MEA法碳捕集工艺再生塔能耗优化

赵东亚, 王家凤, 田群宏, 陆诗建,2

(1.中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛 266580; 2.中国石化节能环保工程科技有限公司,山东东营 257026)

燃煤电厂是温室效应[1-3]主要的碳排放源之一,对烟气中的CO2进行捕集是缓解气候变化、促进人类社会可持续发展的重要方式之一[4-6]。化学吸收法[7]捕集效率较高[8],其中MEA吸收法具有吸收速率快、吸收效率高等优点。但MEA吸收工艺需要大量蒸汽提供解吸所需热量,导致捕集成本较高[9-10]。再生塔是单乙醇胺法CO2捕集技术耗能最大的设备,降低CO2解吸能耗的方法主要有采用新型吸收剂、优化工艺参数、改进吸收与解吸工艺。优化工艺参数具有成本低、操作难度小的特点。白亚开[11]分析了MEA法脱碳系统参数变动对脱碳能耗的影响,马嘉慧等[12]对MEA溶液捕集CO2的反应热进行实验研究,并利用自主开发的量热系统分析了负载率等参数的影响,RAO等[13]借助化工模拟软件并利用线性回归方法建立捕集系统能耗模型及全流程成本数学模型,赵东亚等[14]对再生塔能耗进行平衡级建模,利用MESH方程建立再生塔机制模型,借助化工模拟软件ProTreat建立工艺模型,并进行能耗敏感性分析。笔者基于再生塔能耗机制模型[14],运用非线性规划方法,以进入再生塔的富液的温度为决策变量,对再生塔能耗进行优化,得出参数变化时的最佳能耗,并进行案例对比分析,验证所述优化方法的有效性。

1 再生塔单位能耗机制模型

单乙醇胺法碳捕集工艺流程如图1所示。电厂烟气在水洗塔中清洁处理后,经压缩机加压发生吸收反应。反应后的烟气自吸收塔塔顶排出回流至烟道,塔底排出CO2富液。CO2富液经贫富液换热器升温后从塔顶进入再生塔中完成富液的乙醇胺再生[14],其中再沸器提供CO2解吸所需的热量。

图1 碳捕集工艺流程Fig.1 Process of carbon capture

1.1 单乙醇胺法CO2捕集工艺过程

CO2吸收:

(1)

乙醇胺的再生(CO2解吸):

(2)

再生塔发生反应(2)完成MEA的再生,在再生塔的塔顶得到高浓度的CO2产品,塔底排出高温的CO2贫液[15-17]。

为分析能耗影响因素,对其进行机制建模[18]。

1.2 再生热能耗的数学模型

再生热能耗的数学模型[13]为

Qreg=Qs+Qr+Qg.

(3)

显热:

(4)

1.3 分解反应热

Q=GCO2ΔqCO2.

(5)

式中,ΔqCO2为再生反应生成单位CO2所需平均反应热,kJ/(mol(CO2));GCO2为塔顶CO2流率,kg/h。

1.4 汽化热

(6)

基于上述分析可得再生塔单位能耗机制模型[13]为

(7)

式中，V1为气相流率,kg/h;y1为示CO2物质的量分率,%。

2 优化设计

基于再生塔能耗机制模型,运用非线性规划优化方法,以进入再生塔的富液温度为决策变量,对再生塔能耗进行优化。

根据建立的单位能耗机制模型,结合工程实际得到的优化问题数学模型如下。

(8)

式(8)描述的是复杂的非线性约束优化问题,为便于求解,首先运用罚函数法将式(8)转化为无约束优化问题,然后通过牛顿法进行求解。

2.1 外罚函数内嵌牛顿迭代算法

罚函数法是将约束最优化问题转化为求解无约束最优化问题的方法,分为外罚函数法和内罚函数法,其中外罚函数可用于等式和不等式约束的最优化问题,且能在可行域内、外搜索[19],因此本文中选择外罚函数法。

外罚函数的形式为

(9)

牛顿法是最常用的无约束优化问题求解方法之一。它的基本思想是利用目标函数的二次泰勒展开,求极小值[19]。因此先选择罚函数法将约束优化问题转化为无约束优化问题,然后用牛顿法求解无约束优化问题。

牛顿迭代公式为

t(i+1)=t(i)-[H(t(i))]-1φ(t(i)).

