MDEA-PZ复配体系碳捕集工艺优化与节能分析

张天娇 ,  曲虎 ,  刘欣 ,  刘永铎

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (4) : 215 -220.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (4) : 215-220. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.04.035
工业技术

MDEA-PZ复配体系碳捕集工艺优化与节能分析

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Carbon capture process optimization and energy saving analysis of MDEA-PZ blended system

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摘要

选取MDEA-PZ二元复配胺液为吸收剂,建立低浓度烟气碳捕集的工艺计算模型。根据模拟计算,分析了影响MDEA-PZ二元复配体系的胺液配比、烟气入塔温度、贫液温度、气液比等影响碳捕集过程和能耗的关键因素,在此基础上通过集成吸收塔级间冷却工艺、MVR热泵工艺进行节能优化,级间冷却+MVR热泵工艺的系统能耗较典型工艺系统单位碳捕集能耗降低了16.7%;最后,分析了碳捕集系统可高效回收余热的点位,考虑节能工艺集成与余热回收的工艺系统,单位碳捕集能耗降低了33.63%。研究结果证明,通过多种节能工艺耦合与系统内烟气、CO2余热回收集成低能耗碳捕集系统,是降低碳捕集单位能耗的有效途径。

Abstract

Selecting MDEA-PZ binary blended amine solution as the absorbent,a process calculation model for low-concentration flue gas carbon capture was established.According to simulation calculations,the key factors affecting the carbon capture process and energy consumption,such as the amine solution ratio in the MDEA-PZ binary blended system,flue gas inlet temperature,lean solution temperature,and gas-liquid ratio,were analyzed.On this basis,process optimization was carried out by integrating inter-stage cooling and MVR heat pump processes with the absorption column.The unit carbon capture energy consumption of the inter-stage cooling MVR heat pump process was reduced by 16.7% compared to the typical process system.The key units for recoverable residual heat during the process were analyzed,and the energy consumption per unit of carbon capture was reduced by 33.63%.The research results demonstrate that integrating energy-saving processes with flue gas and CO2 residual heat recovery is an effective way to reduce the unit energy consumption of carbon capture systems.

Graphical abstract

关键词

CO2捕集 / 节能 / 余热回收 / MVR工艺 / 级间冷却 / 胺液配比 / MDEA-PZ

Key words

CO2 capture / energy saving / residual heat recovery / MVR process / inter-stage cooling / amine solution ratio / MDEA-PZ

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张天娇,曲虎,刘欣,刘永铎. MDEA-PZ复配体系碳捕集工艺优化与节能分析[J]. , 2026, 46(4): 215-220 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.04.035

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二氧化碳等温室气体的过量排放引发了全球气候变暖、生态破坏等系列问题,如何应对气候环境问题已成为人类社会能否可持续发展的重大挑战[1-2]。目前,二氧化碳作为最主要的温室气体成为关注焦点,世界各国已对实施二氧化碳减排以应对气候变化的必要性达成共识[3-4]。作为世界第二大经济体和第一大碳排放国,我国提出了“将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的“双碳”目标。据相关数据显示,我国境内二氧化碳的主要来源是煤炭等化石燃料燃烧产生的工业烟气,其中以燃煤电厂排放的烟道气中的低浓度二氧化碳为主[5-6]。因此,为实现“碳达峰、碳中和”目标,大规模捕集燃煤电厂排放烟气中的低浓度、低分压二氧化碳成为重中之重。
目前,化学吸收法是工业源低浓度二氧化碳捕集最成熟、最常用的技术。然而,传统的MEA单乙醇胺法碳捕集工艺存在再生能耗高、捕集成本高的问题,成为该技术大规模产业化应用的关键制约因素。为解决上述问题,国内外研究人员针对复配胺液体系的碳捕集工艺开展了大量研究[7-9]。现有的研究成果[10-12]表明,MDEA-PZ复配胺体系较传统MEA单一醇胺溶液节能效果更佳,是一种极具开发潜力的化学吸收剂。然而,目前针对MDEA-PZ复配体系的工艺系统研究深度,对满足大规模产业化应用要求仍存在一定差距。本研究以某热电厂的典型烟气组分为研究对象,从MDEA-PZ复配体系与CO2的反应机理出发,利用Aspen HYSYS模拟软件建立MDEA-PZ复配体系的烟气碳捕集工艺系统模型,并对PZ的质量分数经济区间、吸收反应最优温度区间、再生压力最佳区间等关键因素进行分析,在分析的基础上对全工艺流程进行工艺优化,为后续MDEA-PZ复配组分、工业源低浓度二氧化碳捕集工程化应用提供一种高效、低能耗的解决方案。

