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从燃煤和燃气发电厂去除CO₂的Aspen plus模拟

摘要 ：

本文介绍了500MW燃煤燃气电厂的CO₂去除工艺。基于速率模型的参数和其他操作条件选择的Aspen Plus，实现了85%的CO₂去除。研究了吸收器压力和填充物高度对再沸器负荷的影响。随着填充物高度和吸收器压力的增加，再沸器负荷不断降低。分析了溶剂特性对CO2去除效率的影响。去除效率随着MEA浓度和温度的提高而增加。当MEA溶剂的精益负荷增加时，去除过程的效率会下降。分析了吸收器中的液体和蒸汽相温度曲线和CO₂载荷，以了解模型运行。

关键词：碳捕捉;吸收;Aspen plus;敏感性分析;再沸器负荷;去除效率

1.简介

碳捕捉和储存（CCS）被认为是稳定大气温室气体和尽量减少气体变暖效应的重要选择。二氧化碳（CO2）被认为是主要的温室气体，而化石燃料发电厂是主要的排放源[1]。因此，CO2的捕捉对于保持根据标准的排放水平是非常重要。 化石燃料发电厂的碳捕捉有三种主要选择：燃烧前CO2捕捉，燃烧前从燃料中去除碳;氧燃料的燃烧，煤用氧气燃烧，而不是CO2富集环境燃烧;燃烧后捕捉，化石燃料燃烧产生能量，燃烧后从烟气中去除CO2[2].在这些选项中，目前，燃烧后CO2通过吸收和剥离过程捕捉被认为是从化石燃料发电厂清除CO2的最可行选择[3]。

2.模型开发

燃烧后化学吸收技术的主要问题是再生装置安装成本高，能源需求大。因此，降低资金和运营成本对烟气处理过程中的去除过程具有重要意义。该模型在 Aspen Plus 中开发和实施，以优化清除过程。电解质 NRTL （ELECNRTL） 特性方法用于处理 Aspen Plus 中的化学反应系统。500 MW 燃煤和燃气发电厂的烟气流数据是从文献中摘录[1， 4]。实现的过程流程图在图 1 中给出。

图1.流程图

在化学吸收中，烟气 （FLUE GAS） 进入底部的吸收器，而溶剂 （溶剂） 进入顶部。当流经柱（填充床）时，反应在MEA和CO2之间开始。未反应的气体将留在柱顶部（PURGE GAS），而 CO2 富溶剂排放在柱的底部（RICH OUT）。富溶剂通过热交换器来增加温度，然后再将其发送到汽提段。加热的富含MEA的流股 （RICH IN） 然后去汽提器顶部。在汽提塔中，蒸汽用于再生过程。最后，分离的酸性气体将留在汽提器的顶部（PURE CO2）。然后，精益 MEA 离开系统底部的汽提器（LEAN OUT） 并通过热交换器。MEA 和水被添加到精益 MEA 流 （MAKE UP） 中，以平衡组分，然后再回收回吸收单元。

该流程图模拟了燃煤和燃气发电厂的烟气中85%的CO2，并随汽提器中馏分率的变化而变化。进气和溶剂流以40摄氏度提供，吸收器在 1bar绝对压力下工作。丰富的溶剂流加热至115摄氏度，在将其发送到汽提器部分以实现最佳性能，并且剥离器在2bar绝对压力下工作之前。表 1 给出了入口烟道气流数据。

表 1.进气处的烟气成分和参数 [1， 4]

参数	燃煤	气体燃烧
流速 [tones/hr]	2424	2861
温度 [℃]	40	40
压力 [bar]	1.1	1.1
组成	摩尔百分比	摩尔百分比
H2O	8.18	8.00
N2	72.86	76.00
CO2	13.58	4.00
O2	3.54	12.00
H2S	0.05	0.00

2.1化学反应本节将介绍MEA CO2系统中发生的主要化学反应。吸收/分离部分需要严格的热力学模型[5]才能找到系统中的平衡组合物。当CO2被吸收到水溶液中[6]时，发生以下化学反应（公式1-7）。

水解反应：

溶解二氧化碳的分离：

碳酸氢盐的分离：

质子MEA的分离：

水的电解：

除了这些主要反应外，当烟气系统中存在硫化合物（燃煤烟气）时，还有两种反应发生两种反应。

硫化氢：

双硫化氢：

2.2平衡数据

液体和蒸汽相中每个组分的摩尔分数是通过上述方程求解计算的。平衡常数使用以下速率方程（方程 8）计算。

从Freguia[7]导入的平衡常量数据被考虑用于数学模型开发，并列在表2的表格中。

表2.平衡常数方程的常量值 [7]

