MEA吸收烟气中二氧化碳过程的建模与分析(2)

中的二氧化碳，许多研究学者都专注于基于此溶液的捕捉过程建模与分析来最优化过程性能，德州奥斯汀分校的研究小组就通过建立试验平台对MEA吸收二氧化碳过程的单个吸收塔和单个汽提塔进行了平衡级与非平衡级仿真模型的研究与分析[4,5,6,7,8]。一个完整的系统模型对于全面分析过程性能特性是必要的，例如当电厂负荷发生变化时，电厂与捕捉装置之间的高度热耦合作用产生的影响，以及整个捕捉装置的操作性能优化如何降低能耗损失等。本文运用Aspen Plus化工流程软件建立了完整二氧化碳捕捉系统的非平衡级模型。

2 非平衡级模型

图1所示为本文建立的基于MEA吸收二氧化碳捕捉系统非平衡级模型的流程图。吸收塔运行条件为一个大气压和40~60℃，脱硫后的烟气含有10~15%的CO2进入吸收塔，在吸收塔中与一乙醇胺水溶液逆流接触。二氧化碳通过可逆反应吸收进入一乙醇胺水溶液形成富液（相对于二氧化碳含量）。富液在进入汽提塔之前通过热交换器被提前预热。在汽提塔中，工作在1.6个大气压，热量由再沸器中以蒸汽的形式提供致使化学反应平衡逆向进行，释放出CO2。其中CO2和水蒸汽被送往压缩过程。而热的贫液从汽提塔底部流出在到达吸收塔之前被送回到热交换器进行冷却。

图1. 非平衡级模型流程图

Fig 1. Rate-based model system flowsheet

本模型采用德州奥斯汀分校的试验装置运行数据来设定进料状态和单个塔的设计参数。为了简化模型，本文假设烟气中只含N2, O2, CO2 和H2O。吸收塔中的热损失和压损都忽略不计，汽提塔中的压损也忽略不计。冷却器cooler用来确保进入吸收塔的溶液温度在40℃。热交换器用来维持进入汽提塔的温度在恒定值。混合器用来补充MEA和水以维持系统的质量守恒。泵用来增加液体的压力维持系统的正常运行。

3 模型验证

通过模型的稳态仿真结果与德州奥斯汀分校的实验室数据的对比，本文对所建立的模型进行了验证。德州奥斯汀分校的试验装置设计为闭环系统来捕捉二氧化碳，系统采用32.5%质量浓度的一乙醇胺水溶液。测试工况包含24种操作条件的48组试验运行一个月时间[9]。

本文选取液汽比较低的工况47和液汽比较高的工况32来进行稳态性能验证。在工况32中，液汽比为6.6。而在工况47中，液汽比为3.4。两个工况分别代表吸收塔中两种不同类型的试验温度曲线。吸收塔中液相的试验测量温度曲线与模型仿真结果的温度曲线对比图如图2，3所示。

图2. 工况32吸收塔液相温度曲线图 Fig 2. Case 47 Absorber Temperature Profile