(10)

其中H(t(i))和φ(t(i))分别表示式(9)的海塞矩阵和一阶导数,当时,迭代停止。

2.2 优化算法设计

以进入再生塔的富液温度为决策变量,使用罚函数嵌套牛顿法,对再生塔能耗进行优化,优化程序流程如下。

(1)分析再生塔能耗,建立再生塔再生热计算式。

(2)在建立的温焓关系模型的基础上[20],建立能耗机制模型(7)。

(4)选择初始罚因子σ(0)、初始点t(0)(即初始温度)、收敛精度ε和罚因子系数c构造罚函数,将约束优化问题转化为无约束优化问题。本程序分别取σ(0)=2,t(0)=[273,273],ε=10-6,c=1.02。令初始迭代步数k=0。

(6)检验是否满足迭代终止准则:

以及

根据步骤(1)～(7),运用MATLAB软件进行仿真模拟。最终迭代次数为1 737次,得出最优富液进入再生塔温度为358 K。

3 案例分析

3.1 敏感性分析

基于能耗基本参数、最优温度,以其他参数的变化对单位能耗的影响进行敏感性分析,验证所提优化方法的工程有效性。

以上述参数为标准.将返塔冷凝液温度的数值分别减少或增加5%、10%,其他参数值不变,对二氧化碳捕集系统单位再生能耗变化率进行计算,结果见图2。

图2 返塔冷凝液温度变化率对单位能耗变化率的影响Fig.2 Influence of temperature change rate of condensate returning to column on unit energy consumption

由图2可知,返塔冷凝液温度增大时,二氧化碳捕集系统单位再生能耗变化率呈下降趋势;返塔冷凝液温度在参照温度下,增加(或减少)10%,能耗将增加(或减少)0.2%;返塔冷凝液温度在参照温度下,增加(或减少)5%,能耗将增加(或减少)0.01%。因此在优化所得最优富液入塔温度下,返塔冷凝液温度敏感性较低,能耗变化率较低。

将富液升温差的数值分别减少或增加5%、10%,其他参数值不变,对二氧化碳捕集系统单位再生能耗变化率进行计算,结果见图3。

图3 富液升温差变化率对单位能耗变化率的影响Fig.3 Influence of change rate of temperature difference of rich liquid on unit energy consumption

由图3可知,富液升温差增大时,二氧化碳捕集系统单位再生能耗变化率呈下降趋势;富液升温差在参照数值下,增加(或减少)10%,能耗将增加(或减少)5%;富液升温差在参照温度下,增加(或减少)5%,能耗将增加(或减少)2.5%。即在优化所得最优富液入塔温度下,富液升温差敏感性较低,能耗变化率较低。

因此将富液入塔温度作为决策变量可忽略返塔冷凝液温度和富液升温差的影响,即优化具有工程意义,验证了所得最优富液入塔温度的工程有效性。

3.2 对比分析

为进一步验证本文优化方法的有效性,以胜利电厂100 t/d CO2捕集工程为背景及数据来源,将本文提出的优化方法所得能耗与中石化节能环保工程科技有限公司利用室内试验研究经验和工程经验(以下简称经验法)设计的CO2捕集工艺所得能耗进行比较。比较方法是固定基本参数,将优化法与经验法的两个结果分别应用于Aspen HYHSY进行模拟[23],数值模型如图4所示。

压力的变化会直接影响汽液的平衡关系[24-25],从而单位能耗也会受到影响(图5)。由图5可知,当再生塔塔底压力相同时,优化方法的能耗低于经验法,同一压力下,两种方法的富液流入再生塔温度不同,其中所提优化方法能够获得最优温度,因此优化所得能耗低于经验法所得能耗。当再生塔塔底压力增大时,优化能耗和经验法能耗都逐渐降低。但基于经验法的能耗下降速度较快,而优化方法的能耗下降速度较缓。

图4 Aspen HYSYS流程模拟Fig.4 Aspen Hysys process simulation

图5 塔底压力变化条件下能耗对比Fig.5 Comparison of energy consumption under condition of change of tower bottom pressure

图6 气相流率变化条件下能耗对比Fig.6 Comparison of energy consumption under condition of change of gas flow rate

由图6可知,当气相流率相同时,优化后所得能耗低于经验法的能耗,同一气相流率下,两种方法的富液流入再生塔温度不同,其中所提优化方法能够获得最优温度,因此优化所得能耗低于经验法所得能耗。当气相流率增大时,优化能耗与经验法能耗都随之增大,一方面是因为气相流率增大时,要求分离的CO2也增多,因此能耗随之增大;另一方面是由于离开再生塔顶部的气体大部分是CO2和水汽,而水蒸气中的能量也较多,若气相流率增大,则会导致水汽量也增大,会将更多的能量带出再生塔,导致单位能耗的快速增大。因此可以通过适当减少气相流率以达到降低能耗的目的。

4 结 论

(1)在最优富液入塔温度条件下,返塔冷凝液温度和富液升温差的敏感性较差,将富液入塔温度作为决策变量可忽略其影响。

(2)再生塔塔底压力的增大有利于降低再生能耗;气相流率的减小有利于降低再生能耗。

(3)本文中提供的优化方法有效可靠。