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基于热泵技术的CO2捕集工艺流程模拟与优化

时豪 ,  李士宁 ,  郑若飞 ,  燕来东 ,  刘龙 ,  张林阳

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 215 -218.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 215-218. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.037
工业技术

基于热泵技术的CO2捕集工艺流程模拟与优化

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Simulation and optimization of CO2 capture process based on heat pump technology

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摘要

采用化学吸收法捕集CO2存在再生能耗高的问题,通过工艺流程的改进可有效降低再生能耗。利用Aspen Plus软件构建基于高温热泵技术的CO2捕集工艺流程,并在此基础上结合富液分流和MVR热泵工艺进行模拟优化。结果表明,使用高温热泵工艺相较于基础工艺流程再生能耗降低34.1%;而将高温热泵、富液分流和工艺MVR热泵耦合在一起,再生能耗相较于基础工艺可降低43.3%。

Abstract

CO2 capture via the chemical absorption method is confronted with the high regeneration energy consumption problem,which can be effectively solved through process improvement.Aspen Plus software is utilized to construct a CO2 capture process flow based on high-temperature heat pump technology,which is simulated and optimized by combining with the rich liquid splitting and MVR (Mechanical Vapor Recompression) heat pump processes.The results show that the process using the high-temperature heat pump process alone can reduce the regeneration energy consumption by 34.1% than the basic process flow.Meanwhile,the process using high-temperature heat pump,rich liquid splitting and MVR heat pump technologies together can reduce 43.3% of regeneration energy consumption compared with the basic process.

Graphical abstract

关键词

二氧化碳捕集 / 工艺流程优化 / 热泵 / 再生能耗 / MEA

Key words

carbon dioxide capture / process optimization / heat pump / energy consumption in regeneration / MEA

Author summay

时豪(1998-),男,硕士生;张林阳(1992-),男,博士,副教授,研究方向为工业流程节能与碳捕集技术, 。

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时豪,李士宁,郑若飞,燕来东,刘龙,张林阳. 基于热泵技术的CO2捕集工艺流程模拟与优化[J]. 现代化工, 2025, 45(12): 215-218 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.037

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二氧化碳的大量排放是产生温室效应的主要原因,而对二氧化碳进行捕集是减少CO2排放的重要手段[1]。而且二氧化碳在页岩中的吸附能力较强,CO2地质封存技术也为CO2捕集技术的发展提供了条件[2-4]。化学吸收法作为一种脱碳技术,在国内外有着广泛的应用[5-9]。醇胺法是化学吸收法中的主要方法,但缺点是能耗较高[10]。为解决这一问题,有3种策略:寻找能耗更低的吸收剂、改进工艺流程以及优化工艺参数[11-13]。
目前国内外对醇胺法CO2捕集工艺流程进行优化的手段有开发高效换热器、级间冷却、富液分流、增加MVR热泵、吸收式热泵技术和高温热泵技术等[14-19]。李青等[20]利用高温热泵技术为CO2解吸提供热量,分别模拟了两级正丁烷(R600)热泵和超临界CO2(R744)循环热泵供热流程,发现节能效果显著。而工质为R245fa的高温热泵在市场应用方面已经较为成熟[21]。贺龙彬等[22]研发了喷气增焓式的高温热泵,出水温度达到120℃,cop值在1.85~1.95之间。故本文中将在基础碳捕集工艺上应用工质为R245fa的喷气增焓式高温热泵来为再沸器提供热量。同时,将高温热泵与富液分流以及MVR技术进行耦合研究,以探究更加节能的工艺。

1 模型建立及参数设置

1.1 条件设计

模拟了基础工艺流程模型,该模型可用于计算CO2捕集系统的捕集率和再生能耗,其基础工艺流程模型如图1所示。
该模拟的热力学模型采用ELECNRTL模型,动力学模型采用Rate-based模型,烟气组分如表1所示。

1.2 工艺设备及参数

本文中所使用的吸收剂为MEA溶液,质量分数为30%,主要装置的参数如表2所示。
通过对比不同溶液流量、贫液进吸收塔温度和贫富液换热器端差等因素对再生能耗的影响发现,在CO2捕集率为90%和解吸塔顶CO2质量分数为97%的条件下,基础CO2捕集流程的系统再生能耗最低为3.683 GJ/t。

