碳捕集系统集成MVR热泵节能工艺耦合优化

韩 冰1,王子阳2,田相峰1,张克舫2,巩 亮2,刘浩璇2

(1.国家能源集团 龙源(北京)碳资产管理技术有限公司,北京 100034;2.中国石油大学(华东)新能源学院,山东 青岛 266580)

摘 要：化学吸收法碳捕集技术是燃煤电厂脱碳的重要途径,但高能耗制约了其发展。集成MVR热泵的工艺流程改进作为降低捕集能耗的重要手段,现有研究大多以软件模拟优化该流程,存在约束条件选取不灵活、参数优化仅对MVR环节局部优化和模拟流程繁琐等缺点。为弥补以上研究不足,以300 MW机组及年产量200万t碳捕集系统数据为基础,对集成MVR热泵的解吸单元进行约束条件设置灵活、优化过程直观的整体建模优化。首先建立MEA吸收CO2热力学模型及MVR热泵设备数学模型,得到MVR热泵工艺流程设计参数。在此基础上,以最小等量解吸能耗为目标函数,对贫富液换热器小端差及二次蒸汽压缩终压进行优选。之后基于优选结果,在二次蒸汽压缩终压为140 kPa,贫富液换热器小端差为5 ℃时,对MVR系统闪蒸压力进行优化。优化结果表明,最优闪蒸压力为109.2 kPa,捕集系统最小等量解吸能耗为2.82 GJ/t(以CO2计),相比于常规碳捕集系统节能率(5.61%)节能效果明显。对集成MVR热泵的节能优化方案的经济性分析结果表明,节能方案总投资为708.28万元,年净收益523.55万元,收益净现值为3 449.2万元,投资动态回收期为1.5 a。

关键词：MEA吸收法;碳捕集系统;MVR;节能

0 引 言

在双碳背景下,为实现1.5 ℃温控目标,燃煤电厂作为排碳大户,需着力减少CO2排放,实现“能控”向“碳控”的转变[1]。在现有的低碳减排技术中,CO2捕集、利用与封存技术(Carbon Capture Utilization and Storage,CCUS)颇具工业前景,是目前大规模实现化石能源低碳化利用的重要技术手段[2-4]。其中,碳捕集技术中的化学吸收法凭借其吸收效果好、吸收气量大、技术成熟等优点被广泛使用。但吸收溶液再生能耗高,对于采用化学吸收法的燃煤电厂,需要消耗大量汽轮机抽汽供捕集系统使用,使得汽轮机发电功率和发电效率降低,这些问题制约了碳捕集技术的推广应用[5-8]。针对能耗高这一问题,捕集系统工艺流程的改进成为降低捕集系统再生能耗的重要途径[9-11]。

热泵作为一种有效的余热回收利用装置,在能量系统工艺流程改进中扮演重要角色。其中MVR热泵技术近些年应用广泛,在碳捕集系统中可回收解吸塔出口热贫液闪蒸得到的二次蒸汽热量,提高捕集系统内余热回收利用率,减少高温捕集蒸汽消耗量。为此,许多专家学者对碳捕集系统中MVR热泵节能技术应用进行了研究。陆诗建等[12]利用ASPEN Plus软件模拟了集成MVR热泵技术的CO2捕集工艺流程的解吸能耗。LI等[13]利用ProMax软件对集成MVR热泵的捕集系统进行了模拟,并基于原集成系统提出了多个包含MVR热泵技术的新概念模型;李小飞等[14]利用ASPEN Plus对采用贫液蒸汽再压缩的CO2捕集工艺流程进行模拟研究,并对闪蒸压力进行了优化。张金鑫[15]利用ASPEN Plus模拟并对比了传统醇胺吸收CO2工艺与MVR热泵供热碳捕集工艺的CO2捕集率和解吸能耗。

