基于速率模型的胺法碳捕集系统吸收塔内传热传质耦合模型

＊李东航 董文峰 杨凯翔 刘炳成

（青岛科技大学 山东 266061）

1.前言

随着全球气候变化问题日益严重，减少碳排放已经成为全球共同关注的重要问题。火电厂是能源行业二氧化碳主要排放源之一。

碳捕集、利用和封存（CCUS）技术被广泛认为是减少大气中二氧化碳（CO2）浓度的有效途径之一，也是目前实现化石能源低碳化利用为数不多的技术选择[1]。烟气碳捕集技术有化学吸收法、物理吸附法、膜分离法等。化学吸收法因其高效性和针对火电厂烟气的适用性得到了广泛研究和关注，国内已有许多投运或建设中的化学吸收法CCUS示范项目。

化学吸收法中，吸收塔内化学吸收是一个伴有放热反应的热质耦合复杂过程，多采用Aspen Plus等流程模型软件[2-3]或中试实验的方法对其进行传热传质研究。Aspen Plus软件中，不同计算方法的选取，导致同一工况下的传质传热结果相差较大[4]，中试实验则需要大量人力物力投入。

本文综合考虑了气相CO2浓度与吸收剂负载的变化和汽化潜热、反应热对流换热及吸收过程的影响，搭建热质耦合数学模型。与ASPEN结果进行比对以确定模型准确性后，对某电厂采用MEA吸收剂的吸收工艺流程进行了分析和工艺优化。

2.模型建立

(1)传热传质微元模型建立

将吸收塔内填料作一维处理，分成数个微元段，微元段模型如图1所示。为使计算结果更接近实际运行情况，传质计算中采用速率模型而非理想平衡模型。对模型做出如下简化与假设：①过程为绝热过程，不与外界环境换热。②填料塔内溶液、烟气之间的传热传质是稳态的，忽略轴向混合。③传质与传热的相界面积相同。④传热过程中，液膜阻力忽略不计。⑤微元中气液的物性始终与微元一侧（上侧或下侧）的流股物性一致。⑥微元中气相惰性气体全部为氮气。⑦忽略胺挥发，吸收液体积流量不变。⑧忽略气相压力损失。

图1 吸收塔微元模型图

图1中，G为烟气的摩尔流量，kmol/h；GB为烟气中惰性气体（N2）的摩尔流量，kmol/h；Ga为烟气中CO2的摩尔流量，kmol/h；GW为烟气中水蒸气的摩尔流量，kmol/h；L为吸收液的摩尔流量，kmol/h；XA为吸收液负载，molCO2/molAmine；tG为气相温度（微元下侧），℃；tL为液相温度（微元下侧），℃。

(2)模型平衡方程

①质量平衡方程。微元中传质包括CO2的吸收和水的蒸发或水蒸气的冷凝两部分。气相中CO2和H2O的变化量与液相中变化量相同，微元气液相进口的总摩尔流量与出口气液相总摩尔流量相等。

结合已有的传质模型，微元质量平衡方程为：

式中，aw为填料的有效比表面积，m2/m2；A为吸收塔截面积，m2；dz为微元高度，m；P为吸收塔内绝对压力，kPa；am为传质系数，kmol/(m2·h·kPa)；ya为烟气中CO2的摩尔分数；ca*为吸收液CO2饱和状态下对应的摩尔分数，与吸收液负载、温度相关；am为水传质系数，m/s；pB为气液界面温度对应的水蒸气饱和分压，kPa；pv为气相水蒸气分压，kPa。

②热量平衡方程。微元中的气液两相之间的热量传递包括对流换热和气化潜热两部分，其中气化潜热只对液相温度产生影响。液相吸收CO2后会在液膜内部产生反应热，由于气液直接接触时液相一侧的给热系数远大于气相，为简化计算假设此部分热量全部作用液相[5]。

结合以上分析与传热模型，能量平衡方程为：

式中，CpG为气相的比热容，kJ/(kmol·℃)；CpL为液相的比热容，kJ/(kmol·℃)；U为传热系数，kJ/(m2·h·℃)；Hw为水蒸气的潜热，kJ/mol；Hamine为反应焓，kJ/mol(CO2)。

