燃煤电厂优化二氧化碳气体分离模型外文翻译资料

燃煤电厂优化二氧化碳气体分离模型

绪论

本文介绍了使用了乙醇胺（MEA）作为燃煤电厂溶剂的二氧化碳去除方法。在Aspen Plus中使用基于速率的Electrolyte NRTL活性系数模型。在Aspen Plus中使用顺序模块化方法实现了将再循环溶剂返回到吸收器的完全去除。最重要的成本与二氧化碳捕获相关的是重新产生溶剂的能量需求，即再锅炉负荷。研究了参数对锅炉负荷的影响，结果表明，安装高度和吸收器直径，吸收器压力，溶剂温度，汽提器安装高度和直径等因素导致再锅炉负荷下降。另一方面，随着烟气温度的升高，锅炉的再利用率也提高了。使用温度曲线和CO 2负载曲线来检查模型行为。

关键词：二氧化碳捕获;燃煤电厂;参数效应;

1.1介绍

由于以化石燃料为主的发电厂数量众多，大量的二氧化碳排放到大气中。为了维持大气温室气体，必须开发技术来缓解这一情况。化学吸收是二氧化碳回收过程中最好和广泛使用的方法。CO2通过吸收和汽提过程捕获目前被认为是从化石燃料发电厂中去除二氧化碳的最可行的选择。该技术的主要缺点是能耗和资本太高。后燃烧CO 2捕集技术与胺溶剂是一种反应体系。因此，CO2从本体蒸气到液体溶剂和化学物质的传质胺和烟气之间的反应是要考虑的主要两个现象。

在化学吸收中，烟道气在底部进入吸收器，同时溶剂在顶部进入。反应在MEA和CO 2之间开始，同时流过填料床。未反应的气体离开塔顶，而富含CO 2的溶剂在底部排出。富溶剂通过热交换器以在将其送到汽提器部分之前增加温度。加热的富MEA流然后去顶部的汽提塔。在汽提器中，蒸汽用于再生过程。最后，分离的酸性气体离开顶部的汽提塔。然后，MEA将系统离开汽提塔底部并通过热交换器。将MEA和水加入到贫MEA流中以平衡组分，然后再循环回吸收器单元。

安装化工燃料电力行业捕获厂的主要问题是运营成本。二氧化碳捕获厂的安装增加了电力单位的成本，需要考虑运营成本的要点是运行碳捕获过程的能源需求。因此，有必要对这个话题进行研究，以降低运营成本，改进现有技术来捕获二氧化碳。本文主要从燃煤电厂烟气开发二氧化碳气体处理厂模型，模拟适应性模型，减少锅炉排放。

1.2捕获过程

电力生产的二氧化碳捕获过程分为三大类：（1）烟气分离; （2）发电厂的氧燃料燃烧;（3）预燃分离。这些技术中的每一种都带来能量和经济损失。几个技术的效率和经济性将在第五节讨论。

A.烟气分离

目前，烟气分离和二氧化碳捕获在全球约十几个设施实施。捕获过程基于化学吸收。捕获的二氧化碳用于各种工业和商业过程，例如生产尿素，泡沫吹塑，碳酸饮料和干冰生产。由于捕获的二氧化碳被用作商业商品，由于商业二氧化碳的价格实现，吸收过程虽然昂贵，但是是有利可图的。

化学吸收是指在我们的情况下，通过形成化学键合的化合物在液体溶剂中吸收气体的方法。当用于发电厂捕获CO 2时，烟道气在填料吸收塔中通过溶剂鼓泡，其中溶剂优先从烟道气中除去CO2。然后，溶剂通过再生器单元，其中通过在100-120℃下逆流蒸汽将吸收的CO2从溶剂中除去。水蒸汽冷凝，留下高浓度（超过99％）的二氧化碳流，可以将其压缩以用于商业利用或储存。将贫溶剂冷却至40-65℃，并回收到吸收塔中。

最常用的二氧化碳吸收剂是单乙醇胺（MEA）。这个过程的根本反应是：

C2H4OHNH2 H2O CO2harr;C2H4OHNH3 HCO3^-（1）

在吸收过程中，反应从左到右进行;在再生过程中，反应从右向左进行。溶剂的冷却和加热，泵送和压缩需要来自发电厂热循环的功率输入，降低发电厂的热效率（热效率）。图2中描述了发电厂烟气的化学吸收过程示意图。

为了降低资本和能源成本以及吸收和再生器（汽提塔）柱的尺寸，正在开发新的工艺。一个例子是膜吸收法，其中由聚四氟乙烯制成的微孔膜将烟道气与溶剂分离。膜允许在给定体积内的更大的接触面积，但本身膜不会与其余烟道气体分离CO2。它是选择性吸收二氧化碳的溶剂。使用气膜有几种优点：（a）包装密度高; （b）在流速和溶剂选择方面的高灵活性; （c）不起泡，引流，夹带和淹没 - 在填料吸收塔中常见的问题; （d）该单元可以容易地运输，例如。近海; （e）显着节省体重。