1 MDEA-PZ与CO2反应机理

MDEA-PZ复配溶液以一定比例的MDEA(N-甲基二乙醇胺)和PZ(哌嗪)联合作为吸收剂,该体系充分融合MDEA对CO2组分吸收容量高、再生能耗低的优势,以及PZ与CO2反应速率快的特点,形成一种具备反应速率快、吸收容量高、再生能耗低的MDEA-PZ二元复配胺液。对于MDEA-PZ与CO2的反应机理,国内外学者主流的观点认为可采用“穿梭机理”加以解释[12],其化学反应过程可采用式(1)~(4)表示,式中MDEA用R1R2R3N简化表示。
$ \mathrm{R}_{1} \mathrm{R}_{2} \mathrm{R}_{3} \mathrm{~N}+\mathrm{CO}_{2} \longrightarrow \mathrm{R}_{1} \mathrm{R}_{2} \mathrm{R}_{3} \mathrm{NCOO}$
$ \mathrm{R}_{1} \mathrm{R}_{2} \mathrm{R}_{3} \mathrm{NCOO}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \mathrm{R}_{1} \mathrm{R}_{2} \mathrm{R}_{3} \mathrm{~N}+\mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-}$
$ \mathrm{PZ}+2 \mathrm{CO}_{2} \longrightarrow \mathrm{PZ}(\mathrm{COO})_{2}$
$ \mathrm{PZ}(\mathrm{COO})_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \mathrm{PZH}_{2}^{2+}+2 \mathrm{HCO}_{3}^{-}$
式(1)描述PZ在气液交界表面与CO2发生快速反应生成PZ-氨基甲酸盐,进而将CO2带入液相与液相中MDEA发生吸收反应;同时释放出PZ返回气相,反应过程中PZ作为载体来回穿梭传递二氧化碳,加快反应速率,因此PZ含量保持恒定。吸收反应过程,生成化合物R1R2R3NCOO;式(2)描述R1R2R3NCOO水解的过程;式(3)、(4)描述了PZ在液膜中吸收二氧化碳生成中间产物PZ(COO)2,随后该中间产物立即水解使得PZ再生。

2 MDEA-PZ复配体系工艺建模

2.1 典型工艺流程

基于MDEA-PZ复配体系的火电厂烟气碳捕集典型工艺流程如图1所示,燃煤电厂湿法脱硫后的烟气经鼓风机增压后进入水洗塔进行预处理,预处理主要用于除去烟气中的杂质以防影响后续工艺的效果,同时预处理还可通过水洗为烟气降温,有助于提高二氧化碳捕集率;预处理后的烟气经底部入口进入吸收塔,MDEA-PZ复配水溶液从吸收塔上部进塔后向下层塔板流动,并与向上层塔板流动的烟气发生吸收反应将烟气中大量的CO2组分捕集,脱除CO2后的净化烟气从吸收塔顶部排出,吸收了CO2的富液由吸收塔底部出口流出;富液进入贫-富液换热器,与再生后的高温贫液进行换热升温后进入再生塔,富液在再生塔中通过汽提和高温解析出CO2成为贫液,贫液顺次进入贫-富液换热器回收热量、贫液泵增加、贫液冷却器冷却后返回吸收塔,完成1次循环。再生塔中解析出的酸性尾气(CO2体积分数≥95%)可经压缩、干燥、冷却等工艺处理后,输送至下游用户。

2.2 建模基础

2.2.1 建模基础参数

选取某燃煤电厂脱硫装置出口的烟气组分为模型入口烟气,烟气组分(体积分数)如表1所示。选取MDEA-PZ复配胺液的总胺质量分数初始值为42%,其中MDEA质量分数为32%,PZ质量分数为10%,复配胺液的初始工艺参数如表2所示。
边界条件:本工艺系统气相入口边界为某燃煤电厂脱硫装置烟气出口管线,进入碳捕集系统的烟气流量为276×104 m3/d,年设计运行时间为8 000 h,烟气来气温度为45℃,压力为常压;气相出口边界分别为吸收塔顶脱碳后的烟气和再生塔顶排出的脱水后的干燥二氧化碳气体。

2.2.2 建模基本假设

为便于工艺系统建模,在确定模拟基础参数和边界条件后,对模拟过程做如下假设。
(1)碳捕集系统入口烟气为热电厂湿法脱硫装置出口的含CO2烟气,模拟过程中只考虑CO2对复配胺液及工艺系统的影响,不考虑复配胺液的氧化降解。
(2)吸收塔与再生塔内部胺液与烟气均均匀混合,且每层塔板处均处于气液平衡状态。
(3)烟气组分中的CO2、N2、O2均为亨利气体,符合亨利定律。

