燃气烟气中低浓度CO2的低能耗高效捕集工艺模拟优化

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2024-0716

摘要/Abstract

摘要：

燃气烟气中CO₂捕集一般采用化学吸收工艺，该工艺需要优化实现CO₂脱除率提高、能耗降低。本文使用Aspen Plus模拟了典型醇胺法CO₂捕集和优化的低能耗高效CO₂捕集过程，考察了两种工艺下乙醇胺（MEA）+H₂O和MEA+甲基二乙醇胺（MDEA）+H₂O不同吸收剂循环量、吸收温度对CO₂脱除率和贫液再生能耗的影响，分析了最优工艺技术条件，两种工艺的设备及公用工程运行成本。研究结果表明，典型醇胺法CO₂捕集工艺和低能耗高效CO₂捕集工艺都可以达到捕集后CO₂纯度≥90%（体积分数）、CO₂脱除率>90%、能耗<3.0GJ/tCO₂的设计要求，MEA+H₂O吸收剂的最优循环量是60m³/h，MEA+MDEA+H₂O吸收剂的最优循环量是65m³/h，吸收温度是40~45℃。相同吸收剂及循环量下，两种工艺的CO₂脱除率和CO₂回收率基本相同，低能耗高效CO₂捕集工艺贫液再生能耗可降低0.13GJ/tCO₂。CO₂捕集工艺经过优化后，设备投资及公用工程运行成本可以明显降低。

关键词: 低浓度CO₂烟气, 脱碳, 贫液再生能耗, CO₂脱除率, 工艺模拟

Abstract:

The capture of CO₂ from flue gas is commonly achieved using chemical absorption processes. The process requires optimization to enhance CO₂ removal efficiency while minimizing energy consumption. This paper used Aspen Plus simulation to model both the typical amine-based CO₂ capture process and an optimized low-energy, high-efficiency CO₂ capture process. The effects of MEA + H₂O and MEA + MDEA + H₂O absorbent circulation and absorption temperature on CO₂ removal rate and energy consumption of lean solution regeneration were investigated. The results revealed that both the typical amine-based process and the low-energy, high-efficiency process met the design requirements of capturing CO₂ with a purity of ≥90% and a removal efficiency of >90%, while keeping energy consumption below 3.0GJ/tCO₂. The optimal solvent circulation rates were 60m³/h for MEA+H₂O and 65m³/h for MEA+MDEA+H₂O. The absorption temperature range was 40—45℃. Under the same absorption agent and circulation rate, both processes achieved similar CO₂ removal rates and recovery efficiencies. The low-energy, high-efficiency CO₂ capture process reduced the energy consumption for lean liquid regeneration by 0.13GJ/tCO₂. After the optimization of CO₂ capture process, equipment investment and utility consumption costs could be significantly reduced.

Key words: low-concentration CO₂ flue gas, CO? removal, lean liquid regeneration heat consumption, CO₂ removal efficiency, process simulation

中图分类号:

TQ028.1

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图/表 13

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参数	MEA+H₂O					MDEA+MEA+H₂O
参数	原料气（烟气）	净化气	解吸气	吸收剂(贫液)	吸收剂 (富液)	净化气	解吸气	吸收剂（贫液）	吸收剂（富液）
流量/m³∙h^-1	46149.7	46172.7	1302.2	60	61.48	46566.5	1282.9	65	66.2
温度/℃	40	49.4	40	40	41.92	49.2	40	40	41.78
压力（绝对）/kPa	110	101.3	130	180	110	101.3	130	180	110
主组分摩尔分数（CO₂）/%	2.86	0.246	92.1	0.028	0.05	0.277	92.1	0.027	0.057

参数	MEA+H₂O					MDEA+MEA+H₂O
参数	原料气（烟气）	净化气	解吸气	吸收剂(贫液)	吸收剂 (富液)	净化气	解吸气	吸收剂（贫液）	吸收剂（富液）
流量/m³∙h^-1	46149.7	46172.7	1302.2	60	61.48	46566.5	1282.9	65	66.2
温度/℃	40	49.4	40	40	41.92	49.2	40	40	41.78
压力（绝对）/kPa	110	101.3	130	180	110	101.3	130	180	110
主组分摩尔分数（CO₂）/%	2.86	0.246	92.1	0.028	0.05	0.277	92.1	0.027	0.057

