基于ASPEN PLUS软件的电厂烟气CO2化学吸收模拟

2023年12月29日发(作者：上海最有名的改装车店)

基于ASPEN PLUS软件的电厂烟气CO2化学吸收模拟

摘要

本文提出了一种描述500MW煤炭和天然气发电厂CO2的脱除工艺。该参数和其他工作条件阿斯彭加率基础的模式被选定，实现CO2的85％去除。对吸收压力和填料高度的影响进行了研究。再沸器是用来减少填料高度增加吸收压力。对CO2溶剂性能的影响去除效率进行了分析。去除效率随MEA的浓度和温度增加而改变，当MEA溶剂贫负荷增加，去除效率降低通过对液相和汽相的温度曲线和CO2装载在吸收器进行分析，以了解模型的行为。

关键词：碳捕获；吸收；Aspen Plus；灵敏度分析；在锅炉负荷；去除率

1.简介

碳捕获和储存（CCS）被认为是大气稳定的重要选择，以减少温室气体排放和控制全球变暖的影响。二氧化碳（CO 2）被认为是主要的温室气体，发电厂燃烧化石燃料是主要的排放源[1]。因此，捕获CO2是保持排放水平的重要根据。有三个主要的选择可用于主要发电厂对化石燃料的碳捕获：燃烧前捕集CO2，在碳燃烧之前从燃料中除去；富氧燃烧，其中，煤炭燃烧用氧气代替空气与CO 2富集的环境;燃烧后捕捉，其中化石燃料燃烧以产生能量和二氧化碳从燃烧后烟道气中除去[2]。在这些选项中，燃烧后CO2捕集的吸收和汽提工艺是目前发电厂对化石燃料的CO2去除最可行的方案[ 3 ]。

2.模型开发

燃烧后的化学吸收技术的主要问题是安装成本高和在重新生成部门的能源需求量大。因此减少资本运营成本在处理电厂烟气过程中非常重要。该模型是在Aspen Plus上优化去除过程。电解质NRTL（ELECNRTL）性能是用Aspen Plus处理化学反应系统的方法。通过对500兆瓦的燃煤和燃气发电厂从文献中提取的烟道气流数据所实现的过程流程图，给出在图1。

图.1.工艺流程图

在化学吸收上，烟气(FLUE GAS)进入底部的吸收剂，溶剂(SOLVENT)进入顶部。反应开始时MEA和CO2同时流过柱（填料床）。未反应的气体在顶部（净化气体）离开塔，而CO2

富溶剂排出柱的底部（RICH OUT）富溶剂经过热换热器将其发送到所述汽提区之前提高温度。丰富加热的MEA流（RICH IN）然后进入汽提塔的顶部。在汽提塔，蒸汽用于再生流程。最后，分离的酸性气体在顶部离开汽提塔（纯CO2）。然后MEA离开系统的汽提塔底部（探出）并经过热交换器。MEA和水添加到贫MEA流（MAKE）平衡组件之前再循环回到吸收器。该流程图建模拟捕获煤炭和天然气的85％的CO2烟气在汽提塔的馏出率的变化。入口的废气和溶剂流在40℃和减震器在1巴绝对压力下操作富溶剂流被加热至115℃之前它发送到最大性能和汽提的汽提区运行在2巴绝对压力。入口烟道气流数据列于表1中。

表1。在入口烟气成分和参数[ 1，4 ]

参数

流量/小时

温度[°C]

压力[bar]

组成

H2O

N2

CO2

O2

H2S

燃煤

2424

40

1.1

％（摩尔）

8.18

72.86

13.58

3.54

0.05

燃气

2861

40

1.1

％（摩尔）

8.00

76.00

4.00

12.00

0.00

2.1化学反应

本节主要描述发生在一个MEA + CO2系统得主要化学反应。该吸收/剥离部分要求严格的热力学模型[5]寻找平衡组合物而制得。下面的化学反应（方程1-7）进行时的CO2吸收到水溶液[6]。

水解反应：

离解的溶解二氧化碳：

离解的碳酸氢盐：

质子化MEA离解：

水的离子化：

除了这些主反应，以下两个反应进行时的硫化合物存在于烟道气系统（燃煤烟气）

硫化氢：

氢二硫化物：

2.2平衡数据

在液相和气相的每一个成分的摩尔级分通过求解计算上述方程。

这是从Freguia[7]引入的平衡常数的数据被认为是数学模型开发和列于表2

表2. 平衡常数方程恒值[7]

参数

Aj

Bj

Cj

Dj

反应1 反应2 反应3 反应4 反应5 反应6 反应7

-0.52 231.46 216.05 -3.038 132.89 214.58 -9.74

-2545.53 -12092.1 -12431.7 -7008.3 -13445.9 -12995.4 -8585.47

0 -36.78 -35.48 0 -22.47 -33.55 0

0 0 0 -0.00313 0 0 0

2.3率动力学数据

率动力学数据对了解反应系统十分重要，在平衡反应1和2通过率模型方程取代9,10和向反应，11和12。

用于数学计算的动力学方程是在Aspen Plus中给出的定义和方程（13）与表3中的恒定值。

表3：速率常数的值

参数

Kj

Nj

Ej(cal/mol)

To(K)

3.模拟

本文的主要思想是发展模式，将有助于优化与流程敏感性分析。最初，开环过程流程图的制定优化的参数最后，该工艺流程图被修改以用于闭环系统的优化参数。开放环应用于模型的参数优化。一旦过程流程图是封闭的，模型不能够使用的参数优化，由于循环流。过程模型是封闭的与物料平衡。因此，一个参数的变化会引起物料平衡的改变。