2.3 工艺系统建模

根据图1的工艺流程,利用Aspen HYSYS(V14)软件建立MDEA-PZ复配体系的烟气碳捕集工艺模型。在建模过程中,首先需正确地选取状态方程才能准确地开展模拟。由上述化学反应方程式可知,MDEA-PZ复配体系捕集CO2的工艺流程中包含H2O、MDEA、PZ、MDEAH+、PZH+、PZCOO-、HCO3-、CO32-等多种分子和离子,属于非理想性化学体系。因此,选取HYSYS(V14)软件自带的Acid Gas-Chemical Solvents作为状态方程,模拟MDEA-PZ体系与CO2的反应过程。模型的初始工艺参数如表3所示。

2.4 模型验证

利用上述模型计算结果与指标要求(GB 51813—2018)的对比如表4所示。由表中结果可知,基于初始输入参数上述碳捕集工艺模型获得的结果能够满足指标要求,可知上述模型能够较好地模拟烟气碳捕集工艺流程。

3 结果与讨论

3.1 典型工艺关键参数分析与优化

3.1.1 胺液配比分析与优化

对于MDEA-PZ复配体系,胺液配比优化主要考察胺液中MDEA与PZ的质量百分比。基于工艺系统模型,首先将模型中PZ的质量分数固定设置为10%,采用单因素敏感性分析法,通过不断改变MDEA的质量分数并使CO2捕集率始终不低于90%,考察胺液循环量和富液碳负载随MDEA质量分数的变化,如图2所示。随着MDEA质量分数从25%提高至30%的过程中,达到90%的碳捕集率所需的胺液循环量逐渐降低,与此同时富液碳负载逐渐提高;当MDEA质量分数达到30%时,胺液循环量最低,富液碳负载最高,胺液对CO2的捕集效果最佳;继续MDEA质量分数至40%,胺液循环量随着MDEA质量分数的升高反而逐渐增加,同时富液碳负载逐渐降低,根据“双模理论”,当总胺质量分数过高时,会导致胺液黏度增加,会增加气-液间的传质阻力,阻碍了CO2分子穿梭气液界面。因此,优选MDEA质量分数30%。
确定MDEA的质量分数为30%,通过不断改变PZ的质量分数并使CO2捕集率始终不低于90%,考察胺液循环量和富液碳负载随PZ质量分数的变化关系,如图3所示。随着PZ质量分数从5%逐渐提高至8%时,胺液循环量呈现大幅度降低,富液碳负载大幅度提高,说明向胺液中添加PZ的活化效果显著,但因胺液中MDEA质量分数存在上限,因此活化剂PZ质量分数亦存在上限。当PZ质量分数达到8%时,富液CO2负荷即达到上限,继续提高PZ质量分数,胺液循环量反而增加,富液碳负载也逐步降低。因此,优选PZ质量分数8%。
通过上述分析,选取复配胺液质量百分比为30% MDEA+8% PZ。

3.1.2 吸收温度分析与优化

吸收温度由贫液进吸收塔温度与烟气进吸收塔温度共同决定,是影响碳捕集过程中碳捕集率和再生能耗的重要影响因素。采用单因素敏感性分析法,设置贫液进吸收塔温度为45℃,在保证碳捕集率始终不低于90%的条件下,考察烟气进吸收塔温度对胺液循环量和再生能耗的影响,如图4所示。烟气进吸收塔温度越高,达到碳捕集率不低于90%,所需的胺液循环量越大,再生能耗也随之升高,由此可见,较低的烟气温度有利于胺液吸收二氧化碳,因此,选取烟气进吸收塔温度为40℃。
设置烟气进塔温度为40℃,采用单因素敏感性分析法,考察贫液进吸收塔温度对胺液循环量和再生能耗的影响,如图5所示。保证碳捕集率不低于90%的情况下,随着贫液吸收温度的提高,胺液循环量与再生能耗均随之下降。因MDEA-PZ吸收CO2属于放热反应,降低贫液温度有助于化学反应进行,但是同时考虑温度升高有助于分子动力学的因素,且贫液与富液温差过大不利于节能,选取贫液进吸收塔温度为40℃。

3.1.3 气液比对碳捕集效果的影响分析

气液比即进碳捕集装置的烟气流量与贫胺液流量的比值,主要用于表征碳捕集系统胺液循环量的变化。气液比是影响碳捕集工艺系统CO2捕集率和再生能耗的关键影响因素。基于上述优化参数,采用单因素敏感性分析法,考察气液比变化对碳捕集率和再生能耗影响,变化关系曲线如图6所示。
图6可知,在烟气流量及CO2体积分数一定的情况下,碳捕集率随着气液比的提高(胺液循环量下降)而逐渐下降,同时随着气液比的提高,再生能耗将会降低。因此,需要综合考虑碳捕集率和再生能耗,确定最优的气液比为370。
根据上述分析与优化结果,选取MDEA-PZ复配体系碳捕集典型工艺的关键参数优化值:复配胺液配比30% MDEA+8% PZ、气液比370、贫液进塔温度40℃、烟气进塔温度40℃、再生温度110℃,优化后的工艺系统碳捕集率为90.07%时,系统能耗为3.36 GJ/t。

