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从燃煤和燃气发电厂去除CO2的Aspen plus模拟外文翻译资料

 2022-08-02 10:08  

英语原文共 9 页,剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


从燃煤和燃气发电厂去除CO2的Aspen plus模拟

摘要 :

本文介绍了500MW燃煤燃气电厂的CO2去除工艺。基于速率模型的参数和其他操作条件选择的Aspen Plus,实现了85%的CO2去除。研究了吸收器压力和填充物高度对再沸器负荷的影响。随着填充物高度和吸收器压力的增加,再沸器负荷不断降低。分析了溶剂特性对CO2去除效率的影响。去除效率随着MEA浓度和温度的提高而增加。当MEA溶剂的精益负荷增加时,去除过程的效率会下降。分析了吸收器中的液体和蒸汽相温度曲线和CO2载荷,以了解模型运行。

关键词:碳捕捉;吸收;Aspen plus;敏感性分析;再沸器负荷;去除效率

1.简介

碳捕捉和储存(CCS)被认为是稳定大气温室气体和尽量减少气体变暖效应的重要选择。二氧化碳(CO2)被认为是主要的温室气体,而化石燃料发电厂是主要的排放源[1]。因此,CO2的捕捉对于保持根据标准的排放水平是非常重要。 化石燃料发电厂的碳捕捉有三种主要选择:燃烧前CO2捕捉,燃烧前从燃料中去除碳;氧燃料的燃烧,煤用氧气燃烧,而不是CO2富集环境燃烧;燃烧后捕捉,化石燃料燃烧产生能量,燃烧后从烟气中去除CO2[2].在这些选项中,目前,燃烧后CO2通过吸收和剥离过程捕捉被认为是从化石燃料发电厂清除CO2的最可行选择[3]。

2.模型开发

燃烧后化学吸收技术的主要问题是再生装置安装成本高,能源需求大。因此,降低资金和运营成本对烟气处理过程中的去除过程具有重要意义。该模型在 Aspen Plus 中开发和实施,以优化清除过程。电解质 NRTL (ELECNRTL) 特性方法用于处理 Aspen Plus 中的化学反应系统。500 MW 燃煤和燃气发电厂的烟气流数据是从文献中摘录[1, 4]。实现的过程流程图在图 1 中给出。

图1.流程图

在化学吸收中,烟气 (FLUE GAS) 进入底部的吸收器,而溶剂 (溶剂) 进入顶部。当流经柱(填充床)时,反应在MEA和CO2之间开始。未反应的气体将留在柱顶部(PURGE GAS),而 CO2 富溶剂排放在柱的底部(RICH OUT)。富溶剂通过热交换器来增加温度,然后再将其发送到汽提段。加热的富含MEA的流股 (RICH IN) 然后去汽提器顶部。在汽提塔中,蒸汽用于再生过程。最后,分离的酸性气体将留在汽提器的顶部(PURE CO2)。然后,精益 MEA 离开系统底部的汽提器(LEAN OUT) 并通过热交换器。MEA 和水被添加到精益 MEA 流 (MAKE UP) 中,以平衡组分,然后再回收回吸收单元。

该流程图模拟了燃煤和燃气发电厂的烟气中85%的CO2,并随汽提器中馏分率的变化而变化。进气和溶剂流以40摄氏度提供,吸收器在 1bar绝对压力下工作。丰富的溶剂流加热至115摄氏度,在将其发送到汽提器部分以实现最佳性能,并且剥离器在2bar绝对压力下工作之前。表 1 给出了入口烟道气流数据。

表 1.进气处的烟气成分和参数 [1, 4]

参数

燃煤

气体燃烧

流速 [tones/hr]

2424

2861

温度 [℃]

40

40

压力 [bar]

1.1

1.1

组成

摩尔百分比

摩尔百分比

H2O

8.18

8.00

N2

72.86

76.00

CO2

13.58

4.00

O2

3.54

12.00

H2S

0.05

0.00

2.1化学反应本节将介绍MEA CO2系统中发生的主要化学反应。吸收/分离部分需要严格的热力学模型[5]才能找到系统中的平衡组合物。当CO2被吸收到水溶液中[6]时,发生以下化学反应(公式1-7)。

水解反应:

溶解二氧化碳的分离:

碳酸氢盐的分离:

质子MEA的分离:

水的电解:

除了这些主要反应外,当烟气系统中存在硫化合物(燃煤烟气)时,还有两种反应发生两种反应。

硫化氢:

双硫化氢:

2.2平衡数据

液体和蒸汽相中每个组分的摩尔分数是通过上述方程求解计算的。平衡常数使用以下速率方程(方程 8)计算。

从Freguia[7]导入的平衡常量数据被考虑用于数学模型开发,并列在表2的表格中。

表2.平衡常数方程的常量值 [7]