2 高温热泵捕集CO2工艺模拟研究

2.1 高温热泵模型建立及参数设定

在喷气增焓式高温热泵的模拟过程中,冷凝器中的热泵工质与解吸塔中的富液换热,蒸发器中的热泵工质与出贫富液换热器中的贫液进行换热,并利用Aspen Plus软件对喷气增焓式热泵系统进行模拟。
图2中蒸发器为EVAPOR,冷凝器为COND,压缩机为COMP,经济器为E1,分流器为F1,辅路节流阀为VALVE1,主路节流阀为VALVE2。首先,工质在蒸发后从管路1进入压缩机压缩至中间状态。接着,补气路8的工质与经过一级压缩的主路1的工质等容混合。随后,混合后的工质再次压缩进入管路2。接下来,工质进入冷凝器并在冷凝器中与解吸塔中的富液换热冷凝。从冷凝器出来的工质进入管路3,再经分流器分流为主路4和补气路5,之后,补气路工质经历节流降温进入管路6,主路4工质与经过节流冷却的补气路6工质进行换热过冷进入管路8,而补气路6工质与主路4工质进行换热蒸发后进入管路7。接着,主路7工质进入膨胀阀进行绝热节流进入主路9,最后,主路9工质在蒸发器中与出贫富液换热器的贫液换热蒸发。
在选择单元操作模块之后,还需设定一下高温热泵中蒸发器过热度、冷凝器过冷度、主路循环工质流量、主路膨胀阀过冷度、辅路膨胀阀过热度、压缩机的等熵效率和中间补气压力系数,如表3所示。

2.2 高温热泵捕集CO2工艺模拟分析

在基础工艺流程中,解吸塔再生能耗的来源主要是进入再沸器的蒸气,再生能耗为再沸器负荷与解吸塔塔顶流出的CO2质量流量的比值,而在基于高温热泵技术的碳捕集工艺流程中,由于使用高温热泵的冷凝端给解吸塔供热,而高温热泵主要的耗功来自压缩机,所以本文中用压缩机的负荷代替再沸器负荷计算系统的再生能耗。
在模拟的过程中,高温热泵冷凝器与再沸器单位时间给解吸塔提供的热量应该相等,即两者的负荷应该相等,可以通过调整制冷剂的流量来调整冷凝器的负荷,使冷凝器负荷与再沸器负荷保持一致。图3对比了不同溶液流量(5、6、7、8 L/min)和蒸发温度(29、31、33、35、37℃)对再生能耗的影响。
如图3所示,再生能耗随着蒸发温度的增加先减少后增加。而从图4可以看到,当溶液流量为 6 L/min时,随着蒸发温度的增加,制热量增加,而贫富液换热器面积则随之减小。
这是因为在蒸发温度较低时,蒸发端提供的热量不变,随着蒸发温度的增大,压缩机功率下降,再生能耗下降。但当蒸发温度较大时,为了确保进吸收塔贫液温度不低于40℃,需要减少贫富液换热器的面积,减少换热器的换热量,提高贫富液换热器的贫液出口温度,这也降低了进解吸塔富液温度,需要再沸器提供更多的热量,使得高温热泵蒸发端提供的热量更多,压缩机功率上升。当蒸发温度为31℃、溶液流量为6 L/min时,再生能耗最小,为2.427 GJ/t,较基础工艺流程减少34.1%。

3 高温热泵与2种节能工艺模拟分析

3.1 工艺系统建模

图5为基于高温热泵、富液分流和级间冷却技术的CO2捕集工艺流程模型图,以该模型为研究对象,可分析高温热泵、富液分流和MVR热泵对再生能耗的影响。
该模型可用于研究不同闪蒸压力、冷热富液分流比例和蒸发温度对再生能耗的影响,其中闪蒸压力、冷热富液分流比和蒸发温度的变化如表4所示。

3.2 参数优化分析

从图6可以看到,随着闪蒸压力增大,闪蒸温度增大,再生能耗先减小后增大,当闪蒸压力为50 kPa时,再生能耗最低,为2.207 GJ/t。在相同蒸发温度和闪蒸压力下,再生能耗比只使用高温热泵和MVR热泵工艺时略高,这是因为在使用富液分流工艺后,冷富液进解吸塔的温度较低,需要外部提供更多的热量,导致再生能耗增加。
从图7可以看到,随着冷热富液分流比例的增加,再生能耗增大,在冷热富液分流比例为0.05∶0.95时,再生能耗最低,为2.173 GJ/tCO2。
由图8可知,随着蒸发温度的增大,再生能耗先减小后增大,当蒸发温度为33℃时,再生能耗最小,为2.088 GJ/t,相较于基础工艺流程再生能耗降低43.3%。对比图3和图8可以看到,在使用富液分流和MVR热泵技术后,最佳蒸发温度增大;而冷凝温度不变,蒸发温度增大,热泵压缩机做功减小,进而再生能耗减小。

4 结论

构建了基于高温热泵技术的CO2捕集工艺流程,并在此基础上结合富液分流和MVR热泵技术,分析了蒸发温度、冷热富液分流比例和闪蒸压力等参数对再生能耗的影响,结论如下。
(1)在基于高温热泵技术的CO2捕集工艺流程中,当溶液流量为6 L/min、蒸发温度为31℃时,再生能耗最低,为2.427 GJ/tCO2,节能34.1%。
(2)在高温热泵、富液分流和MVR热泵整合工艺中,当闪蒸压力为50 kPa、冷热富液比例为0.05∶0.95且蒸发温度为35℃时,再生能耗最低,为2.118 GJ/tCO2,节能43.3%。

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基金资助

山东省自然科学基金青年项目(ZR2022QB046)

国家自然科学基金项目(52204039)

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