反应9

4.32e+1.3

0

13249

298

反应10

9.77e+10

0

9855.80

298

反应11

2.38e+17

0

29450.89

298

反应12

2.7963e+20

0

17229.79

298

3.1。溶剂的性质对脱除效率的影响

通过检查溶剂性质对捕获装置检查去除效率的敏感性分析，溶剂强度，作为最重要的因素，对装载量和溶剂温度都进行考虑分析。根据这些因素的变化，去除效率进行了研究，并

图中给出 2-4，分别为。

图。2. CO2脱除效率与MEA浓度的变化

图.3.去除效率的变化与CO2的精益过程

图。4. CO2脱除效率与溶剂温度的变化

从图中可以看出，图2和4，对CO2的去除效率作为其强度增加溶剂温度增加。实现最大效率时的MEA浓度22-25%，温度约为40-45°C.当MEA溶剂贫负荷增加，的去除效率降低（图3）。燃气和燃煤烟气系统遵循类似模式的所有三种情况。但是，煤炭的燃值比燃气模

型烟气型号略高。

3.2.对锅炉参数的影响

与燃烧后捕获的主要问题是在再生能源的高要求部门，即汽提塔的锅炉载荷。因此，参数对锅炉负荷的影响十分重要的是要优化的。吸收压力和吸收器填料高度对锅炉负荷的影响研究，以优化能源需求。图5和6分别代表重新锅炉负荷变化器压力和填料高度，随着压力增加和包装器锅炉负荷降低高度，锅炉占空比减小。燃气烟道气系统具有较高的再沸占空比相对于重新燃煤系统。原因是，燃气烟道气相比较燃煤烟气包含更少的二氧化碳的量。因此实现模型中定义的效率要求燃煤系统的烟气过程。

图5.锅炉载荷与吸收压力的变化 图6.锅炉载荷与吸收塔填充高度变化

3.3闭环捕捉模型模拟曲线

工艺流程图与闭环系统参数优化的实现。经过模拟，温度分布，CO2浓度分布和载荷分析煤和燃气实施模型，了解模型的行为。图7表示液体在燃煤和燃气系统的液体和蒸气相的温度分布。根据图7，燃煤烟气模型具有更高的温度范围内沿柱。燃煤烟气比燃气系统包含更多的二氧化碳。因此，燃煤型更多的反应发生在吸收塔。因此，吸收器单元的液体和蒸气相的温度不断增加，最大值是在燃气系统的温度曲线更高。在液相和蒸气相的温度分布被重叠在燃气系统和在燃煤过程有轻微偏差。同样的，图8表示液相CO2在吸收器加载。下面以CO2负荷逐渐增加为例。

图.7. 液相和气相在吸收塔温度分布

图.2负荷吸收器

4。讨论和结论

去除过程的效率强烈取决于溶剂性能，如溶剂浓度，精益装载和溶剂温度。去除效率与溶剂成正比与温度成反比。这是因为，增加胺浓度会导致日益增加的捕捉能力。随着精益生产负荷增加，溶剂的吸收二氧化碳的能力下降，因此CO 2的脱出效率降低。作为溶剂，温度的增加，吸收降低驱动力。然而，反应和扩散率随着溶剂的温度升高而升高。因此，CO2脱除效率随着温度的增加而增加。

再沸器压力和吸收剂填料高度这两个因素增加，锅炉负载荷降低。究其原因，是获得丰富的负载增加与吸收器填料高度的增加。同样，降低锅炉负荷，从而降低CO2吸收的部分的压力。计算所需的再沸器燃气烟道气系统为4540千焦/千克，燃煤烟气系统为4100千焦/千克CO2。两再沸器职责是合理与文献[ 3 ]。

实现模型在Aspen Plus燃气和燃煤脱硫系统功能正常。在汽提塔的馏出率的变化计算，该CO 2脱除量为85％。弥补流加过程中保持成分的损失。MEA和H2O计算分别为362

公斤/小时和87.8吨/小时的燃气系统和627公斤/小时和119吨/小时燃煤系统的补充气流的要求。

温度分布的液相和气相遵循类似的模式和温度的凸起显示接近顶部。燃煤系统比燃气系统温度曲线达到更高的温度。CO2加载轮廓具有在两种情况下，类似的流动方式。最大值达到0.4左右，并在煤更高燃煤烟气系统。这些文件的了解十分重要。

参考文献

[1] ALIE CF. CO2捕获与MEA：马金江吸收过程和现有燃煤电厂蒸汽循环。硕士论文，加拿大Waterloo大学; 2004年。

[2]武拉尔A.清洁煤和碳捕获和土耳其的存储技术路线图。硕士论文，中东技术大学，土耳其; 2010

[ 3 ] kothandaraman A.捕获二氧化碳的化学吸收：溶剂的比较研究。博士论文，马萨诸塞州美国技术研究所；2010。

[ 4 ]氟对IEA温室气体方案。与燃烧后捕获的CO2发电的改进。最终报告。报告数分布／33；十一月2004。

[ 5 ] aboudheir AA。动力学，建模，和二氧化碳吸收到高度集中和单乙醇胺溶液模拟加载。博士论文，里贾纳，加拿大大学；2002。

[ 6 ]迈克尔广告模型的汽液平衡的酸气的链烷醇胺的水系统。博士论文，德克萨斯大学，美国；1989。

[ 7 ]。freguia从烟道气建模去除CO2和单乙醇胺。硕士学位论文，2002年的德克萨斯州大学，美国；