参数	典型醇胺法CO₂捕集工艺					低能耗高效CO₂捕集工艺
参数	原料气（烟气）	净化气	解吸气	吸收剂贫液（MDEA+ MEA+H₂O）	吸收剂富液（MDEA+ MEA+H₂O）	净化气	解吸气	吸收剂贫液（MDEA+ MEA+H₂O）	吸收剂富液（MDEA+ MEA+H₂O）
流量/m³·h^-1	46149.7	46566.5	1282.9	65	66.2	46958.3	1284.56	65	66.8
温度/℃	40	49.2	40	40	41.78	50.6	40	42	42.25
压力（绝对）/kPa	110	101.3	130	180	110	101.3	130	180	110
主组分摩尔分率（CO₂）/%	2.86	0.277	92.1	0.027	0.057	0.28	92.1	0.027	0.0581

参数	典型醇胺法CO₂捕集工艺					低能耗高效CO₂捕集工艺
参数	原料气（烟气）	净化气	解吸气	吸收剂贫液（MDEA+ MEA+H₂O）	吸收剂富液（MDEA+ MEA+H₂O）	净化气	解吸气	吸收剂贫液（MDEA+ MEA+H₂O）	吸收剂富液（MDEA+ MEA+H₂O）
流量/m³·h^-1	46149.7	46566.5	1282.9	65	66.2	46958.3	1284.56	65	66.8
温度/℃	40	49.2	40	40	41.78	50.6	40	42	42.25
压力（绝对）/kPa	110	101.3	130	180	110	101.3	130	180	110
主组分摩尔分率（CO₂）/%	2.86	0.277	92.1	0.027	0.057	0.28	92.1	0.027	0.0581

设备名称	典型醇胺法CO₂捕集工艺					低能耗高效CO₂捕集工艺
设备名称	数量	处理能力（单台）	设计条件	功率（单台）	单价 /万元	数量	处理能力（单台）	设计条件	功率（单台）	单价 /万元
吸收塔	1	50000m³∙h^-1	190kPa，60℃		350
超重力吸收器						1	50000m³∙h^-1	190kPa，60℃	15kW	220
富液缓冲罐	1	67m³∙h^-1	145kPa，50℃		5	1	67m³∙h^-1	145kPa，50℃		5
贫液冷却器	2	105m²，1303kW	800kPa，80℃		10	2	105m²，1303kW	800kPa，80℃		10
贫液泵	1	70m³∙h^-1		30kW	4	1	70m³∙h^-1		30kW	4
富液泵	1	70m³∙h^-1		30kW	4	2	40m³∙h^-1		15kW	2
贫富液换热器	4	46.6m²，3037kW（总）	800kPa，160℃		20	2	24m²，1520kW（总）	800kPa，160℃		20
再生气与富液换热器						1	20m³，157kW	800kPa，160℃		15
再沸器冷凝水与富液换热器						1	20m³，157kW	800kPa，160℃		6
再生塔	1	70m³∙h^-1	150kPa，120℃		80	1	70m³∙h^-1	150kPa，120℃		80
重沸器	1	170m²，1820kW	800kPa，160℃		29	1	170m²，1820kW	800kPa，160℃		29
CO₂冷却器	1	20m³，251.3kW	200kPa，120℃		15	1	20 m³∙h^-1，251.3kW	200kPa，120℃		15
CO₂分液罐	1	2319m³∙h^-1	200kPa，120℃		12	1	2319m³∙h^-1	200kPa，120℃		12
贫液缓冲罐	1	70m³∙h^-1	110kPa，50℃		10	1	70m³∙h^-1	110kPa，50℃		10
总计				60kW	539				75kW	428

燃气烟气中低浓度CO₂的低能耗高效捕集工艺模拟优化

Simulation and optimization of low energy consumption and high efficiency capture process for low concentration CO₂in flue gas

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名称	规格	典型醇胺法CO₂捕集工艺			低能耗高效CO₂捕集工艺
名称	规格	消耗量	用量	费用	消耗量	用量	费用
低压饱和蒸汽	0.5MPa，150℃	2.98GJ∙(tCO₂)^-1	1.408t∙(tCO₂)^-1	309.76CNY∙(tCO₂)^-1	2.6GJ∙(tCO₂)^-1	1.23t∙(tCO₂)^-1	270.6CNY∙(tCO₂)^-1
电	380V，220V	6kW∙h^-1	30kW∙h^-1∙(tCO₂)^-1	24CNY∙(tCO₂)^-1	75kW∙h^-1	37.5kW∙h^-1∙(tCO₂)^-1	37.5CNY∙(tCO₂)^-1
新鲜水	0.30~0.6MPa（表压）环境温度	7.5t∙h^-1	3.75t∙(tCO₂)^-1	18.75CNY∙(tCO₂)^-1	7t∙h^-1	3.5t∙(tCO₂)^-1	17.5CNY∙(tCO₂)^-1
总计				352.51CNY∙(tCO₂)^-1			325.6CNY∙(tCO₂)^-1

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