陆诗建，孟晓锋，高丽娟，张会明，曲宏伟，赵东亚，朱全民

(1.中石化节能环保工程科技有限公司，山东 东营 257026；2.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；3.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司纯梁采油厂，山东 滨州 256504；4.冰轮环境技术股份有限公司，山东 烟台 264000)

燃煤电厂烟道气中CO2的分离与回收，目前广泛采用的捕集方法是化学吸收法[1-3]。该法是利用CO2与有机胺发生可逆的化学反应，吸收与解吸交替进行，从而实现二氧化碳从烟气中的分离[4-6]。有机胺捕集CO2的流程如图1所示。

图1 有机胺捕集CO2流程

有机胺吸收法具有吸收速率高、溶剂易于制备，效果明显，工艺成熟，在国内外二氧化碳捕集工程中已获得了应用，建设了多个示范工程[7-10]。但该法也存在吸收剂能耗高、运行成本高的问题。

为解决能耗高的问题，一是开发低能耗吸收剂，二是研发各类节能工艺，充分回收利用捕集系统内废热，实现再生能耗的降低[11-12]。目前国内外开发了高效率换热器、MVR热泵、吸收式热泵技术等节能工艺，降低能耗效果在20%以内[13-15]。其中利用热泵技术回收捕集废热获得了学者关注，成为研究热点。热泵是消耗少量驱动能源，将低品位热源的热能变为高品位热源的装置。压缩式热泵是通过电动机等动力机械来驱动压缩机做功，使工质在热泵中循环流动并发生相变，利用压缩机做功与相变热来达到制热的目的。本文在常规有机胺吸收法的基础上，采用压缩式热泵回收解吸塔顶气体热量，研究探讨最佳节能指标和工况参数。

1 基础参数与捕集系统模型

燃煤电厂烟气组分比较复杂，主要包括水蒸气、CO2、硫化物、NOx以及固体颗粒等，本文主要模拟吸收-再生过程，故进入捕集流程中的烟气是经过水洗塔脱硫脱硝后以及静电除尘等处理的烟气，主要成分为CO2、H2O、O2和N2。其具体参数如表1、表2所示。

表1 燃煤电厂烟气组分参数

表2 贫液吸收剂参数

结合燃煤电厂烟气参数，确定各单元模块参数，以此来进行有机胺法捕集CO2流程吸收-再生过程模拟，各单元模块参数见表3。

表3 捕集系统单元模块参数

根据以上参数设置及单元模块选取，利用ASPEN PLUS软件进行了常规有机胺法捕集CO2工艺流程进行了模型的建立，如图2所示。

图2 常规有机胺法捕集CO2工艺流程模型

2 压缩式热泵捕集CO2工艺流程模拟分析

基于压缩式热泵的胺法捕集CO2工艺流程的建立主要是利用压缩式热泵来回收解吸塔塔顶气体中水蒸汽的潜热和显热，CO2的显热，然后将回收的这部分热量用于提高富液温度。解吸塔中主要进行的CO2的再生，MEA溶液与CO2反应为可逆反应，富液在解吸塔中吸热释放CO2，从而实现CO2的再生。潜热与显热公式如式(1)、(2)所示。

Q港=m·ΔH

(1)

Q显=cp·Δt

(2)

式中，m为物质的质量，kg；ΔH为物质的蒸发焓(汽化热)，kJ/kg；cp为物质的比热，kJ/(kg·℃)

压缩式热泵主要部件包括：蒸发器、冷凝器、节流阀和压缩机，具体模块选取及参数设定如表4所示。

表4 设备参数

制冷剂参数：制冷剂流量M=100 t/h。

根据以上参数设置及前文单元模块选取，利用ASPEN PLUS软件进行了基于压缩式热泵的胺法捕集CO2工艺流程进行了模型的建立，如图3所示。

图3 基于压缩式热泵的胺法捕集CO2流程模型

3 系统再生能耗分析

该模型主要研究的是富液进解吸塔温度、解吸塔塔底压力对系统再生能耗及再沸器负荷、贫富液换热器负荷的影响，具体参数变化范围如表5所示。

表5 系统再生能耗的影响因素数据

将压缩式热泵系统添加到常规有机胺捕集CO2流程中，可以得到如图3所示的捕集系统模型，对该流程进行分析可以得到结果如表6所示。

表6 关键物流参数

经模拟计算，常规有机胺捕集CO2流程的系统再生能耗为4.306 GJ/tCO2；本文将压缩式热泵引入到常规有机胺捕集CO2流程流程中系统再生能耗为3.651 GJ/tCO2，降低系统再生能耗15.21%。对影响系统再生能耗的影响因素进行具体的分析：