基于研究现状总结发现,现有大部分研究采用ASPEN Plus、Pro/Ⅱ等模拟软件进行CO2捕集系统集成MVR热泵的模拟优化,仅通过改变MVR环节操作参数(如闪蒸压力等)分析对解吸热耗的影响,此种优化为MVR环节的局部优化,未灵活设置与MVR热泵关联的设备模块,如贫富液换热器、解吸塔等操作参数,因此不能针对捕集系统不同操作参数对捕集系统解吸能耗的影响进行整体模拟优化,模拟结果与工程实际相差较大。此外,利用模拟软件进行CO2捕集系统集成MVR热泵的操作参数优化时,需考虑模块搭建、建模规范及流程收敛等问题,模拟流程繁琐。为弥补以上研究不足,笔者从化学平衡、气液相平衡、液相活度系数等角度建立MEA吸收CO2热力学模型及MVR热泵能量分析模型,对集成MVR热泵的解吸单元进行整体优化,优化过程简洁直观,约束条件设置灵活,充分考虑MVR热泵实际应用于碳捕集系统需要满足的工程条件,作为碳捕集系统集成MVR热泵建模优化的参考依据。

以电厂300 MW汽轮发电机组及年产200万t碳捕集系统数据为基础,采用MVR热泵回收解吸塔底部贫液的能量,建立MEA吸收CO2热力学模型及闪蒸罐、蒸汽压缩机和解吸塔等MVR系统中主要设备的数学模型,模拟得到工艺流程设计参数。在此基础上,为降低解吸单元等量解吸能耗,对MVR系统贫富液换热器小端差及二次蒸汽压缩终压进行了优选。基于优选结果,对MVR系统闪蒸压力进行优化,最终得到集成MVR节能工艺的碳捕集系统最小等量解吸能耗。最后,对CO2捕集系统集成MVR热泵的节能优化方案进行经济性分析。

1 碳捕集系统集成MVR热泵工艺流程

1.1 常规碳捕集系统

图1(阀门1开启,阀门2关闭)为常规碳捕集系统工艺流程,碳捕集预处理烟气参数和脱碳后净化烟气参数见表1。锅炉烟道气出口温度180 ℃,烟气CO2体积分数为10.7%,烟道气经除尘、脱硫,冷却降温至45 ℃后,由引风机送入吸收塔。在吸收塔中,烟气与塔内的吸收液接触,脱除CO2,净化后的脱碳烟气中CO2体积分数为1.18%,CO2脱除率达90%。吸收了CO2的富液通过富液泵加压,被贫液加热后送至解吸塔。富液由解吸塔上部进入,通过汽提解吸出部分CO2,然后进入再沸器,使其中CO2进一步解吸。解吸CO2后的贫液由解吸塔底流出,用泵加压后经贫富液换热器换热,再通过贫液冷却器冷却后进入吸收塔,溶剂往返循环构成连续吸收和解吸CO2的工艺过程。本文年产200万t CO2捕集系统解吸总能耗Qre为209.783 MW,解吸热耗率qd为2.99 GJ/t(以CO2计)。

表1 CO2捕集系统烟气参数

Table 1 Parameters of flue gas in the CO2 capture process

1.2 MVR热泵节能原理

集成MVR热泵节能工艺的醇胺法CO2捕集系统工艺流程如图1所示(阀门1关闭,阀门2开启),将解吸塔底出口的热贫液送入低压闪蒸罐内,闪蒸罐压力对应的饱和温度低于贫液温度,贫液沸腾闪蒸,闪蒸出二次蒸汽,二次蒸汽经蒸汽压缩机压缩成为高温高压二次蒸汽进入解吸塔放热,减少了再沸器热负荷[16]。贫液闪蒸再压缩工艺通过回收贫液闪蒸出的二次蒸汽的能量达到降低解吸能耗的目的。

图1 集成MVR热泵的CO2捕集工艺流程

Fig.1 Flow of CO2 capture process integrated with MVR heat pump

2 碳捕集系统集成MVR热泵设计优化

2.1 单乙醇胺吸收CO2的热力学模型

CO2-H2O-MEA体系是一个复杂系统,其中既有气液两相的相平衡,还有液相中的反应平衡和电离平衡[17-18]。采用SRK状态方程计算气相的非理想性,采用考虑液相中电解质电离的e-NRTL活度系数方程计算液相组成[19],以此建立MEA水溶液吸收CO2的热力学模型。