(3)模型计算方法

填料塔各个微元按照从下到上的计算方式进行计算，塔底第一个微元为计算开始微元。工程实际中，塔底烟气进口参数与塔顶吸收液进口参数为已知参数，为完成计算，首先假设塔底液相参数，将所得计算结果中的塔顶吸收液参数与已知数值比对，调整假设值，最终得出计算结果。

3.模型准确性验证

为验证模型的准确性，现对如下工况分别用模型与ASPEN模拟软件进行计算，并比对计算结果。

工况条件如表1 所示。A S P E N 模拟中吸收塔（ABSORBER）单元由于涉及传质传热过程，采用严格的多级气-液精馏操作单元RadFrac模块。计算模型采用速率模式，选用20块塔板进行计算，选用MELLAPAK250Y填料，相界面积、传质传热系数停留时间关联式分别选用Hanley-St10、Hanley-St10、ChiltonandColbum、Brf-92方法，流动模型设置为混合流动模型（Mixedflowmode）。

ASPEN模拟结果的捕集率为90.02%，模型计算的捕集率为93.87%。模型计算结果中气液两相温度随填料变化趋势、吸收剂负载变化对填料高度变化趋势与ASPEN模拟结果中，各取值点位误差不超过5%。此部分误差是由于模型假设塔内压力恒定忽略压降导致的。

4.工艺优化结果与讨论

某电厂CCUS示范项目中，烟气进吸收塔设计流量为100000Nm3/h，其中烟气CO2体积分数约为12%，经碱洗塔降温除尘后，进入吸收塔温度为40℃左右。吸收塔吸收段填料高度为20m，采用MEA吸收剂，吸收剂贫液入口温度为40℃，脱除率不低于90%。

（1）气液比优化。气液比是影响捕集系统的重要运行参数。不同液气比下，气液两相温度随填料高度变化曲线如图2所示。气液比降低，气液相温度增大，这是因为传热量相对不变，而液相质量流量更低，导致液相温度增高。不同液气比下，温度峰值所处位置相差不大。

图2 不同液气比下气液两相温度随填料高度变化曲线

不同液气比下，气相CO2浓度随塔高变化曲线与捕集率如图3所示。吸收塔捕集率随气液比增大而升高，但增幅明显变缓，气液比由243.9Nm3/m3增大至285Nm3/m3时，捕集率由85.51%升高至90.80%，由285Nm3/m3增大至344.82Nm3/m3时，捕集率仅由90.80%升高至92.40%。

图3 不同气液比下吸收性能结果

增大气液比会增加填料有效比表面积和液相传质系数，但由图3a可知，气液比过大会导致气相CO2浓度过快降低，两相间CO2传质驱动力下降过快，阻碍CO2的吸收，进而导致捕集率随气液比增大的趋势减缓。

系统CO2捕集量一定时，气液比增大会使贫富液间循环负载降低，再生能耗中的显热会随循环负载的降低而增大[6]，工程实际中，气液比的优化应综合考虑捕集率与再生能耗进行，最佳气液比为285Nm3/m3。

（2）填料高度优化不同填料高度下，吸收塔吸收性能如图4所示。填料高度由10m增加到20m，捕集率由73.31%升高至90.81%，而填料高度由20m增大至25m，捕集率仅由90.81%增大至93.96%。填料高度增大，气液传质面积随之增大，CO2吸收量增大从而导致捕集率升高。而进一步增大填料高度，由图4a可知，填料高度为25m时，气相CO2在填料中段迅速降低，CO2吸收速率随之降低，导致捕集率增速降低。

图4 不同填料高度下吸收塔吸收性能

5.总结

本文基于速率模型建立了吸收塔内传热传质耦合计算模型。相同工况条件下，将模型计算结果与Aspen Plus工艺模拟软件计算结果进行比对，误差控制在5%以内。基于此模型对某电厂化学吸收法CCUS示范项目中，吸收塔内吸收工艺进行了分析优化，结果如下：气液比降低，气液温度增大，但气液两相温度峰值出现的位置大致相同，在距离填料顶端相对高度75%处；优化结果显示最佳气液比为285Nm3/m3，最佳填料高度为20m；实际工程应用中，不应一味提高气液比和填料高度增大吸收塔吸收性能，应综合考虑再生能耗、捕集率、经济成本进行优化。