基于速率模型的胺法碳捕集系統吸收塔內傳熱傳質耦合模型

＊李東航 董文峰 楊凱翔 劉炳成

（青島科技大學 山東 266061）

1.前言

隨著全球氣候變化問題日益嚴重，減少碳排放已經成為全球共同關注的重要問題。火電廠是能源行業二氧化碳主要排放源之一。

碳捕集、利用和封存（CCUS）技術被廣泛認為是減少大氣中二氧化碳（CO2）濃度的有效途徑之一，也是目前實現化石能源低碳化利用為數不多的技術選擇[1]。煙氣碳捕集技術有化學吸收法、物理吸附法、膜分離法等。化學吸收法因其高效性和針對火電廠煙氣的適用性得到了廣泛研究和關注，國內已有許多投運或建設中的化學吸收法CCUS示范項目。

化學吸收法中，吸收塔內化學吸收是一個伴有放熱反應的熱質耦合復雜過程，多采用Aspen Plus等流程模型軟件[2-3]或中試實驗的方法對其進行傳熱傳質研究。Aspen Plus軟件中，不同計算方法的選取，導致同一工況下的傳質傳熱結果相差較大[4]，中試實驗則需要大量人力物力投入。

本文綜合考慮了氣相CO2濃度與吸收劑負載的變化和汽化潛熱、反應熱對流換熱及吸收過程的影響，搭建熱質耦合數學模型。與ASPEN結果進行比對以確定模型準確性后，對某電廠采用MEA吸收劑的吸收工藝流程進行了分析和工藝優化。

2.模型建立

(1)傳熱傳質微元模型建立

將吸收塔內填料作一維處理，分成數個微元段，微元段模型如圖1所示。為使計算結果更接近實際運行情況，傳質計算中采用速率模型而非理想平衡模型。對模型做出如下簡化與假設：①過程為絕熱過程，不與外界環境換熱。②填料塔內溶液、煙氣之間的傳熱傳質是穩態的，忽略軸向混合。③傳質與傳熱的相界面積相同。④傳熱過程中，液膜阻力忽略不計。⑤微元中氣液的物性始終與微元一側（上側或下側）的流股物性一致。⑥微元中氣相惰性氣體全部為氮氣。⑦忽略胺揮發，吸收液體積流量不變。⑧忽略氣相壓力損失。

圖1 吸收塔微元模型圖

圖1中，G為煙氣的摩爾流量，kmol/h；GB為煙氣中惰性氣體（N2）的摩爾流量，kmol/h；Ga為煙氣中CO2的摩爾流量，kmol/h；GW為煙氣中水蒸氣的摩爾流量，kmol/h；L為吸收液的摩爾流量，kmol/h；XA為吸收液負載，molCO2/molAmine；tG為氣相溫度（微元下側），℃；tL為液相溫度（微元下側），℃。

(2)模型平衡方程

①質量平衡方程。微元中傳質包括CO2的吸收和水的蒸發或水蒸氣的冷凝兩部分。氣相中CO2和H2O的變化量與液相中變化量相同，微元氣液相進口的總摩爾流量與出口氣液相總摩爾流量相等。

結合已有的傳質模型，微元質量平衡方程為：

式中，aw為填料的有效比表面積，m2/m2；A為吸收塔截面積，m2；dz為微元高度，m；P為吸收塔內絕對壓力，kPa；am為傳質系數，kmol/(m2·h·kPa)；ya為煙氣中CO2的摩爾分數；ca*為吸收液CO2飽和狀態下對應的摩爾分數，與吸收液負載、溫度相關；am為水傳質系數，m/s；pB為氣液界面溫度對應的水蒸氣飽和分壓，kPa；pv為氣相水蒸氣分壓，kPa。

②熱量平衡方程。微元中的氣液兩相之間的熱量傳遞包括對流換熱和氣化潛熱兩部分，其中氣化潛熱只對液相溫度產生影響。液相吸收CO2后會在液膜內部產生反應熱，由于氣液直接接觸時液相一側的給熱系數遠大于氣相，為簡化計算假設此部分熱量全部作用液相[5]。

結合以上分析與傳熱模型，能量平衡方程為：

式中，CpG為氣相的比熱容，kJ/(kmol·℃)；CpL為液相的比熱容，kJ/(kmol·℃)；U為傳熱系數，kJ/(m2·h·℃)；Hw為水蒸氣的潛熱，kJ/mol；Hamine為反應焓，kJ/mol(CO2)。