2.1.1 化学平衡

单乙醇胺吸收剂(MEA水溶液)吸收CO2的过程,既包括化学反应过程,也有物理溶解过程。气相中的组分有CO2、H2O和MEA,液相中主要反应过程为

2H2OH3O OH-,

(1)

(2)

(3)

H2O MEAH H3O MEA,

(4)

(5)

2.1.2 气液相平衡

CO2-H2O-MEA体系中CO2作为不凝性组分(溶质),其基准态为无限稀释状态,对于基准态为无限稀释状态的组分,当其物质的量浓度趋近于0时,其活度系数约等于1。H2O和MEA作为可凝性组分(溶剂),其基准态为纯物质。当气液两相达到平衡时,对于基准态为纯物质的组分,气液平衡关系为

(6)

对于基准态为无限稀释状态的组分,气液平衡关系为

(7)

式中,xi,yi为液体和气体出料各组分的摩尔分率;φi为组分i的气相逸度系数;γi为以纯物质为基准态的i组分的活度系数;为以无限稀释状态为基准态的i组分的活度系数;为组分i的饱和蒸汽压;p为系统压力;Hi为组分i在系统温度、水饱和蒸汽压下在水中的亨利系数。

组分i的亨利系数Hi[20]为

(8)

式中,T为系统温度,为亨利系数Hi与系统温度T间的系数。

组分i的饱和蒸汽压为

(9)

其中,为组分i的饱和蒸汽压,为饱和蒸汽压与系统温度T之间的系数,具体见表2。

表2 纯物质组分i饱和蒸汽压计算公式中的系数取值

Table 2 Coefficients for temperature dependence of pure component i vapor pressures

2.1.3 气相逸度系数

采用SRK状态方程计算气相逸度系数,SRK方程压缩因子z[22]为

(10)

式中,Am、Bm为SRK方程中2个特性参数。

气相混合物中组分i的逸度系数φi[22]为

(11)

式中,am、bm、aij、bi为SRK方程中的特性参数,特性参数计算过程参考文献[22]。

2.1.4 液相活度系数

采用electrolyte-Nonrandom-Two-Liquid模型(e-NRTL模型),即电解质非随机双液体模型计算液相各组分的活度系数。e-NRTL模型采用长程项(PDH),波尔矫正项(Born)和短程局部浓度项组成弱电解质过剩吉布斯自由能表达式,将表达式求导可以得到系统中组分i的活度系数为

(12)

其中,长程作用项ln γ*PDH代表溶液中离子间相互作用的贡献;波尔矫正项ln γ*Born考虑了离子的基准态从在水中的无限稀释状态转变为胺水溶液中无限稀释状态的贡献;短程局部浓度项ln γ*SR代表溶液中所有组分(分子、阴离子和阳离子)间相互作用的贡献,具体计算过程参考文献[20,23]。

2.2 MVR系统主要单元设备数学模型的建立

在单乙醇胺吸收CO2热力学模型的基础上,通过热力学分析、物料衡算、气液相平衡、能量守衡等建立系统各单元设备的数学模型[22,24],并对CO2捕集工艺集成MVR热泵的节能改造进行设计计算。

2.2.1 闪蒸罐

采用热力学气-液平衡模型和焓模型进行迭代计算求解绝热闪蒸过程,迭代共包括3层:内层为e-循环,采用Newton-Raphson迭代法求解气相分率e;中层K-循环,迭代求解气-液相组成yi、xi及Ki;外层TF-循环,采用牛顿法求解绝热闪蒸温度TF。

闪蒸过程总物料衡算式为

F=L V,

(13)

各组分物料衡算式为

Fzi=Lxi Vyi,

(14)

浓度总和式为

∑yi=1,

(15)

∑xi=1,

(16)

焓平衡关系式为

FHF Q=LHL VHV,

(17)

式中,F、V、L分别为进料、气体出料和液体出料的摩尔流率,kmol/h;zi、yi、xi分别为进料、气体出料和液体出料各组分的摩尔分率,%;HF、HV、HL分别为进料、气体出料和液体出料的平均摩尔焓,kJ/kmol;Q为外界提供的热量,对于绝热闪蒸过程Q=0。

