蒲 鶴梁光川何慧娟陳曉春

1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 6 1 0 5 0 0；

2.青島泰能天然氣有限公司，山東 青島 2 6 6 0 0 0

0 前言

目前，我國大多數(shù)發(fā)電廠為燃煤電廠，電廠中含有大量CO2的尾氣，進(jìn)入大氣嚴(yán)重影響了世界環(huán)境、人類健康。控制溫室氣體排放是我國積極應(yīng)對全球氣候變化、治理霧霾的重要任務(wù)，如何降低CO2排放并將其有效利用成為當(dāng)前環(huán)境和能源領(lǐng)域的主要研究方向[1]。

燃燒后脫碳是目前常用的脫碳技術(shù)，按捕集原理劃分，捕集方法可分為：物理吸收法、化學(xué)吸收法、物理-化學(xué)吸收法、膜吸收法及生物技術(shù)法。本文主要討論物理類的MDEA法和化學(xué)類的NHD法[2]。

1 CO2捕集工藝

待處理煙囪尾氣的主要成分見表1。

表1 電廠排放煙道氣的主要成分

1.1 MDEA法

MDEA溶液為甲基二乙醇胺，屬于乙醇胺類溶液。在處理CO2分壓較低的氣體時(shí)，MDEA溶液針對性強(qiáng)，處理量大，吸收過程發(fā)熱量低，發(fā)泡傾向和腐蝕性均低于MEA，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定不易變質(zhì)[3]。工業(yè)上，MDEA溶液的質(zhì)量濃度為50%。工藝原理流程見圖1。

圖1 MEDA法吸收CO2流程圖

煙氣進(jìn)入吸收塔向上流動，在塔板上與自上而下的MDEA溶液（貧液）逆流接觸，剩余的尾氣中CO2含量降低至3%以下。富液出吸收塔后經(jīng)過節(jié)流換熱進(jìn)入再生塔，加熱后析出CO2變?yōu)樨氁海a(bǔ)充的吸收劑跟貧液一起經(jīng)溶液泵增壓進(jìn)入回收系統(tǒng)循環(huán)使用[4]。

在Aspen Plus中對MDEA法分離CO2流程進(jìn)行模擬，模擬過程利用Radfrac模塊，物性計(jì)算采用ELECNRTL方法，并假設(shè)：忽略反應(yīng)動力學(xué)的影響；吸附和再生過程中壓力保持不變；各部分氣液混合均勻；氣液平衡狀態(tài)中，CO2、H2、CO、CH4、N2等氣體均符合亨利定律。

MDEA法的主要參數(shù)設(shè)置：吸收塔壓力為3 MPa，再生塔壓力為0.1 MPa，閃蒸塔溫度為28℃，吸收劑進(jìn)口溫度38℃，煙氣進(jìn)口溫度40℃，溶液泵效率為0.78[5]。 通過模擬得到吸收塔出口煙氣成分見表2。

表2 吸收塔出口煙氣的主要成分

將原始煙道尾氣與吸收塔出口煙氣進(jìn)行成分對比，得到MDEA法對CO2的吸收率達(dá)到91%，可以有效脫除煙道氣中的CO2。

1.2 NHD法

NHD法類似于Selexol技術(shù)，以聚乙二醇二甲醚為主要的吸收溶劑。NHD溶液主要吸收COS、H2S、CO2等氣體。NHD法具有較好的選擇性，以CO2在NHD溶液中的溶解度為1表示，各種氣體組分在NHD溶液中的相對溶解度見表3。NHD法分離CO2的工藝流程見圖2。

表3 溶液中的相對溶解度

圖2 NHD法分離CO2流程

煙氣換熱后進(jìn)入吸收塔，與自上而下的NHD溶液充分接觸，絕大部分的CO2被溶液吸收，凈化的煙氣從塔頂排出。富液進(jìn)入緩沖罐后部分氣體汽化，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮重新進(jìn)入吸收塔，剩余的富液經(jīng)過水力透平后逐級進(jìn)入閃蒸罐，分離出CO2成為貧液。CO2經(jīng)壓縮機(jī)壓縮得到高純度CO2產(chǎn)品，貧液經(jīng)過循環(huán)泵增壓冷卻回到吸收塔循環(huán)利用。

NHD法的主要參數(shù)設(shè)置：CO2壓縮機(jī)效率為0.84，水力透平效率為0.76，回流氣壓縮機(jī)效率為0.8，吸收劑壓縮泵效率為0.79，冷凝介質(zhì)蒸發(fā)溫度為10F。

利用Aspen Plus對吸收過程進(jìn)行模擬，利用PC-SAFT狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算。處理的煙道氣成分與表1所示的相同。通過模擬得到吸收塔出口煙氣成分，見表4。

表4 吸收塔出口煙氣的主要成分

將原始煙道尾氣與吸收塔出口煙氣進(jìn)行成分對比，得到NHD法對CO2的吸收率達(dá)到93.4%，可以有效脫除煙道氣中的CO2。

2 工藝比較

2.1 耗能比較

在相同的基礎(chǔ)條件下對兩種吸收方法進(jìn)行能耗比較，基準(zhǔn)氣參數(shù)見表5（進(jìn)口CO2的壓力為1 MPa）。

表5 基準(zhǔn)氣體主要成分

假設(shè)進(jìn)口氣體均為表5所示的基準(zhǔn)氣體，MDEA法及NHD法吸收CO2過程的吸收率均為90%。脫除CO2的比較結(jié)果見表6，MDEA法吸收劑的流量約為NHD法的1/2，而過程的能耗約為MDEA法過程的329%[6]。

表6 MDEA及NHD法脫碳過程比較

2.2 CO2吸收率影響

本小節(jié)分析CO2吸收率與吸收劑流量的關(guān)系，見圖3。吸收劑的相對流量均為對應(yīng)吸收率下的吸收劑流量與最高吸收率對應(yīng)數(shù)值的比值[7]。由圖3可以看出，對于MDEA法，提高CO2吸收率，吸收劑的流量接近于線性變化，而對于NHD法，吸收率低于95%時(shí)，NHD法與MDEA法的變化規(guī)律相似，超過95%變化劇烈。CO2吸收率的降低對NHD法的吸收劑流量的影響更為明顯。

圖3 吸收劑的相對流量變化

3 結(jié)論

在相同的處理情況下，NHD法吸收CO2的能耗較MDEA法低得多，但NHD法吸收劑的流量約為MDEA法的2倍，且NHD法吸收的CO2量略小于MDEA法；提高CO2吸收率，兩種方法的吸收劑流量都需提高?？紤]到MDEA溶液吸收法脫碳工藝技術(shù)成熟，能耗適中，天然氣發(fā)電裝置余熱可供應(yīng)MDEA溶液吸收法所需的大量熱量，所以，在處理燃煤電廠煙道尾氣時(shí)，MDEA法優(yōu)于NHD法。

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