(3)模型計算方法

填料塔各個微元按照從下到上的計算方式進行計算，塔底第一個微元為計算開始微元。工程實際中，塔底煙氣進口參數與塔頂吸收液進口參數為已知參數，為完成計算，首先假設塔底液相參數，將所得計算結果中的塔頂吸收液參數與已知數值比對，調整假設值，最終得出計算結果。

3.模型準確性驗證

為驗證模型的準確性，現對如下工況分別用模型與ASPEN模擬軟件進行計算，并比對計算結果。

工況條件如表1 所示。A S P E N 模擬中吸收塔（ABSORBER）單元由于涉及傳質傳熱過程，采用嚴格的多級氣-液精餾操作單元RadFrac模塊。計算模型采用速率模式，選用20塊塔板進行計算，選用MELLAPAK250Y填料，相界面積、傳質傳熱系數停留時間關聯式分別選用Hanley-St10、Hanley-St10、ChiltonandColbum、Brf-92方法，流動模型設置為混合流動模型（Mixedflowmode）。

ASPEN模擬結果的捕集率為90.02%，模型計算的捕集率為93.87%。模型計算結果中氣液兩相溫度隨填料變化趨勢、吸收劑負載變化對填料高度變化趨勢與ASPEN模擬結果中，各取值點位誤差不超過5%。此部分誤差是由于模型假設塔內壓力恒定忽略壓降導致的。

4.工藝優化結果與討論

某電廠CCUS示范項目中，煙氣進吸收塔設計流量為100000Nm3/h，其中煙氣CO2體積分數約為12%，經堿洗塔降溫除塵后，進入吸收塔溫度為40℃左右。吸收塔吸收段填料高度為20m，采用MEA吸收劑，吸收劑貧液入口溫度為40℃，脫除率不低于90%。

（1）氣液比優化。氣液比是影響捕集系統的重要運行參數。不同液氣比下，氣液兩相溫度隨填料高度變化曲線如圖2所示。氣液比降低，氣液相溫度增大，這是因為傳熱量相對不變，而液相質量流量更低，導致液相溫度增高。不同液氣比下，溫度峰值所處位置相差不大。

圖2 不同液氣比下氣液兩相溫度隨填料高度變化曲線

不同液氣比下，氣相CO2濃度隨塔高變化曲線與捕集率如圖3所示。吸收塔捕集率隨氣液比增大而升高，但增幅明顯變緩，氣液比由243.9Nm3/m3增大至285Nm3/m3時，捕集率由85.51%升高至90.80%，由285Nm3/m3增大至344.82Nm3/m3時，捕集率僅由90.80%升高至92.40%。

圖3 不同氣液比下吸收性能結果

增大氣液比會增加填料有效比表面積和液相傳質系數，但由圖3a可知，氣液比過大會導致氣相CO2濃度過快降低，兩相間CO2傳質驅動力下降過快，阻礙CO2的吸收，進而導致捕集率隨氣液比增大的趨勢減緩。

系統CO2捕集量一定時，氣液比增大會使貧富液間循環負載降低，再生能耗中的顯熱會隨循環負載的降低而增大[6]，工程實際中，氣液比的優化應綜合考慮捕集率與再生能耗進行，最佳氣液比為285Nm3/m3。

（2）填料高度優化不同填料高度下，吸收塔吸收性能如圖4所示。填料高度由10m增加到20m，捕集率由73.31%升高至90.81%，而填料高度由20m增大至25m，捕集率僅由90.81%增大至93.96%。填料高度增大，氣液傳質面積隨之增大，CO2吸收量增大從而導致捕集率升高。而進一步增大填料高度，由圖4a可知，填料高度為25m時，氣相CO2在填料中段迅速降低，CO2吸收速率隨之降低，導致捕集率增速降低。

圖4 不同填料高度下吸收塔吸收性能

5.總結

本文基于速率模型建立了吸收塔內傳熱傳質耦合計算模型。相同工況條件下，將模型計算結果與Aspen Plus工藝模擬軟件計算結果進行比對，誤差控制在5%以內。基于此模型對某電廠化學吸收法CCUS示范項目中，吸收塔內吸收工藝進行了分析優化，結果如下：氣液比降低，氣液溫度增大，但氣液兩相溫度峰值出現的位置大致相同，在距離填料頂端相對高度75%處；優化結果顯示最佳氣液比為285Nm3/m3，最佳填料高度為20m；實際工程應用中，不應一味提高氣液比和填料高度增大吸收塔吸收性能，應綜合考慮再生能耗、捕集率、經濟成本進行優化。