绝热闪蒸过程计算流程如图2所示。利用建立的数学模型及相平衡热力学模型,对MVR热泵中闪蒸罐内的绝热闪蒸过程进行设计的模拟计算。闪蒸压力为60 kPa时,模拟结果见表3。

表3 闪蒸罐内绝热闪蒸模拟结果

Table 3 Simulation results of adiabatic flash in flash tank

图2 绝热闪蒸过程计算流程

Fig.2 Calculation flow chart of adiabatic flash process

2.2.2 蒸汽压缩机

闪蒸罐分离出的二次蒸汽进入蒸汽压缩机,经压缩成为高品质二次蒸汽,后进入解吸塔放热,降低再沸器热耗。将压缩过程视为绝热压缩过程。

蒸汽压缩机耗功为

(18)

式中,mv(CO2)、mv(H2O)分别为输入压缩机的CO2和H2O的质量流量,kg/s;;κ为绝热指数,取k=1.3;Tv为蒸汽压缩机进口二次蒸汽的温度,℃,Tv=Tf;pv为蒸汽压缩机进口二次蒸汽压力,kPa,pv=pf;pfs为二次蒸汽压缩终压,kPa;Rg(CO2)、Rg(H2O)分别为CO2、H2O的平均气体常数,kJ/(kg·℃),取Rg(CO2)=0.189,Rg(H2O)=0.462。

2.2.3 集成MVR热泵的解吸塔

集成MVR热泵解吸塔的能量分析模型如图3所示。忽略解吸塔的散热损失,集成MVR热泵的解吸塔再沸器热负荷为

图3 集成MVR热泵的解吸塔能量分析模型

Fig.3 Energy analysis model of desorption tower integrated with MVR heat pump

Qre,MVR =Qdes Qrs Qma Qoh-Qfs,

(19)

式中,Qre,MVR为集成MVR热泵后解吸塔再沸器的热负荷,MW;Qdes为CO2解吸反应热,MW;Qrs为富液温升显热,MW;Qma为解吸塔补液温升显热,MW;Qoh为塔顶气带走热量,MW;Qfs为二次蒸汽放热量,MW。

2.3 热力参数优化

以闪蒸罐、蒸汽压缩机、贫富液换热器和解吸塔为研究对象,以MVR系统闪蒸压力pf、压缩终压pfs及贫富液换热器小端差Δtmin为变量,将解吸单元进行整体优化,以等量解吸能耗最低为优化目标,优化得到最优热力参数。

闪蒸压力优化目标函数为

Q=QP Qre,MVR。

(20)

优化目标为

minQ=min(QP Qre,MVR),

(21)

式中,Qp为压缩机电耗转换为等量热耗,Qp=Pefs/fe,热电转换效率fe取0.4。

约束条件为40 kPa≤pf≤160 kPa、140 kPa≤pfs、5 ℃≤Δtmin≤7 ℃及MVR系统各单元数学模型、MEA吸收CO2的热力学模型。

3 优化结果

对MVR系统闪蒸压力pf优化时,闪蒸压力pf为自变量,贫富液换热器小端差Δtmin及二次蒸汽压缩终压pfs为参变量,参变量变化导致等量解吸能耗变化。因此先优选参变量Δtmin及pfs,基于优选结果优化闪蒸压力pf,得到系统最小等量解吸能耗。

3.1 二次蒸汽压缩终压优选

图4为贫富液换热器小端差Δtmin=7 ℃时,闪蒸压力pf和压缩终压pfs对等量解吸能耗的影响。由图4可知,当贫富液换热器小端差和闪蒸压力不变时,二次蒸汽压缩终压越高,等量解吸能耗越高。压缩终压pfs超过200 kPa后,MVR将不再节能。为降低等量解吸能耗,需降低二次蒸汽压缩终压,但应高于解吸塔再生压力,因此最终压缩终压优化结果为pfs=140 kPa。

图4 闪蒸压力pf和压缩终压pfs对能耗的影响

Fig.4 Impact of flash pressure pf and final compression pressure pfs on energy consumption

