林名楨，代曉東，閆廣宏，范文斌，李洪言，梁 月

(1.山東石油化工學院，山東 東營 257061；2.中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026)

自工業(yè)革命以來，人類向大氣中排入的溫室氣體逐年增加，溫室效應(yīng)也隨之增強，對人類社會和自然環(huán)境都產(chǎn)生了深遠影響，冰川融化、陸地淹沒、厄爾尼諾頻發(fā)、植被遷徙與物種滅絕等重大災難都與之密切相關(guān)[1-5]。在所有溫室氣體中，CO2對全球升溫的貢獻比例最大，約為55%。因此減少CO2的排放是一個關(guān)系到人類社會持續(xù)發(fā)展的問題。CO2的排放主要來自礦物燃料的燃燒，受各種因素制約，全球以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)近期無法發(fā)生根本性改變，所以目前最有效的辦法是在CO2在被排放到大氣中之前被分離去除。

目前被認為最有工業(yè)應(yīng)用前景的CO2分離技術(shù)主要有溶劑吸收法、固體吸附法、膜分離法和低溫分餾法[6-9]。其中低溫分餾技術(shù)因其工藝簡單、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于原料氣中CO2含量較高(體積分數(shù)>60%)的場合?；诖?，作者以某一典型的CO2低溫分餾裝置為研究對象，并同時以CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值為衡量指標，分別研究進裝置壓力、冷凝溫度、提純塔壓力和提純塔理論塔板數(shù)對關(guān)鍵指標的影響規(guī)律，得出裝置的最優(yōu)參數(shù)，建立了各指標參數(shù)與影響因素的數(shù)學公式，以其對后續(xù)的科學研究和工程設(shè)計提供一定的參考。

1 工藝流程及說明

1.1 原料

原料氣：正理莊油田花17脫水站，進站壓力為5.0 MPa，溫度為20 ℃。氣體組分為。x(N2)=0.42%，x(CO2)=96.98%，x(C1)=2.23%，x(C2)=0.07%，x(C3)=0.12%，x(iC4)=0.05%，x(nC4)=0.08%，x(iC5)=0.025%，x(nC5)=0.025%。

1.2 工藝流程

CO2原料氣首先進入低溫分餾裝置的預冷器預冷(冷量由塔頂不凝氣提供)，隨后進入液化器冷凝液化(冷凝液化所需的冷量由氨制冷系統(tǒng)提供)，液化后的CO2進入分餾提純塔提純(提純塔的塔頂冷凝氣冷量由塔頂不凝氣節(jié)流后提供)，提純后得到的液體CO2產(chǎn)品經(jīng)CO2過冷器(過冷所需的冷量也由氨制冷系統(tǒng)提供)過冷后經(jīng)管線輸送至儲罐或直接進入注入系統(tǒng)。而塔頂?shù)玫降牟荒龤饨?jīng)預冷器回收冷量后進入放空系統(tǒng)點燃后外排。流程見圖1。

圖1 CO2低溫分餾工藝流程示意圖

1.3 裝置仿真模型的建立

利用Aspen HYSYS過程仿真模擬軟件Peng-Robinson狀態(tài)方程對裝置進行建模研究[10]。

利用該軟件搭建的低溫精餾裝置的具體流程見圖2。

圖2 CO2低溫分餾裝置模擬流程圖

2 指標參數(shù)的計算

以CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值作為裝置參數(shù)調(diào)優(yōu)的關(guān)鍵指標。

2.1 CO2回收率

CO2回收率的計算見式(1)。

(1)

式中：η為CO2回收率；Mp為放空氣中CO2的摩爾流量，kgmole/h；Ma為原料氣中CO2的摩爾流量，kgmole/h。

2.2 單位能耗

單位能耗的計算見式(2)。

Q=WC

(2)

式中：Q為單位能耗，kW·h/t；W為裝置總耗電量，kW·h；C為CO2產(chǎn)量，t/h。

2.3 放空氣熱值

放空氣的熱值代表著放空氣的燃燒能力，數(shù)值越大，越易于燃燒，有關(guān)文獻[11]表明，氣體能夠被點燃的最小熱值為8.37 MJ/m3，計算見式(3)。

q=Miqi

(3)

式中：q為放空氣熱值，MJ/m3；Mi為放空氣中第i種氣體組分的分子量；qi為放空氣中第i種氣體的熱值，MJ/m3。

3 工藝參數(shù)

3.1 進裝置壓力

固定CO2冷凝溫度為-20 ℃，提純塔工作壓力為2.5 MPa，塔板數(shù)12塊，改變進裝置壓力的數(shù)值，經(jīng)軟件模擬和公式計算后，得出CO2回收率η、單位能耗Q和放空氣熱值q隨進裝置壓力的變化關(guān)系見圖3。

