姜 鈞,余云松,盧紅芳,張?jiān)缧?/p>

(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

0 引 言

從二氧化碳集中排放源 (如電廠煙氣)脫除二氧化碳采用傳統(tǒng)的膜吸收法和化學(xué)吸收法均存在再生能耗高的問(wèn)題,化學(xué)吸收法中富液再生能耗約占整個(gè)流程的60%以上[1],膜吸收過(guò)程中采用熱再生工藝,仍存在再生能耗過(guò)高的問(wèn)題?？梢姼呓馕芎氖腔瘜W(xué)吸收法和膜吸收法進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸,因此降低該能耗將具有重要的意義。針對(duì)富液再生能耗高的問(wèn)題,Okabe[2]提出的膜真空閃蒸流程大大降低了再生能耗,但膜真空閃蒸再生流程吸收組件仍為吸收塔,氣液直接接觸仍然存遮液泛、夾帶和溝流等問(wèn)題,同時(shí)吸收塔在設(shè)備總投資成本中的比重最大,約為55%[3]。目前對(duì)膜吸收能耗的研究較少。僅有Okabe[2],Yan[4]等對(duì)膜吸收再生系統(tǒng)能耗進(jìn)行了分析,但沒(méi)有與熱再生方法進(jìn)行系統(tǒng)的比較。

本文通過(guò)建立再生能耗模型,分析不同再生方式的能耗,提出改進(jìn)的新流程,并對(duì)其進(jìn)行能耗分析,在從集中排放源如電廠煙氣中分離回收二氧化碳方面具有重要的節(jié)能減排意義。

1 能耗模型

1.1 熱再生能耗模型

典型的膜吸收-熱再生流程討論較多,這里不再贅述。熱再生過(guò)程中,一般采用水蒸汽加熱,以實(shí)現(xiàn)CO2的解吸。富液再生時(shí)所需的總能耗主要由三部分組成:CO2-吸收劑解吸反應(yīng)熱Qr;富液升溫顯熱 Qs;再生塔頂部再生氣體帶走的熱量Qg[5]。

熱再生能耗:

式中:ms為吸收劑溶液的循環(huán)量,kg/h;Cp為吸收溶液的比熱容,kJ/(kg?K);△t為富液升溫溫差,K;η為CO2的脫除率;mCO2為煙氣中CO2的質(zhì)量流量,kg/h;ΔqCO2為單位CO2再生所需反應(yīng)熱,kJ/kgCO2;R為再生塔頂部回流比;rH2O為水的蒸發(fā)熱,kJ/kgCO2。折合為單位二氧化碳的能耗為

式中:GCO2為二氧化碳的產(chǎn)量,kg/h。從上式中可知,再生能耗與吸收液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、吸收液負(fù)荷能力及其他物性、富液升溫溫差等因素有關(guān)。

1.2 真空閃蒸再生模型

膜真空閃蒸再生通過(guò)抽真空,降低解吸壓力,從而降低解吸溫度,在減少再生能耗方面具有很大的潛力。在已有學(xué)者研究的基礎(chǔ)上本文把膜吸收和真空閃蒸結(jié)合起來(lái),提出了改進(jìn)的膜吸收-真空閃蒸流程。該流程中電廠煙氣經(jīng)風(fēng)機(jī)送入吸收組件,從吸收組件出來(lái)的富液經(jīng)貧富液換熱器進(jìn)行初步預(yù)熱,在進(jìn)入再生組件前經(jīng)電廠煙氣或其他的廢熱熱源加熱,使得進(jìn)入膜組件前,富液溫度達(dá)到閃蒸解吸溫度。

膜閃蒸再生能耗主要包括以下幾個(gè)部分:富液升溫顯熱、反應(yīng)熱、再生氣帶走的熱量和真空泵消耗的能量,其中由于再生溫度較低,再生氣帶走的熱量忽略不計(jì)。

真空泵能耗:

式中:對(duì)于二氧化碳 γ=1.31;出口壓力Pout=100 kPa;真空泵級(jí)數(shù)N=1;流量qs,mol/s。

真空泵效率[7]:

折合為單位CO2的能耗:

本文對(duì)600 MW、熱效率為40%,CO2摩爾分率為13.3%的燃煤電廠煙氣中的CO2進(jìn)行100%分離的體系進(jìn)行討論。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 熱再生過(guò)程

2.1.1 吸收液質(zhì)量濃度對(duì)再生能耗的影響

圖1 吸收劑質(zhì)量濃度對(duì)再生能耗的影響Fig.1 Effect of mass fraction of solvent on regeneration energy