3.2 贫富液换热器小端差优选

图5为压缩终压pfs=140 kPa时,闪蒸压力pf和贫富液换热器小端差Δtmin对系统能耗的影响。由图5可知,当二次蒸汽压缩终压和闪蒸压力不变时,贫富液换热器小端差越小,等量解吸能耗越低。为降低等量解吸能耗,需减小贫富液换热器小端差。但考虑到贫富液换热器小端差由5 ℃降至2.5 ℃的过程中,换热器面积与压损的急剧上升带来设备和运行成本大幅增加的问题[25],因此最终贫富液换热器小端差优选结果为Δtmin=5 ℃。

图5 闪蒸压力pf和贫富液换热器小端差Δtmin对能耗的影响

Fig.5 Impact of flash pressure pf and small terminal difference of lean and rich liquid heat exchanger Δtmin on energy consumption

3.3 基于最优参变量的闪蒸压力优化

当闪蒸压力pf=140 kPa、贫富液换热器小端差Δtmin=5 ℃时,对闪蒸压力优化结果如图6所示。由图6可知,随闪蒸压力增加,等量解吸能耗先减小后上升,闪蒸压力pf=109.2 kPa时有等量解吸能耗最小值。等量解吸能耗Qre,MVR最小为198.02 MW,解吸热耗率qd,MVR为2.82 GJ/t(以CO2计),与常规碳捕集系统相比节能率为5.61%。

图6 闪蒸压力优化结果

Fig.6 Optimization results of flash pressure

但由于闪蒸罐、蒸汽压缩机等设备的增设以及贫富液换热器面积增加,所需投资以及运行费用增加,因此需要对碳捕集系统集成MVR的节能优化方案进行经济性分析。

4 经济性分析

考虑引入MVR热泵以及增大贫富液换热器换热面积的投资,其他投资成本(管道阀门、土建和安装费用),设备运行所需电费、维修费等,计算节能收益,以净现值VNP和动态回收投资期作为经济性评价指标,对集成MVR热泵技术的节能优化方案进行经济性评估和可行性分析。

净现值是计算节能方案预期收益与其支出费用(包括初投资和运行费用)之间的差值,评价节能方案的盈利效果,其表达式为

(22)

其中,VNP为净现值;NFC(t)为第t年现金流量;K为折现率;I为初始总投资,万元;n为节能改进项目设计使用年限。若净现值VNP>0,则节能改进项目可以盈利,投资合理,且净现值越大标志着项目盈利空间越大。

动态投资回收期为

(23)

其中,ND为动态回收周期,a;R为煤耗成本降低的年净收益,万元/a;F为节能项目寿命周期末的残值,万元;i为资金年利率。只有动态投资回收期ND小于项目设计年限,且不大于5 a时投资合理。

集成MVR热泵的捕集系统中增加的设备包括1个闪蒸罐和1台蒸汽压缩机,同时需考虑贫富液换热器换热面积增大带来的投资及包括管道阀门、土建和安装费用等其他投资成本。集成MVR热泵节能方案总投资费用计算结果见表4,为708.28 万元。

表4 投资计算结果

Table 4 Calculation results for investment

年运行费用包括电费、维修费和其他费用。其中电费来源于MVR环节蒸汽压缩机耗功,按照电价为0.4元/kWh,设备年运行时间按7 200 h进行计算。计算得到运行费用为173.75 万元/a。

节能收益为集成MVR热泵后捕集系统能耗减小带来的收益。可以求得集成MVR热泵的CO2捕集系统的节能总收益为697.3万元/a,年收益减去年运行费用即为节能净收益,为523.55万元/a。

根据总投资和每年的节能净收益计算结果,当设备设计寿命n=15 a、F=0、i=8%时,可以得到集成MVR热泵的节能优化方案净现值VNP为3 449.2万元,投资动态回收期为1.5 a。VNP>0,说明集成MVR热泵节能优化方案可以盈利。投资动态回收期小于设计年限且不大于5 a,说明投资合理。

5 结 论

1)二次蒸汽压缩终压优选结果表明,当贫富液换热器小端差和闪蒸压力不变时,二次蒸汽压缩终压越高,等量解吸能耗越高。压缩终压pfs超过200 kPa后,MVR将不再节能。最终二次蒸汽压缩终压pfs优选结果为140 kPa。

