糖厂锅炉烟道气吸附过程数值模拟

黄世钊，吴林杰，向冰，薛敏华

(1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；2.广西工业技师学院 电气应用技术系，广西 南宁 530031;3.广西大学 化学化工学院，广西 南宁 530004)

在当今社会，化石燃料依旧是主要的能源来源，而化石燃料燃烧带来的大量CO2所引起的环境问题依旧日益突出。在国家十三五年规划[1]中也强调要主动去控制碳排放，采取有效的方法去控制电力、化工、食品和钢铁等重点行业的碳排放，所以采用哪种技术去减少CO2的排放量，使得环境与企业达到“共赢”，有着重要的意义。广西有100多家甘蔗糖厂，其锅炉吨位在1.2×108t左右，每年排放CO2约有1×107t[2]，将糖厂锅炉烟道气中的CO2进行捕集、封存和利用，这样既减少环境的污染，又综合利用了资源。所以在处理糖厂锅炉烟道气中，研究糖厂锅炉烟道气中CO2的回收利用无疑具有十分重要的意义。目前工业上分离CO2的技术有物理吸收、化学吸收、低温液化、膜分离、吸附等方法，其中变压吸附法由于具有适用广、操作简单、灵活度大和能耗低等优点，被广泛应用[3]。变压吸附技术在烟道气、空分、煤层气、氨厂弛放气和天然气等气体分离中，有广泛的应用与研究，其中张正旺[4]通过吸附试验分析得出硅胶对CO2/N2有较大的分离因子；程烦[5]采用Aspen Adsorption 对空气纯化与吸附实验有较好的拟合，对实际工程有一定的指导作用；张中正[6]通过对吸附剂进行了不同改性，对CO2/N2进行吸附分离，得出同胺(TEA、MDEA、DEA)改性吸附剂，在常温下都具有很好的再生性和稳定性；王春荣[7]通过改性硅胶对CO2/N2进行了吸附分离试验，得到涂渍35%MDEA的硅胶在0.4 MPa对CO2/N2有较好的分离效果最好。

本文采用Aspen Adsorption 软件对预处理后的糖厂锅炉烟道气进行吸附过程数值模拟，并分析了不同压力、温度、CO2的传质系数、吸附剂堆积密度和颗粒直径对CO2吸附穿透曲线的影响，其研究结果对实际吸附生产中的工艺操作和参数优化有一定的指导意义。

1 数学模型与参数设置

1.1 模型假设

①原料(烟道气)预处理(除尘、干燥)彻底，其主要成分为CO2(9.7%)和N2(90.3%)；②进、出口的气体均为理想气体；③吸附剂对N2的吸附能力远低于CO2的吸附能力；④忽略气固两相间的热传导；⑤忽略气体通过吸附塔轴向的压力损失。

1.2 数学模型

1.2.1 吸附过程中的偏微分方程解法

模拟过程的偏微分方程的发散方法采用UDS1[8]，即为一阶上风差分法。方程式为：

(1)

将吸附塔沿塔长离散成20个节点，每两个节点之间的距离为0.3 m，能够满足吸附模拟中的精度要求。

1.2.2 平衡方程

① 动量守恒方程

假设气体在吸附塔内的流动遵循活塞流，即径向浓度相同，轴向没有扩散。

气流穿过吸附床层的阻力降用欧根(Ergun)方程[8]计算。等式如下：

(2)

式中，P为床层压降，kPa；z为吸附柱轴向距离，m；εi为空隙率，m3(空隙)/m3(床层)；dp为颗粒直径，m；ψ为颗粒形状因数；μ为动力学黏度，Pa·s；ug为表观气速，m/s；M为摩尔质量，kg/kmol；ρg为气相摩尔密度，kmol/m3。

② 质量守恒方程

因模型假设只有对流而忽略了扩散，因此液相中单组分的质量平衡方程[8]如下：

(3)