3.1 解吸塔塔底压力

将压缩式热泵应用到捕集流程中，虽很好的实现了将解吸塔塔顶气体中的余热回收再利用，但为保证90%的捕集率，99%的纯度，常规有机胺法捕集CO2流程中的解吸塔塔底压力已不能满足要求，需相应提高解吸塔塔底压力，本文研究解吸塔塔底压力在130～180 kPa时，解吸塔塔底压力对系统再生能耗的影响。

图4为不同解吸塔塔底压力条件下解吸塔塔板处温度曲线，从图中可以看出，在解吸塔塔底压力在130～180 kPa变化时塔板处温度均小于125℃(温度高于125℃时MEA吸收剂会发生热降解)，且随着解吸塔塔板数不断增加，塔板处的温度也不断升高，这主要是因为塔板数越高越靠近再沸器，加热后的蒸汽再次返回解吸塔中有利于解吸反应的进行，液体由塔底排出。

图4 解吸塔内塔板温度随塔板数变化曲线

图5 解吸塔塔底压力对各参数影响变化曲线

Fig.5 The variation curve of desorption tower bottom pressure on various parameters

图5为解吸塔塔底压力对各参数影响变化曲线，从图5(a)中可以看出，随着解吸塔塔底压力的增大，贫液CO2负载率呈上升趋势；由图5(b)可知，随着解吸塔塔底压力的升高，系统再生能耗呈不断下降的趋势，且下降趋势逐渐减缓，造成这种现象的原因是当贫液CO2负载率较大时，解吸塔底再沸器所提供的热量主要用来加热大量的循环工质，富液的再生度较低，故系统再生能耗值较小。当解吸塔塔底压力为140 kPa时出现拐点，此后系统再生能耗降低速度逐渐减缓，虽然当解吸塔塔底压力为180 kPa时，系统再生能耗最低，但是解吸塔压力并不是越大越好，一方面解吸塔塔底压力的提升需要增加设备的承压能力，另一方面随着解吸塔温度和压力的升高，溶剂的降解速率也会增加，吸收液会大量损耗，同时也会会加剧腐蚀现象的发生，造成设备投资增加，因此再生塔塔底压力选择为140 kPa，此时系统再生能耗为3.664 GJ/tCO2，再生能耗降低12.85%，即再生能耗可从原有4.204 GJ/tCO2降至3.664 GJ/tCO2，对每吨CO2节能值为0.54 GJ。

3.2 富液进解吸塔温度

图6 富液进解吸塔温度对各参数影响变化曲线

Fig.6 The variation curves of the temperature of the entry desorption tower with rich liquid influencing on various parameters

图6为富液进解吸塔温度对各参数影响变化曲线，从图6(a)中可以看出，随着进解吸塔富液温度的升高系统再生能耗呈下降趋势，这主要是因为随着富液进塔温度的升高，解吸塔内温度逐渐升高(如图6(c)所示)，更有利于解吸反应的进行，贫液负载逐渐减小(如图6(b)所示)，故随着进解吸塔富液温度的升高，所需再沸器提供的能耗逐渐减少(如图6(a)所示)。由于本次模拟事先对CO2捕集率做了规定，在烟气流量不变的情况下，捕集到的CO2流量基本变化不大，故系统再生能耗与再沸器负荷随解吸塔塔顶压力变化基本趋势一致。当进塔温度为120℃时，系统再生能耗最低，为3.651 GJ/tCO2，再生能耗降低13.15%，即再生能耗可从原有4.204GJ/tCO2降至3.651GJ/tCO2，对每吨CO2节能值为0.553GJ，此为理论模拟计算值，实际能耗降低值以运行数据为准。

4 结论

本文介绍了压缩式热泵节能技术以及基于压缩式热泵技术的有机胺法捕集CO2工艺流程，并利用ASPEN PLUS软件进行了模拟优化，得到以下结论：

(1)在基于压缩式热泵技术的有机胺法捕集CO2流程模拟分析中，通过改变解吸塔塔底压力、进解吸塔富液温度等参数来降低系统再生能耗。

(2)随着进解吸塔富液温度的升高，解吸反应进行的越彻底，系统再生能耗、再沸器负荷与贫液CO2负载均呈逐渐降低趋势，但进解吸塔富液温度越高，解吸塔每层塔板处温度越高，当进塔温度为120℃时，系统再生能耗最低，为3.664 GJ/tCO2。

(3)随着解吸塔塔底压力的升高，系统再生能耗与再沸器负荷均呈逐渐降低趋势，贫液CO2负载呈上升趋势，为减少吸收液损耗及投资成本当解吸塔压力为140 kPa时最合适，此时系统再生能耗值为3.651 GJ/tCO2，降低系统再生能耗13.15%。