由圖3可知，隨著進裝置壓力的增加，CO2回收率和放空氣熱值均增加，當進裝置壓力由3.0 MPa升高至3.5 MPa，其增加趨勢較為明顯，進裝置壓力高于3.5 MPa，CO2回收率和放空氣熱值的增加趨勢明顯變緩；而對于單位能耗而言，隨著進裝置壓力的增加，其變化趨勢并不明顯，基本處于不變狀態(tài)。根據(jù)上述參數(shù)的變化規(guī)律分析，進裝置壓力選擇3.5 MPa。

進裝置壓力/MPaa 進裝置壓力對CO2回收率和單位能耗的影響

3.2 冷凝溫度的

固定進裝置壓力為3.5 MPa，提純塔壓力2.5 MPa，改變CO2冷凝溫度數(shù)值，經(jīng)軟件模擬和公式計算后，得出CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值隨冷凝溫度的變化關(guān)系見圖4。

冷凝溫度/℃a 冷凝溫度對CO2回收率和單位能耗的影響

由圖4可知，隨著冷凝溫度的降低，CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值均呈增加趨勢。冷凝溫度由-5 ℃降低到-15 ℃，其增加趨勢較為明顯，冷凝溫度繼續(xù)降低，其增加趨勢開始變緩。根據(jù)放空氣能夠點燃的熱值要求，冷凝溫度不宜高于-17 ℃，而當溫度由-17 ℃降至-25 ℃，單位能耗和CO2回收率變化并不明顯，且溫度越低，對設(shè)備和管道的材料要求越高，同時考慮放空氣的熱值裕量，溫度選擇-20 ℃。

3.3 提純塔壓力

固定進裝置壓力為3.5 MPa，CO2冷凝溫度為-20 ℃，塔板數(shù)12塊，改變提純塔壓力數(shù)值，經(jīng)軟件模擬和公式計算后，得出CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值隨提純塔壓力的變化關(guān)系見圖5。

提純塔壓力/MPaa 提純塔壓力對CO2回收率和單位能耗的影響

由圖5可知，隨著提純塔壓力的增加，CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值均呈線性規(guī)律增加。相對而言，CO2回收率和放空氣熱值增加趨勢更為明顯，考慮設(shè)備本身存在的壓降，提純塔壓力取3.4 MPa。

3.4 提純塔塔板數(shù)的優(yōu)選

固定進裝置壓力為3.5 MPa，CO2冷凝溫度為-20 ℃，提純塔壓力為3.4 MPa，改變塔板數(shù)，經(jīng)軟件模擬和公式計算后，得出CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值隨提純塔壓力的變化關(guān)系見圖6。

塔板數(shù)/塊a 塔板數(shù)對CO2回收率和單位能耗的影響

由圖6可知，隨著塔板數(shù)的增加，CO2回收率和放空氣熱值均增加，而單位能耗則逐漸降低，尤其是當塔板數(shù)由4塊增加至8塊時，相關(guān)參數(shù)的變化趨勢尤為明顯；塔板數(shù)大于8塊，各參數(shù)的變化趨勢明顯變緩；而當塔板數(shù)大于12塊，CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值則基本處于不變狀態(tài)。故最優(yōu)塔板數(shù)取為12塊。

4 函數(shù)關(guān)系式的建立

以相關(guān)參數(shù)隨進裝置壓力的變化關(guān)系為例建立函數(shù)關(guān)系式，并利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，擬合曲線與模擬數(shù)據(jù)的變化關(guān)系見圖7。

進裝置壓力/MPaa 進裝置壓力對CO2回收率和單位能耗的影響

由圖7可知，擬合曲線與模擬得出的數(shù)據(jù)具有較高的吻合性。按照同樣的道理，可以得出其他條件下，指標參數(shù)隨影響因素變化的函數(shù)關(guān)系式，具體見表1。

表1 指標參數(shù)隨影響因素變化的函數(shù)關(guān)系式

5 結(jié) 論

(1)針對特定CO2低溫精餾工藝，利用HYSYS仿真模擬軟件建立了CO2低溫分餾裝置仿真模型，并綜合以CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值作為關(guān)鍵指標，詳細研究了關(guān)鍵指標隨進裝置壓力、CO2冷凝溫度、提純塔壓力和提純塔塔板數(shù)的變化規(guī)律；

(2)根據(jù)模擬結(jié)果得出在研究工況條件下，最優(yōu)反應(yīng)條件為進裝置壓力3.5 MPa，CO2冷凝溫度-20 ℃，提純塔壓力3.4 MPa，理論塔板數(shù)12塊；

(3)分別建立了CO2回收率、單位能耗和放空氣熱值隨進裝置壓力、CO2冷凝溫度、提純塔壓力和提純塔塔板數(shù)等影響因素變化的函數(shù)關(guān)系式，并利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)擬合曲線與模擬得出的數(shù)據(jù)具有較高的吻合性。