可以设计一次通过的擦洗过程（即，不再生步骤）。例如，人们可以用海水从烟气中洗涤二氧化碳，然后将整个混合物返回到海洋进行储存。然而，迄今为止，这些方法不如使用可再生溶剂那样实用。在海水洗涤实例中，需要大量的水会导致管道和吸收器中的压力下降。

已经考虑了其他方法从发电厂和工业锅炉烟道气中捕获二氧化碳。膜分离，低温分馏和使用分子筛的吸附。通常，这些方法的能量效率较低并且比吸收方法更昂贵。

B.氧燃料燃烧

当化石燃料（煤，油和天然气）在空气中燃烧时，取决于燃料的碳含量和燃烧所需的过量空气量，烟气中CO2的分数为3-15％处理。通过化学或物理手段将CO2与其余烟道气（主要是N2）分离是资本和能源密集型。另一种方法是用纯氧或富氧来燃烧化石燃料。以这种方式，烟气主要包含二氧化碳和水。烟气的一部分需要依次循环进入燃烧室

以控制火焰温度。从不再循环的烟道气中，水蒸气可以容易地冷凝，并且可以将二氧化碳压缩并直接输送到储存地点。

2.模型开发

考虑了500MW燃煤电厂烟气的模拟。从文献[1]中提取烟气组成和入口条件。综合流程图在Aspen Plus中开发，具有85，90和95％效率的三种不同的CO2去除模型。

从以前的研究中选择合适的操作条件，并执行灵敏度分析以检查参数的有效性。通过吸收/汽提用胺溶液吸收CO2捕获的实施模型的简化流程图如图1所示

图一：工艺流程图

2.1运行条件

该工艺流程图用于从燃煤电厂烟气中捕获85％，90％和95％的二氧化碳。吸收器和剥离器是捕获过程中主要的两个单元操作块。进口烟气和溶剂流在313K供应，吸收器在1bar绝压下运行。使用热交换器单元将富溶剂流加热至382K，然后将其送至汽提器部分以获得最大性能。汽提器在2巴绝对压力和回流比（冷凝的分数回到汽提器部分）下运行，馏出速率（PURE CO2管线的流量）用于实施汽提器单元。入口烟道气流数据选自Alie，2004 [1]，列于表1，模拟研究中选择的溶剂条件见表2。

汽提塔纯气流中的主要成分（图1中的PURE CO2）为CO 2，其余为MEA和水。使用高温（393K）蒸汽（在再锅炉中生产）从溶剂中除去CO 2。蒸汽在再生锅炉中生产，主要能源需求在过程中与再生锅炉有关。因此，实施CO 2捕获模型以减少再锅炉负荷，从而能够最小化能量需求。吸收器和汽提器部分的操作条件列于表3中。由于以下几个原因选择了Aspen Plus Rad-Frac型号用于吸收器和汽提器：

bull;是蒸发 - 液体吸收和剥离部分的主动单元操作模型。

bull;与其他可用选项相比，Rad-Frac列的模拟时间更快。

bull;与Aspen Plus中的其他可用选项相比，精度较低的收敛问题更少。

表1：烟气成分及参数[1]

表2：溶剂流参数

表3：吸收器和汽提塔规格

填充柱用于模型开发，选择包装类型以获得更好的操作条件。 包装高度，截面直径，包装因子和材料是重要因素并列表（表3）。 选择级数以获得高精度。 示出了用于吸收器和剥离器中模型开发的输入条件和模型规范在Aspen Tech [4]中，推荐使用CO2捕获过程的基于速率的模型。

2.2属性方法选择

属性方法被定义为属性计算路径的集合。 每个单位操作模式需要属性方法进行计算[5]。 主要有四种不同的物业方法适用于CO2 MEA系统：

ELECNRTL - 处理非常低和高浓度的水性和混合溶剂系统

.ENTRL-HF-类似于ELECNRTL属性方法，除了它使用HF方程的气相计算模型。

ENTRL-HG - 类似于ELECNRTL属性方法，除了使用Helgeson模型进行标准属性计算。

AMINES - 此属性方法使用Kent-Eisenberg相关K值和焓计算。

其中，选择ELECNRTL模型进行捕获过程的模拟，电解液向导用于开发模拟动力学和反应。 ELECNRTL是最通用的电解质特性方法，因为它可以处理非常低和高浓度的水性和混合溶剂系统。气体的溶解度可以用亨利定律建模，所需的系数可用于数据库。为了计算气相性质，使用了Redlich-Kwong状态方程。

2.3热力学行为

烟气中的酸性气体是弱酸性电解质，胺类是弱有机碱电解

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