参数

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.速率动力学数据

速率动力学数据对于了解反应体系非常重要。平衡反应1和2被速率模型方程9和10和逆反应11和12替换。

用于数学计算的动力学方程在 Aspen Plus 中定义,在公式 (13) 中给出,表 3 中的常量值。

表 3:速率常数的值

参数

反应9

反应10

反应 11

反应 12

·

4.32e-13

9.77e-10

2.38e-17

2.7963e-20

·

0

0

0

0

(cal/mol)

13249

9855.80

29450.89

17229.79

(K)

298

298

298

298

3.模拟

本文的主要思想是开发一种模型,通过灵敏度分析帮助优化过程。最初,开发开环过程流程图以优化参数,最后用闭环系统优化参数对工艺流进行修正。开放循环模型应用于参数优化。一旦流程图关闭,模型将由于再循环流而无法用于参数优化。该程序模型以单个材料平衡关闭。因此,一个参数的更改会导致工艺中物料平衡的变化。

3.1.溶剂特性对去除效率的影响

进行灵敏度分析,以检查捕获装置的溶剂性质性能的去除效率。作为最重要的因素,需要考虑分析溶剂强度、精益负荷和溶剂温度。根据这些因素的变化,分别对图2-4中的去除效率进行了研究和给出图表。

图2.CO2 去除效率随 MEA 浓度而变化

图3.CO2 去除效率变化与精益装载

图4。CO2去除效率随溶剂温度而变化

如图 2 和图 4 所示,随着 MEA 强度和溶剂温度的升高,CO 2 去除的效率也会提高。 当 MEA的浓度在 22-25% ,温度在40-45摄氏度附近时,可实现最高效率。当 MEA 溶剂的精益负载增加时,去除过程的效率就会降低(图 3)。燃气和燃煤烟气系统在这三种情况下都遵循类似的模式。然而,燃煤烟气模型的值略高于燃气模型。

3.2.参数对再沸器负荷的影响

燃烧后捕获的主要问题是再生装置对能量的高需求,即剥离柱中的重载。因此,参数对再沸器负荷的影响在优化中具有重要意义。研究了吸收压力和吸收器填充高度对再沸器负荷的影响,以优化能量需求。图5和图6分别代表吸收器压力和填充高度不同时的再沸器负荷变化。随着吸收压力和填充高度的增加,再沸器负荷降低。燃气烟气系统与燃煤系统相比,具有更高的再沸器负荷。原因是,与燃煤烟气相比,燃气烟气的二氧化碳含量较少。因此,要达到模型中定义的相同效率,与燃煤系统相比,需要处理更多的烟气燃气。

图5。使用吸收器压力的再沸器负荷变化图 6。具有吸收器封装高度的再沸器负荷变化

3.3.闭环捕获模型的模拟配置文件

使用闭环系统的优化参数实现流程图。模拟后,对煤与气应用的模型进行了温度剖面、CO2浓度剖面和载荷分析,以了解模型行为。图7表示煤和燃气燃烧系统吸收器中的液体和蒸汽相温度曲线。根据图7,燃煤烟气模型沿柱的温度范围较高。煤用烟气的CO2比燃气系统多。因此,在燃煤模型的吸收柱中,反应较多。因此,吸收装置的液体和蒸汽相温度在增加,气体燃烧系统温度曲线的最大值更高。液体和蒸汽相的温度曲线在燃气系统中重叠,燃煤工艺略有偏差。同样,图 8 表示吸收器中的液相 CO2 负载。 Co2 加载在两种情况下的列上都呈双重增加。

图7。吸收器中的液体和蒸汽相温度曲线

图8。吸收器中的CO2

4.讨论和结论

去除过程的效率在很大程度上取决于溶剂浓度、精益负荷和溶剂温度等溶剂特性。去除效率与溶剂浓度和温度成正比,而精益载荷对去除效率有反比作用。这是因为胺浓度的增加会导致捕获能力的增加。随着精益负荷的增加,二氧化碳吸收溶剂的容量降低,CO2去除效率下降。随着溶剂温度的升高,吸收的推动力减小。然而,反应速率和扩散率随着溶剂温度的升高而增加。因此,CO2去除效率随着溶剂温度的升高而增加。

再沸器负荷是吸收压力和吸收器填充高度的功能,当两个因素增加时,再沸器负荷降低。 原因是随着吸收器填充高度的增加,他实现了负载增加。同样,由于 CO 2 部分压力较高,再沸器负荷随吸收器压力的增加而降低

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