式中，yi为组分i的摩尔分数，mol/mol；ρs为固相堆积密度，kg/m3；t为时间，s;qi为组分i的质量分数，kg/kg。

③ 动力学方程

假设液相和固相之间只有对流传质，利用线性推动力来描述传质阻力，传质速率与吸附速率相等，并忽略扩散项。等式[8]如下：

(4)

④ 能量守恒方程

采用Isothermal[8]方式，即假设气体温度(Tq)始终与吸附塔壁面温度(TW)相等。

1.3 参数设置

① 物性数据

模拟计算过程中，物性采用Aspen Tech中的Aspen Properties进行添加设置，热力学方法采用NRTL方程，其对酸性气体模拟有较好的适应性[9]。

② 吸附等温线模型

根据文献[4]得，分离CO2/N2，选用硅胶作为吸附剂有较好的分离效果。CO2/N2在不同压力下的静态吸附量[4]见表1。CO2在硅胶吸附过程中符合Langmuir1模型[8]，其拟合方程为：

(5)

式中，Pi为组分i的分压，Pa；IP1i、IP2i为组分i的等温吸附线常数，其中IP1(CO2)=1.541 62×10-3、IP2(CO2)=0.724 425、IP1(N2)=3.030 29×10-5、IP2(N2)=-0.049 731 6。

表1 CO2/N2在不同压力下的静态吸附量

③ 操作条件

初始操作条件：T=298.15 K，P=200 kPa，CO2/N2的MTC分别为1 s-1和10-10s-1。进料流量0.068 2 kmol/s,组成为CO2(9.7%)和N2(90.3%)。吸附剂和吸附床特性参数见表2。

表2 吸附塔和吸附剂的特性参数

1.4 模型验证

糖厂锅炉烟道气吸附过程的吸附数值模拟流程如图1所示。

图1 吸附过程数值模拟流程

Fig.1 Numerical simulation of adsorption process flow diagram

图2 不同压力下CO2吸附量的模拟值与试验值

本文采用Langmuir1等温吸附线模型对烟道气进行吸附脱碳过程模拟的研究与分析，可用于分析多因素对吸附脱碳过程的影响以及寻找最适合的操作条件。按上述“1.3节”的操作条件和模型进行CO2/N2吸附模拟，图2为CO2/N2不同压力下吸附量的模拟值与试验值的对比。

由图2可知，模拟过程的CO2吸附量与静态吸附量(表1)的变化趋势基本一致，这论证了本模型的正确性。

2 结果与讨论

2.1 CO2的穿透曲线

图3为在上述的初始操作条件下，硅胶对CO2吸附的穿透曲线。由图3可知，在吸附的初始阶段，出口气体基本没有二氧化碳。随着塔内负载增大，床层逐渐饱和。在吸附时间大于20 s时，出口CO2浓度开始增加；在110 s时，出口CO2浓度基本等于CO2进料浓度，即吸附床完全饱和；110 s为该操作条件下的穿透时间。CO2的穿透曲线变化趋势基本与文献[4]上一致。

图3 不同吸附时间下出口CO2/N2浓度(298.15 K，200 kPa)

2.2 吸附塔轴向负载分布

吸附床层的气体负载量，反映了吸附剂对CO2吸附能力。图4是不同时刻吸附塔内CO2的轴向负载量分布。由图4可知，在25 s时，吸附床的前端基本达到饱和；在60 s时，吸附床大部分基本达到饱和；在100 s后，最终吸附饱和量为1.2×10-5kmol/kg。

2.3 吸附压力对CO2穿透曲线的影响

在其他因素不变的条件下，采用吸附压力为100～500 kPa进行对比吸附过程模拟，观察不同吸附压力对CO2的穿透曲线的影响。图5为不同压力下的CO2穿透曲线。由图5可知：在吸附压力在100、200、300、400、500 kPa时的穿透时间分别为65、110、140、175、215 s。

图4 不同吸附时间下CO2吸附量的轴向分布

Fig.4 Axial distributions of CO2adsorption capacity under differeut adsorption time