圖1反映了再生總能耗和富液升溫所需顯熱隨吸收劑質(zhì)量濃度的變化情況。在濃度較低時(shí),隨著吸收劑質(zhì)量濃度的增加,再生總能耗和富液升溫能耗急劇下降。當(dāng)濃度低于25%時(shí),吸收劑濃度每增加5%,再生能耗降低0.3-1 MJ/kg-CO2。吸收劑濃度達(dá)到40 w t%左右后,繼續(xù)增加吸收劑濃度,對(duì)二者的影響均不大。這是由于隨著吸收劑濃度的增加,液相邊界層厚度增加,傳質(zhì)效率下降,MEA對(duì)二氧化碳的吸收量減小,再生溶液量減小的緣故。此外,對(duì)于膜吸收過(guò)程,還要考慮MEA質(zhì)量濃度增加對(duì)膜孔的潤(rùn)濕性影響,膜孔潤(rùn)濕對(duì)二氧化碳脫除率影響甚大,5%的潤(rùn)濕,可導(dǎo)致脫除率20%的下降[6],而且高濃度吸收劑對(duì)膜組件腐蝕性強(qiáng),因此在考慮膜組件長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中,綜合考慮再生能耗和膜孔潤(rùn)濕的影響來(lái)確定吸收劑的濃度,不宜選擇太高的濃度,一般低于40 wt%MEA。

2.1.2 富液溫差對(duì)再生能耗的影響

圖2反映了富液升溫溫差對(duì)再生能耗的影響,從圖中可以看出隨溫差的增加,再生能耗增加明顯。但隨MEA質(zhì)量濃度的增加,再生能耗增幅減小。一般來(lái)說(shuō),溫差越小,能耗越低。因此提高富液的入口溫度,降低再生溫度,對(duì)降低再生能耗具有明顯的效果。

圖2 富液溫差對(duì)再生能耗的影響Fig.2 Effect of temperature approach on regeneration energy

2.1.3 貧液負(fù)荷對(duì)再生能耗的影響

圖3反映了吸收劑為40 wt%MEA,溫差ΔT為15 K,富液的CO2負(fù)荷αrich為0.484 mol-CO2/molMEA時(shí),貧液負(fù)荷對(duì)再生系統(tǒng)能耗的影響。從圖中可以看出再生系統(tǒng)能耗隨著貧液負(fù)荷的增加而增加,當(dāng)貧液負(fù)荷高于0.3 molCO2/molMEA時(shí),再生能耗隨貧液負(fù)荷的增加而急劇增加;當(dāng)貧液負(fù)荷低于0.25 molCO2/molMEA時(shí),貧液負(fù)荷對(duì)再生能耗的影響減小。可見減小貧液負(fù)荷有利于降低再生能耗。

圖3 貧液負(fù)荷對(duì)再生能耗的影響Fig.3 Effect of lean loading on regeneration energy

2.2 真空閃蒸過(guò)程

2.2.1 不同壓比對(duì)真空泵能耗的影響

圖4反映了溫度為343 K,壓比因子ψ=Pout/Pin對(duì)真空泵能耗的影響。對(duì)比圖4和5可以看出溫度對(duì)能耗的影響較小,每升高1 K,能耗增加0.002 2 MJ/kgCO2;壓比每增加一個(gè)單位,能耗增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度的變化?？梢姼淖冋婵諌毫?對(duì)真空泵能耗的影響明顯。綜上所述,降低溫度和增加真空壓力均可以降低真空泵的能耗,真空壓力影響明顯。

圖4 壓比變化對(duì)真空泵能耗的影響Fig.4 Effect of pressure on energy consumption of vacuum pump

3 能耗比較分析

3.1 兩種再生方式的能耗比較

表1為熱再生流程和膜真空閃蒸再生流程中各部分能耗占再生總能耗的比重。在熱再生流程中,反應(yīng)熱約為再生總能耗的46%;其次為再生氣帶走的熱量。膜真空閃蒸再生流程中,反應(yīng)熱占再生總能耗的59.2%,真空泵能耗次之,顯熱能耗最低。綜上所述, 熱再生流程和膜真空閃蒸再生流程中,反應(yīng)熱都是再生能耗的主要能耗。熱再生流程再生總能耗為4.140 4 MJ/kgCO2,膜真空閃蒸再生流程再生總能耗為3.241 1 MJ/kg-CO2,約為熱再生流程的78%,這與Teramoto[8]的結(jié)論基本一致。

表1 熱再生流程中各部分再生能耗Tab.1 Distribution of regeneration energy consumption in the thermal desorption process