3.2 节能工艺集成优化

3.2.1 级间冷却工艺集成

二氧化碳吸收过程主要在吸收塔中完成,吸收塔内的反应动力主要考虑化学平衡与分子动力学,因吸收反应为放热反应,从化学反应平衡角度,降低反应温度有利于反应进行,但从分子动力学角度分析,温度升高有利于分子运动,因此需要对吸收塔内的温度分布进行优化。通常情况下,MDEA-PZ复配胺液与二氧化碳反应的最佳温度区间为40~65℃[13]
吸收塔内逐板温度分布如图7所示,塔内温度峰值位于第5~10块塔板之间,塔内温度最高可达75℃,不利于吸收反应进行,因此在第5~10块塔板之间设置级间冷却工艺,对吸收塔内温度分布进行优化,集成级间冷却工艺模型如图8所示。
吸收塔内温度优化后,同时考虑吸收塔内CO2分布、吸收剂分布及再生能耗综合分析。吸收塔级间冷却节能工艺集成后,改善吸收塔内温度分布,有助于胺液对CO2的吸收,但同时也需要增加循环泵、冷却器等耗能设备,吸收塔级间冷却工艺集成后的碳捕集系统能耗为3.05 GJ/t,较典型工艺系统能耗有小幅度下降,证明该工艺能够起到节能效果,但单独采用该工艺节能效果有限。

3.2.2 MVR工艺集成

为进一步降低系统能耗,在吸收塔级间冷却工艺的基础上耦合MVR热泵工艺,形成用于回收贫液的热能,形成多种节能工艺集成的低能耗碳捕集工艺,工艺模型如图9所示。集成MVR热泵工艺主要通过将再生塔底再沸器中引出热贫液,通过低压闪蒸罐内闪蒸,闪蒸压力对应的饱和温度应低于贫液温度,贫液沸腾闪蒸出二次蒸气,二次蒸气经蒸气压缩机压缩成为高温高压二次蒸气返回再生塔放热,最终实现降低再沸器热负荷的目的。如图9所示,经计算吸收塔级间冷却工艺+MVR工艺集成系统碳捕集能耗为2.87 GJ/t。

3.2.3 系统热量回收

为实现最大化的节能效果,应对系统内的余热、废热进行充分回收利用。基于吸收塔级间冷却+MVR工艺集成碳捕集系统,对碳捕集系统中可进行热量回收的点位进行分析,如表5所示。
可回收利用热量的物流为鼓风机出口烟气、再生塔顶高温CO2,利用热泵工艺进行热量回收,替代部分再沸器热源,经综合分析,在吸收塔级间冷却+MVR工艺集成节能模型基础上,采用直接热量回收及热泵系统热量回收的形式,可将系统能耗降至2.23 GJ/t。

3.3 节能效果分析

单独采用吸收塔级间冷却工艺集成,碳捕集系统的单位能耗为3.03 GJ/t,较典型工艺降低9.8%,因此,该工艺节能效果有限;采用吸收塔级间冷却工艺+MVR热泵工艺集成的碳捕集系统单位能耗为2.87 GJ/t,较典型工艺降低16.7%;吸收塔级间冷却工艺+MVR热泵工艺集成与余热回收耦合后,碳捕集系统的单位能耗为2.23 GJ/t,较典型工艺降低33.63%。由此可知,吸收塔级间冷却工艺+MVR热泵工艺集成与余热回收耦合节能效果最优,因此,采取该技术路线形成低能耗碳捕集系统是碳捕集节能的有效途径。

4 结论

以典型的燃煤电厂烟气为研究对象,建立MDEA-PZ复配体系的二氧化碳捕集工艺模型,采用单因素敏感性分析法分析关键影响因素对二氧化碳捕集工艺过程的影响,并利用Aspen HYSYS模拟对二氧化碳捕集工艺流程优化,得到如下主要结论。
(1)对于MDEA-PZ复配溶液吸收CO2的捕集系统,胺液配比、烟气进塔温度、贫液进塔温度及气液比是影响碳捕集过程和再生能耗的关键因素。
(2)对于MDEA-PZ复配体系的碳捕集系统,级间冷却节能工艺能够改善吸收塔内温度分布,进而促进胺液对CO2的吸收,但单独采用级间冷却法节能效果有限。
(3)采用级间冷却+MVR工艺的节能集成系统,同时回收烟气、再生塔顶CO2的热量,使得系统热量充分利用,能够大幅度降低系统能耗,实现节能降耗的效果。

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