吸收法烟气二氧化碳捕集系统的工艺优化研究

曹文浩 ,  周明宇 ,  周军 ,  邹鹏飞 ,  王治红 ,  向腾龙

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (3) : 249 -253.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (3) : 249-253. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.03.044
工业技术

吸收法烟气二氧化碳捕集系统的工艺优化研究

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Study on process optimization of absorption-route flue gas carbon dioxide capture system

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摘要

为了减小化学吸收法烟气CO2捕集系统的能耗,分析了影响CO2捕集过程的关键因素,获得了吸收塔内温度和CO2分布特征、CO2捕集过程的能耗重点单位。然后对吸收塔中间冷却、半贫液分流、热泵等节能技术进行了研究和对比,其中半贫液分流和热泵节能技术的节能效果较显著。在此基础,探索了不同节能技术的集成与耦合,与典型化学吸收法CO2捕集工艺相比,半贫液分流与直接热泵技术、间接热泵技术集成后碳捕集工艺的单位能耗分别下降了23.94%和41.79%。半贫液分流与间接热泵技术集成后CO2捕集工艺的节能效果最好。

Abstract

In order to reduce the energy consumption of the flue gas CO2 capture system using chemical absorption method,the key factors affecting the CO2 capture process are analyzed.The characteristics of temperature and CO2 distribution in the absorption tower,and the key energy consumption units in the CO2 capture process are obtained.Then energy-saving technologies such as absorption tower intermediate cooling,semi-poor liquid diversion and heat pump are studied and compared,among which semi-poor liquid diversion and heat pump energy-saving technologies present more significant energy-saving effects.On this basis,the integration and coupling between different energy-saving technologies are explored.Compared with the typical chemical absorption CO2 capture process,the carbon capture process integrated with semi-poor liquid diversion and direct heat pump technologies reduces the energy consumption by 23.94%,and the carbon capture process integrated with semi-poor liquid diversion and indirect heat pump technologies reduces 41.79%.The energy saving effect of the CO2 capture process with the integration of semi-poor liquid diversion and indirect heat pump technologies is the best.

Graphical abstract

关键词

烟气 / 集成 / 节能 / 二氧化碳捕集 / 化学吸收

Key words

flue gas / integration / energy saving / carbon dioxide capture / chemical absorption

Author summay

曹文浩(1989-),男,硕士,高级工程师,主要从事天然气处理、二氧化碳捕集研究与设计,

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曹文浩,周明宇,周军,邹鹏飞,王治红,向腾龙. 吸收法烟气二氧化碳捕集系统的工艺优化研究[J]. 现代化工, 2025, 45(3): 249-253 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.03.044

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随着工业和人类活动的快速发展,二氧化碳的排放量不断增加,已成为全球气候变暖的主要因素,给自然生态和人类生活带来巨大挑战[1]。二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是实现碳中和目标的重要途径之一,而CCUS技术的关键是二氧化碳捕集技术。
目前,化学吸收法是最成熟、最有效的燃烧后二氧化碳捕集技术,通常采用有机胺的水溶液作为吸收剂[2-3]。来自锅炉或工厂的烟气经过风机增压、空冷器降温后进入吸收塔塔底,与吸收塔塔顶的吸收剂进行逆流接触,CO2被吸收后的排放气从吸收塔顶离开,吸收了CO2的富液从吸收塔底离开。富液经过富液泵升压、贫/富液换热器升温后进入再生塔。再生后的贫液从再生塔塔底离开,通过贫/富液换热器回收热量、贫液泵升压和贫液冷却器降温后进入吸收塔,完成溶液循环。离开再生塔塔顶的CO2进入后续增压、脱水工段后获得CO2产品。
在化学吸收法中,CO2吸收富液主要依靠加热解吸方式实现吸收剂的再生,需要消耗大量的热量。目前,以有机胺水溶液作为吸收剂进行烟气CO2捕集的工艺,再生能耗为3.7~4.0 GJ/t,再生能耗成本占总捕集成本的60%~80%,高能耗成本限制了化学吸收法烟气CO2捕集技术的工业化应用[3-4]
本文中针对化学吸收法捕集烟气中CO2存在解吸能耗高的问题,采用Aspen HYSYS建立模拟模型,研究不同节能方法与技术,并对比节能效果,提出化学吸收法CO2捕集的节能集成工艺,为化学吸收法CO2捕集工艺的设计、改造以及装置运行提供指导。