参数	反应1	反应2	反应3	反应4	反应5	反应6	反应7
	-0.52	231.46	216.05	-3.038	132.89	214.58	-9.74
	-2545.53	-12092.1	-12431.7	-7008.3	-13445.9	-12995.4	-8585.47
	0	-36.78	-35.48	0	-22.47	-33.55	0
	0	0	0	-0.00313	0	0	0

2.3.速率动力学数据

速率动力学数据对于了解反应体系非常重要。平衡反应1和2被速率模型方程9和10和逆反应11和12替换。

用于数学计算的动力学方程在 Aspen Plus 中定义，在公式 （13） 中给出，表 3 中的常量值。

表 3：速率常数的值

参数	反应9		反应10		反应 11	反应 12
·	4.32e-13		9.77e-10		2.38e-17	2.7963e-20
·	0		0		0	0
（cal/mol）	13249		9855.80		29450.89	17229.79
（K）	298		298		298	298

3.模拟

本文的主要思想是开发一种模型，通过灵敏度分析帮助优化过程。最初，开发开环过程流程图以优化参数，最后用闭环系统优化参数对工艺流进行修正。开放循环模型应用于参数优化。一旦流程图关闭，模型将由于再循环流而无法用于参数优化。该程序模型以单个材料平衡关闭。因此，一个参数的更改会导致工艺中物料平衡的变化。

3.1.溶剂特性对去除效率的影响

进行灵敏度分析，以检查捕获装置的溶剂性质性能的去除效率。作为最重要的因素，需要考虑分析溶剂强度、精益负荷和溶剂温度。根据这些因素的变化，分别对图2-4中的去除效率进行了研究和给出图表。

图2.CO2 去除效率随 MEA 浓度而变化

图3.CO2 去除效率变化与精益装载

图4。CO2去除效率随溶剂温度而变化

如图 2 和图 4 所示，随着 MEA 强度和溶剂温度的升高，CO 2 去除的效率也会提高。 当 MEA的浓度在 22-25% ，温度在40-45摄氏度附近时，可实现最高效率。当 MEA 溶剂的精益负载增加时，去除过程的效率就会降低（图 3）。燃气和燃煤烟气系统在这三种情况下都遵循类似的模式。然而，燃煤烟气模型的值略高于燃气模型。

3.2.参数对再沸器负荷的影响

燃烧后捕获的主要问题是再生装置对能量的高需求，即剥离柱中的重载。因此，参数对再沸器负荷的影响在优化中具有重要意义。研究了吸收压力和吸收器填充高度对再沸器负荷的影响，以优化能量需求。图5和图6分别代表吸收器压力和填充高度不同时的再沸器负荷变化。随着吸收压力和填充高度的增加，再沸器负荷降低。燃气烟气系统与燃煤系统相比，具有更高的再沸器负荷。原因是，与燃煤烟气相比，燃气烟气的二氧化碳含量较少。因此，要达到模型中定义的相同效率，与燃煤系统相比，需要处理更多的烟气燃气。

图5。使用吸收器压力的再沸器负荷变化图 6。具有吸收器封装高度的再沸器负荷变化

3.3.闭环捕获模型的模拟配置文件

使用闭环系统的优化参数实现流程图。模拟后，对煤与气应用的模型进行了温度剖面、CO2浓度剖面和载荷分析，以了解模型行为。图7表示煤和燃气燃烧系统吸收器中的液体和蒸汽相温度曲线。根据图7，燃煤烟气模型沿柱的温度范围较高。煤用烟气的CO2比燃气系统多。因此，在燃煤模型的吸收柱中，反应较多。因此，吸收装置的液体和蒸汽相温度在增加，气体燃烧系统温度曲线的最大值更高。液体和蒸汽相的温度曲线在燃气系统中重叠，燃煤工艺略有偏差。同样，图 8 表示吸收器中的液相 CO2 负载。 Co2 加载在两种情况下的列上都呈双重增加。

图7。吸收器中的液体和蒸汽相温度曲线

图8。吸收器中的CO2

4.讨论和结论

去除过程的效率在很大程度上取决于溶剂浓度、精益负荷和溶剂温度等溶剂特性。去除效率与溶剂浓度和温度成正比，而精益载荷对去除效率有反比作用。这是因为胺浓度的增加会导致捕获能力的增加。随着精益负荷的增加，二氧化碳吸收溶剂的容量降低，CO2去除效率下降。随着溶剂温度的升高，吸收的推动力减小。然而，反应速率和扩散率随着溶剂温度的升高而增加。因此，CO2去除效率随着溶剂温度的升高而增加。

再沸器负荷是吸收压力和吸收器填充高度的功能，当两个因素增加时，再沸器负荷降低。 原因是随着吸收器填充高度的增加，他实现了负载增加。同样，由于 CO 2 部分压力较高，再沸器负荷随吸收器压力的增加而降低

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