3.2 膜吸收流程的總能耗分析

表2比較了膜吸收-熱再生和真空閃蒸再生流程的總能耗。熱再生流程總能耗為6.9 MJ/kg-CO2,真空閃蒸流程總能耗為0.574 kW?h/kg-CO2,電廠熱效率取為40%,則真空閃蒸流程總能耗為 5.166 MJ/kgCO2,是熱再生流程的74.87%。從表中還可以看出,熱再生流程和真空閃蒸再生流程中再生能耗比重分別為60%和62.74%。在兩種流程中,再生能耗所占比重最大。真空閃蒸流程的再生能耗比重上升,但總能耗低于熱再生流程。

表2 膜吸收流程不同再生方式總能耗比較Tab.2 Comparison of energy consumption with different desorption method in the membrane absorption process

a.部分?jǐn)?shù)據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算;b,c.化學(xué)吸收壓縮能耗取0.112 kW?h/kgCO2,膜吸收取為 0.089 kW?h/kgCO2[1]。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 分析模型

固定資產(chǎn)采用平均折舊法計(jì)算折舊費(fèi)用,膜組件成本與膜面積成正比,假設(shè)設(shè)備使用年限為20年,每年運(yùn)行7 500 h[3],膜組件每5年更換一次,膜價(jià)格為40-90元/m2,本文取為70元/m2,當(dāng)煙氣處理量為100 000 m3/h時(shí),所需接觸面積為1.18×105/m2,安全因子為1.1[9]。不考慮CO2壓縮設(shè)備,采用直線折舊法計(jì)算折舊額。MEA損失量為1.6 kgMEA/tCO2[10],MEA單價(jià) SM EA=15元/kgMEA,MEA損耗成本CMEA=24元/tCO2[10]。能耗全部折合為電力消耗,參考電價(jià)為0.5元/kW?h,電力消耗 QT主要考慮泵和風(fēng)機(jī)類能耗Qpump、再生能耗 Qreg和冷卻水循環(huán)能耗Qcool,而冷卻水循環(huán)能耗等量為泵的能耗?？偝杀綜T為投資成本Ccp、電力成本Cele、操作成本 Cop、用水CH2O和 MEA損耗CMEA之和。

轉(zhuǎn)化為等量功耗:

電廠熱效率:

二氧化碳:

脫除二氧化碳后的電力成本

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

初始投資成本結(jié)果見表3[1],從表中可知化學(xué)吸收流程、膜吸收-熱再生和膜吸收-真空閃蒸流程的初始投資成本分別為6.295 2元/tCO2,5.043 7元/tCO2,5.035 5元/tCO2。其中膜吸收-熱再生和膜吸收-真空閃蒸流程分別比化學(xué)吸收流程的初始投資成本降低了19.88%和20.01%,可見膜吸收流程的初始投資成本低于化學(xué)吸收流程,膜吸收法之間的初始投資成本差別很小。

表3 設(shè)備投資費(fèi)用Tab.3 Investment cost of the equipment

表4為不同流程對(duì)電廠的影響。從表中可知,化學(xué)吸收流程、膜吸收-熱再生和真空閃蒸流程的電廠熱效率分別為24.40%,24.86%和27.23%,分別比無(wú)二氧化碳捕獲單元的熱效率降低了39%,37.85%和31.93%。膜吸收-真空閃蒸流程對(duì)電廠熱效率影響最小。在三種流程中,膜吸收-真空閃蒸流程的減排成本最低,分別比膜吸收-熱再生和化學(xué)吸收流程降低了11.59%和13.80%。3種流程減排后的電力成本分別為0.762 2元/kW?h,0.755 7元/kW?h和 0.726 0元/kW?h,分別比無(wú)二氧化碳捕獲單元的電力成本增加了52.44%,51.14%和 45.2%。由此可見,膜吸收-真空閃蒸流程都優(yōu)于其他兩種流程。

表4 不同流程對(duì)電廠的影響比較Tab.4 Comparison of various process impacts on the power plant

5 結(jié) 論

討論了不同因素對(duì)再生能耗的影響,分析了熱再生流程和真空閃蒸流程的再生能耗,其中反應(yīng)熱分別為熱再生和真空閃蒸再生能耗的46%和59.2%,是再生能耗的主要部分。在本文條件下,熱再生流程再生總能耗為4.1404 MJ/kg-CO2,膜真空閃蒸再生流程再生總能耗為3.2411 MJ/kgCO2,約為熱再生流程的78%。比較分析了兩種膜吸收流程的總能耗,再生能耗占總能耗的比重最大,在熱再生流程和真空閃蒸再生流程中所占比重分別為60%和62.74%,真空閃蒸總能耗低于熱再生流程。

最后,從初始投資成本、減排成本、電力成本和電廠熱效率幾個(gè)方面比較了化學(xué)吸收流程、膜吸收-熱再生流程和真空閃蒸三個(gè)流程的經(jīng)濟(jì)性,結(jié)果表明膜吸收-真空閃蒸具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性。

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