1 化学吸收法碳捕集过程分析

1.1 基础数据及边界条件

来自某燃煤电厂的烟气流量为414.74×104 m3/d,温度为50℃,压力为116 kPa(A),组成如表1所示。
吸收剂选取MDEA-PZ二元复合水溶液,其中MDEA的质量分数为30%,哌嗪(PZ)的质量分数为10%。在满足工程需求条件下,模拟时忽略吸收剂的降解以及与O2、SO2、NOx之间的化学反应。
以如图1所示的化学吸收法二氧化碳捕集系统为例,捕集系统的操作参数如表2所示。
模拟时选取Acid Gas-Chemical Solvents物性包,采用速率模型(Rate-based模型)对其化学吸收法CO2捕集过程进行模拟。

1.2 影响二氧化碳捕集的关键因素

1.2.1 气液比对CO2捕集系统的影响

气液比(即溶液循环量)对烟气CO2捕集过程的影响如图2所示。
图2可知,气液比的变化实际上反映了溶液循环量的变化,随着气液比增加(即溶液循环量下降),CO2捕集过程的CO2捕集率下降。在气液比达到236时,该CO2捕集过程的CO2捕集率能够达到90%。

1.2.2 吸收压力对CO2捕集过程的影响

吸收压力对CO2捕集过程的影响如图3所示。
图3可知,随着吸收压力的增加,烟气CO2捕集过程的CO2捕集率相应增加。在吸收压力达到180 kPa(A)及以上时,CO2捕集率可达到90%以上。考虑烟气增压能耗需符合工程实际,所以烟气CO2捕集过程的吸收压力选取为180 kPa(A)。

1.2.3 贫胺液温度对CO2捕集过程的影响

贫液温度对烟气CO2捕集过程的影响如图4所示。
图4可知,随着贫液温度的增加,烟气CO2捕集过程的CO2捕集率呈缓慢下降趋势,在贫液温度在50℃时,CO2捕集率也可达到90%。结合胺溶液吸收CO2动力学特性和冷却能耗,贫胺液进吸收塔的温度选取为50℃。

1.3 吸收塔内温度和CO2分布特征

烟气CO2捕集过程的吸收塔内温度和CO2分布分别如图5图6所示。
图5图6可知,烟气CO2捕集过程的吸收塔内温度最高的位置在第3块~第9块塔板之间,气液相中CO2浓度变化最快的位置在第3块~第9块塔板之间,说明烟气中CO2的吸收主要发生在第3块~第9块塔板之间。

1.4 烟气CO2捕集过程的能耗分析

烟气CO2捕集过程的能耗分布如表3所示。
表3可知,烟气CO2捕集过程的能耗最高的单元设备为重沸器,其次为再生塔顶CO2冷却器和贫液冷却器;贫液、富液循环泵的能耗最小,可忽略不计。因此,化学吸收法CO2捕集系统的节能重点是再生系统。
结合前述影响二氧化碳捕集的关键因素,选取化学吸收法CO2捕集过程的关键参数:吸收过程气液比236、吸收压力180 kPa(A)、贫液进吸收温度50℃。在此参数条件下,图1所示的化学吸收法二氧化碳捕集系统的单位能耗为3.89 GJ/t。

2 节能技术及集成优化

2.1 碳捕集工艺节能技术

2.1.1 吸收塔中间冷却工艺

在采用胺溶液吸收法的CO2捕集系统中,CO2与胺溶液之间化学反应是中速反应和慢速反应,吸收速率和吸收平衡受温度影响显著。在热力学方面,较低的吸收温度有利于提高吸收效果;在吸收动力学方面,较高的温度有利于提高CO2吸收速率。因此,胺溶液吸收CO2较适宜的温度通常为40~65℃,此温度范围内吸收速率较高[5-6]
根据吸收塔内温度分布特征,烟气CO2捕集过程的吸收塔内温度最高的位置在第3块~第9块塔板之间,最高温度可达到80℃,不利于烟气CO2的捕集,因此需要在第3块~第9块塔板之间设置中间冷却器如图7所示,可以提高CO2吸收效果,降低吸收溶液循环量,从而降低再生系统能耗。

2.1.2 半贫液分流工艺

半贫液分流工艺是从解吸塔中部采出一股半贫液返回到吸收塔中部,如图8所示。
在半贫液分流CO2捕集工艺中,被抽出来的半贫液没有在再生塔下部或再沸器中加热,即降低进入解吸塔中下部的溶液量,减少重沸器加热负荷,从而降低再生系统能耗。

2.1.3 直接热泵技术

化学吸收法烟气CO2捕集系统的再生塔塔顶温度与塔釜温度的温差较小(<20℃),适宜采用热泵技术降低再生系统能耗。直接热泵工艺也称为再生塔顶出口蒸气直接压缩工艺,如图9所示。
将再生塔顶出口气在水冷凝前先全部压缩,得到了高压气体再在较高的压力下部分冷凝,冷凝放热提供给再沸器,从而使气体冷凝潜热得以合理利用,可以有效利用蒸气冷凝热替代一部分再沸器的热负荷,减小了对再沸器的依赖,同时节省了冷凝水的用量。