2)贫富液换热器小端差优选结果表明,二次蒸汽压缩终压和闪蒸压力不变时,贫富液换热器小端差越小,等量解吸能耗越低。考虑到设备和运行成本等因素,最终贫富液换热器小端差Δtmin优选为5 ℃。

3)在二次蒸汽压缩终压pfs=140 kPa,贫富液换热器小端差Δtmin=5 ℃时,对MVR系统闪蒸压力进行优化。优化结果表明,随着闪蒸压力增加,等量解吸能耗先减少后增加,最优闪蒸压力为pf=109.2 kPa,等量解吸能耗Qre,MVR最小为198.02 MW,解吸热耗率qd,MVR为2.82 GJ/t(以CO2计),与常规碳捕集系统相比节能率为5.61%。

4)CO2捕集系统集成MVR热泵节能优化方案的经济性分析结果表明,节能优化方案总投资为708.28万元,年净收益523.55万元,净现值VNP为3 449.2 万元,投资动态回收期为1.5 a,投资合理。

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Coupling optimization of carbon capture system with MVR heat pump energy-saving process

HAN Bing1,WANG Ziyang2,TIAN Xiangfeng1,ZHANG Kefang2,GONG Liang2,LIU Haoxuan2

(1.Longyuan(Beijing)Carbon Asset Management Technology Co.,Ltd.,China Energy Investment,Beijing 100034,China;2.New Energy Institute,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)

Abstract：Chemical absorption method is an important way to capture carbon dioxide in coal-fired power plants,but the high energy consumption in the process restricts its development.The carbon capture process integrated MVR pump is an important means to reduce energy consumption.The main drawbacks of current researches,which mainly use software for simulation optimization,are inflexible selection of constraint conditions,the local optimization of parameters for the MVR part and complicated simulation process.In order to address the lack of researches,based on the data of the carbon capture system that captures 2 million tons of carbon dioxide annually,the overall modeling optimization of the desorption unit integrated with MVR pump was carried out with flexible constraint selection and simple and intuitive optimization process.Firstly,the thermodynamic model of CO2 absorption by MEA and the mathematical model of MVR heat pump equipment were established,and the design parameters of the MVR heat pump process flow were obtained.On this basis,taking the minimum desorption energy consumption as the objective function,the small terminal difference and the final pressure of secondary steam compression of the lean and rich liquid heat exchanger were optimized.Then,based on the optimization results,the flash pressure of MVR system was optimized when the final pressure of secondary steam compression was 140 kPa and the small end difference of lean and rich liquid heat exchanger was 5 ℃.The optimization results show that the optimal flash pressure is 109.2 kPa,and the minimum equivalent desorption energy consumption of the capture system is 2.82 GJ/t(in terms of CO2).Compared with the conventional carbon capture system,the energy saving is 5.61%,with obvious energy saving effect.The economic analysis results show that the investment of energy saving optimization scheme of integrating MVR pump is 7.082 8 million yuan,the annual net income is 5.235 5 million yuan,the net present value is 34.492 million yuan,and the dynamic payback period of the investment is 1.5 years.

Key words：MEA absorption method;carbon capture system;MVR;energy saving

中图分类号：TQ53;TK114

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2023)04-0121-08

收稿日期：2023-03-12;责任编辑：常明然

DOI：10.13226/j.issn.1006-6772.RM23031201

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基金项目：龙源电力股份有限公司2021年科技资助项目(LY2021-5)

作者简介：韩 冰(1978—),女,内蒙古赤峰人,高级工程师,博士。E-mail:20069186@chnenergy.com.cn

引用格式：韩冰,王子阳,田相峰,等.碳捕集系统集成MVR热泵节能工艺耦合优化[J].洁净煤技术,2023,29(4):121-128.

HAN Bing,WANG Ziyang,TIAN Xiangfeng,et al.Coupling optimization of carbon capture system with MVR heat pump energy-saving process[J].Clean Coal Technology,2023,29(4):121-128.