能耗變小。

圖5 膜冷凝器入口煙溫對(duì)再生能耗的影響Fig. 5 Effect of inlet flue gas temperature of membrane condenser on regenerative energy consumption

圖6為在煙氣水回收率60%，膜冷凝器出口煙溫61.8 ℃，CO2捕集率90%的條件下冷負(fù)荷隨膜冷凝器入口煙溫的變化情況，當(dāng)入口煙溫從70 ℃增加到95 ℃時(shí)，冷卻負(fù)荷從2.273 MJ/kg CO2增加到2.433 MJ/kg CO2，冷凝負(fù)荷從0.331 MJ/kg CO2增加到0.333 MJ/kg CO2，這說明冷卻負(fù)荷和冷凝負(fù)荷都隨著熱回收量的增大而增大。冷卻負(fù)荷增大是因?yàn)闊峄厥樟吭龃蠛螅M(jìn)入換熱器的富液溫度升高，導(dǎo)致貧富液換熱器換熱效果變?nèi)酰瑩Q熱器熱流出口溫度升高。該流股后續(xù)需要冷卻到指定的溫度再進(jìn)入吸收塔，所以流股溫度升高導(dǎo)致冷卻負(fù)荷增加。冷凝負(fù)荷增大是因?yàn)闊峄厥樟吭龃蠛螅M(jìn)入換熱器的富液溫度升高，流出換熱器、流進(jìn)解吸塔的富液溫度也升高，塔頂流出的含濕CO2溫度升高，減溫至指定溫度所需的冷凝負(fù)荷增大。

圖6 膜冷凝器入口煙溫對(duì)冷負(fù)荷的影響Fig. 6 Effect of inlet flue gas temperature of membrane condenser on cooling load

3.3.2 煙氣水回收率對(duì)系統(tǒng)的影響

圖7為在膜冷凝器入口煙溫78 ℃，出口煙溫61.8 ℃，CO2捕集率90%的條件下，再生能耗隨煙氣水回收率的變化情況，當(dāng)水回收率從0 增加到100%時(shí)，再生能耗從4.331 MJ/kg CO2降低到4.184 MJ/kg CO2，再生能耗隨水回收率的增大而減小。這是因?yàn)槲账?nèi)氣液兩相的傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)都需要一定時(shí)間才能完成，煙氣水回收率增大導(dǎo)致氣液流量比減小，氣液兩相在填料單元內(nèi)停留的時(shí)間增加，反應(yīng)更充分。這使得單位質(zhì)量的循環(huán)工質(zhì)能夠吸收CO2的量增多，所需循環(huán)工質(zhì)的流量減小，解吸塔內(nèi)解吸過程消耗的再生能耗就變小。

圖7 煙氣水回收率對(duì)再生能耗的影響Fig. 7 Effect of water recovery rate of flue gas on regenerative energy consumption

圖8為在膜冷凝器入口煙溫78 ℃，出口煙溫61.8 ℃，CO2捕集率90%的條件下，冷負(fù)荷隨煙氣水回收率的變化情況，當(dāng)水回收率從0 增加到100%時(shí)，冷卻負(fù)荷從2.348 MJ/kg CO2降低到2.305 MJ/kg CO2，冷凝負(fù)荷從0.336 MJ/kg CO2降低到0.329 MJ/kg CO2，冷卻負(fù)荷和冷凝負(fù)荷都隨著水回收率的增大而減小。冷卻負(fù)荷減小是因?yàn)樗厥章侍嵘螅h(huán)所需的溶液流量變小，冷卻器將循環(huán)工質(zhì)冷卻到指定溫度所需的冷卻水量減小。冷凝負(fù)荷減小一方面是因?yàn)樗厥章侍嵘螅账隹诘母灰簻囟冉档停?jīng)過換熱器進(jìn)入解吸塔的富液溫度降低，塔頂流出的含濕CO2溫度也降低；另一方面是因?yàn)樗厥章试龃蠛笏璧难h(huán)溶液流量變小，解吸塔頂流出的含濕CO2中攜帶的水分變少。

圖8 煙氣水回收率對(duì)冷負(fù)荷的影響Fig. 8 Effect of water recovery rate of flue gas on cooling load

4 結(jié)論

提出了一種新型的碳捕集系統(tǒng)，該系統(tǒng)將膜冷凝器和碳捕集系統(tǒng)耦合起來。在這個(gè)系統(tǒng)中，煙氣的水熱被膜冷凝器回收到系統(tǒng)內(nèi)，而不是從吸收塔頂流出而耗散掉，減小了系統(tǒng)的再生能耗。研究中使用模擬軟件Aspen 搭建了對(duì)再生過程有較好預(yù)測效果的常規(guī)碳捕集模型，在此基礎(chǔ)上將膜冷凝器和碳捕集系統(tǒng)耦合，探究改變關(guān)鍵參數(shù)對(duì)新系統(tǒng)的影響，結(jié)論如下：

1）耦合膜冷凝器的碳捕集系統(tǒng)相比常規(guī)碳捕集系統(tǒng)再生能耗更低。在一定條件下，相比常規(guī)碳捕集系統(tǒng)4.341 MJ/kg CO2的再生能耗，耦合膜冷凝器的新碳捕集系統(tǒng)再生能耗降低到4.275 MJ/kg CO2。

2）在膜冷凝器入口煙溫78 ℃，出口煙溫61.8 ℃，CO2捕集率90%的條件下，再生能耗隨水回收率的增大而減小。

3）在膜冷凝器出口煙溫61.8 ℃，煙氣水回收率60%，CO2捕集率90%的條件下，再生能耗隨熱回收量的增大而減小。

4）冷卻負(fù)荷和冷凝負(fù)荷都隨著水回收率的增大而減小，隨著熱回收量的增大而增大。