2.1.4 间接热泵工艺

为了进一步降低再生系统的重沸器能耗和再生塔塔顶冷凝负荷,采用间接热泵技术回收再生塔塔顶的冷凝潜热提供给再沸器,降低再沸器的热负荷,如图10所示。循环工质选择正丁烷,工质进入到冷凝器中进行液化降温,并且放出热量,所以相对于物料来说冷凝器实际上起到了加热器的作用;而工质在蒸发器中会吸热气化,相对于物料而言蒸发器实际上相当于冷却器的作用。

2.2 不同节能技术对比分析

不同节能技术的节能效果对比如表4所示。
表4可知,对于化学吸收法烟气CO2捕集过程,间接热泵工艺的再生能耗最低,仅为2.528 GJ/t;其次是直接热泵工艺,单位能耗为3.218 GJ/t;再其次是半贫液分流工艺,单位能耗为3.495 GJ/t;而吸收塔中间冷却工艺的单位能耗较高,为3.598 GJ/t,节能效果不显著。

2.3 碳捕集系统的节能技术集成

2.3.1 节能技术集成的碳捕集系统

为了进一步降低化学吸收法CO2捕集系统的单位能耗,将不同节能技术进行集成和耦合,形成低能耗的CO2捕集工艺。根据不同节能技术的节能效果,本文中将半贫液分流工艺与直接热泵工艺、间接热泵工艺进行集成和耦合,形成碳捕集系统的节能技术集成工艺,如图11图12所示。

2.3.2 效果分析

对半贫液分流与直接热泵技术、间接热泵技术集成后碳捕集工艺进行模拟与分析,半贫液分流与直接热泵技术集成后碳捕集工艺的单位能耗为2.958 GJ/t;半贫液分流与间接热泵技术集成后碳捕集工艺的单位能耗为2.263 GJ/t。与典型的化学吸收法碳捕集工艺相比,单位能耗分别降低了23.94%和41.79%。由此可知,半贫液分流与间接热泵技术集成后CO2捕集工艺的节能效果最好,并且再生塔的塔顶CO2不需要额外的冷却负荷。

3 结论

针对来自燃煤电厂烟气,建立以MDEA+PZ为吸收剂的化学吸收法CO2捕集过程模拟模型,采用Aspen HYSYS模拟与分析了化学吸收法CO2捕集系统,获得以下结论。
(1)对于化学吸收法CO2捕集系统,吸收塔内气液比、吸收压力和贫液进吸收塔温度是影响吸收法CO2捕集系统能耗的关键因素。
(2)在化学吸收法烟气CO2捕集系统中,烟气中CO2的吸收主要发生在吸收塔的上部;系统能耗主要消耗在溶液再生系统,节能的重点是在溶液再生系统。
(3)对于化学吸收法烟气CO2捕集过程,间接热泵工艺的再生能耗最低,仅为2.528 GJ/t;其次是直接热泵工艺,单位能耗为3.218 GJ/t;再其次是半贫液分流工艺,单位能耗为3.495 GJ/t;而吸收塔中间冷却工艺的单位能耗较高,为3.598 GJ/t,节能效果不显著。
(4)与典型化学吸收法CO2捕集工艺相比,半贫液分流与直接热泵技术、间接热泵技术集成后碳捕集工艺的单位能耗分别下降了23.94%和41.79%。半贫液分流与间接热泵技术集成后CO2捕集工艺的节能效果最好,并且再生塔的塔顶CO2不需要额外的冷却负荷。

参考文献

[1]

沈丽, 刘凡, 沈遥, . 新型AEP-相变吸收剂捕集CO2研究[J]. 高等化学工程学报, 2021, 35(6):1067-1072.

[2]

李青, 余云松, 姜钧, . 基于热泵技术的化学吸收法二氧化碳捕集系统[J]. 高等化学工程学报, 2019, 24(1):29-34.

[3]

张卫风, 周武, 王秋华. 相变吸收捕集烟气中CO2技术的发展现状[J]. 化工进展, 2022, 41(4):2090-2101.

[4]

边阳阳, 申淑锋. 相变吸收剂捕集二氧化碳的研究进展[J]. 河北科技大学学报, 2017, 38(5):460-468.

[5]

陈杰, 张新军, 褚洁, . MDEA+MEA天然气脱碳工艺影响因素[J]. 化工学报, 2015, 66(S2),250-256.

[6]

朱德臣. 燃煤烟气CO2化学吸收技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2011.

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