图5 不同吸附压力下CO2的穿透曲线

Fig.5 Under the pressure of different adsorption breakthrough curve of CO2

因为吸附量随吸附压力增大而增大，而且在总进料量一定的情况下，压力增大导致气体体积流量减小，即流速减小，导致吸附时间增大。通过模拟计算，得到不同压力下的穿透曲线和不同时间的负载等定量数据，减少实验工作量，这为实际工程应用提供了一定的理论数据。

2.4 操作温度对CO2穿透曲线的影响

在其他因素不变的条件下，采用吸附温度278.15～338.15 K，进行了4组不同温度的对比吸附过程模拟。图6为不同吸附温度下的CO2的穿透曲线。由图6可知，4个吸附温度下的CO2穿透曲线几乎重合，改变温度对CO2穿透曲线基本没有影响(穿透时间随吸附温度增大有较小增长)。

2.5 传质系数对CO2的穿透曲线的影响

传质系数对吸附过程的吸附速率有较大的影响，其中流体流速和吸附剂属性等都会影响传质系数，进而影响吸附量[10]。图7为不同传质系数下的CO2穿透曲线。由图7可知，在传质系数为0.01 s-1时，前期穿透曲线较陡峭，接近穿透时变化非常缓慢；传质系数为1 s-1、5 s-1和10 s-1时，穿透曲线几乎重合。说明在本吸附模型中，传质系数越小时，对吸附过程影响越大；当传质系数大于1 s-1，改变传质系数对吸附过程影响较小。

图6 不同温度下的CO2穿透曲线

Fig.6 CO2breakthrough curves under different temperature

图7 不同传质系数下的CO2穿透曲线

Fig.7 CO2breakthrough curves under different mass transfer coefficient

2.6 堆积密度对CO2的穿透曲线的影响

在其他因素不变的条件下，采用堆积密度在600～900 kg/m3，进行了4组不同堆积密度下的对比吸附过程模拟。图8为不同堆积密度对CO2的穿透曲线。由图8可知，穿透时间随堆积密度的增大而逐渐增大，具体由90 s增大到115 s。因为堆积密度增大，导致总的吸附量增大，而进气流量不变，所以吸附时间增大。这为随后变压吸附工作中对堆积密度和要求的处理量的选择提供了一定的理论数据。

2.7 颗粒直径对CO2的穿透曲线的影响

在其他因素不变的条件下，采用吸附剂颗粒直径在1～4 mm下，进行了4组不同颗粒直径下的对比吸附过程模拟。图9为不同吸附剂颗粒直径对CO2的穿透曲线。由图9可知，4种吸附剂颗粒直径下的穿透曲线几乎重合。这说明颗粒直径基本不影响CO2的吸附穿透曲线。

图8 不同堆积密度下的CO2穿透曲线

Fig.8 CO2breakthrough curves with different stacking density

图9 不同颗粒直径下的CO2穿透曲线

Fig.9 CO2breakthrough curves of different particle diameters

3 结 论

① 以文献的静态吸附实验数据为基础，得到硅胶吸附CO2的穿透曲线模拟结果与实验结果的变化趋势基本一致。这说明了本文中用Aspen Adsorption模拟CO2吸附的模型的正确性。

② 在200 kPa、298.15 K和CO2传质系数为1 s-1的情况下，本糖厂变压吸附塔的吸附床对烟道气中的CO2吸附在110 s时达到饱和，吸附量为1.2× 10-5kmol/kg。

③ CO2的穿透曲线随压力的增大而后移，即穿透时间增大；吸附量随压力增大也有少量的增大。在压力较低下，穿透曲线受温度影响较小。

④ CO2的穿透曲线总体随传质系数的增大而变陡峭(穿透时间变短)。传质系数较小(0.1 s-1附近)时，对CO2的吸附穿透曲线影响较大；传质系数大于1 s-1时，对CO2穿透曲线影响较小。

⑤ CO2的穿透时间基本随堆积密度的增大而增大。CO2的颗粒直径对穿透曲线基本不影响。