【正文】 第四章 設(shè)計(jì)與校核 25 表 再生塔 T102 的核算參數(shù) 起始塔板數(shù) 2 結(jié)束塔板數(shù) 31 塔板類型 浮法塔 V1 溢流類型 單溢流 塔徑 10m 塔板厚度 10 GAUGE 板間距 1m 堰高 降液管底隙高度 20mm 側(cè)堰長(zhǎng) 單位面積浮法數(shù)目 140/m2 據(jù)此， Aspen Plus 給出的計(jì)算結(jié)果如表 所示，并且給出了塔的內(nèi)部剖面圖 ： 表 再生塔 T102 的核算結(jié)果 最大液泛因子 塔板壓降 起始塔板數(shù) 2 結(jié)束塔板數(shù) 31 最大降液管液位 /板間距 降液管液位 如表 所示， 再生塔 T102 的最大液泛因子為 ，小于最大液泛因子，故基本滿足生產(chǎn)工藝的需要。弓形降 液管一般只用于大直徑塔，對(duì)于直徑較小的塔，常用圓形降液管。板間距直接影響塔高，此外，板間距還與塔的生產(chǎn)能力，操作彈性及塔板效率有關(guān)。等板高度﹙ HETP﹚ 是與一層理論塔板的傳質(zhì)作用相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨?，也稱理論板當(dāng)量高度。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于過程節(jié)能，所以對(duì)于吸收過程來說，采用填料塔居多。由圖可以看出隨著采出量的不斷增大，二氧化碳的回收率先增大然后減小。由圖可以看出隨著回流比 x 的不斷增大，二氧化碳的回收率 y 也逐漸增大。在此目標(biāo)下對(duì)此塔進(jìn)行模擬優(yōu)化，尋找符合要求的最佳操作條件。數(shù)據(jù)如表 31所示： 表 ： NRTL 活度系數(shù)方程中的二元交互參數(shù) i BENZE01 BENZE01 CHLOR01 j CHLOR01 WATER WATER Temperature units F F F Source VLERK LLEASPEN LLEASPEN aij aji bij bji cij dij 0 0 0 eij 0 0 eji 0 0 流程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 運(yùn)用通用軟件 aspen plus，輸入 給定的設(shè)計(jì)條件及初值，進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算。再生塔內(nèi)過量的熱量使反應(yīng)逆向進(jìn)行。然后富 MEA 物流在換熱器中預(yù)熱進(jìn)入再生塔，在再生塔中分離出 CO2，貧 MEA 循環(huán)進(jìn)入吸收塔。 要求 CO2捕獲率達(dá)到 85－ 90％ CO2捕獲系統(tǒng)工藝流程分析 CO2捕獲系統(tǒng)工藝流程的選用 本課題是使用單乙醇胺（ MEA）吸收工藝捕獲燃煤電廠煙道氣中的二氧化碳。物性方法的選擇是流程模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度的 關(guān)鍵， Aspen Plus 有強(qiáng)大的物性計(jì)算支持，但如何挑選、組合這些參數(shù)和計(jì)算模型，則需要物性計(jì)算的理論知識(shí)、 Aspen Plus 的使用經(jīng)驗(yàn)和對(duì)分離過程的了解。對(duì)于非理想程度較高的系統(tǒng)，例如包含有機(jī)酸的系統(tǒng)推薦使用 HaydenO’ Connell 模型。 基于氣體凈化的水合胺溶液，即 含有 DGA， MEA， DEA， MDEA 的用于 H2S和 CO2 脫除的水溶液。它為用戶提供了一套完整的單元操作模型，可對(duì)各種操作過程，從單個(gè)操作單元到整個(gè)工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬和優(yōu)化。針對(duì)減壓塔的工藝特征，汪學(xué)軍等提出把干式減壓塔作為一個(gè)閃蒸過程與多個(gè)復(fù)雜吸收過程的串聯(lián)，但基于此方案的計(jì)算完全忽略了塔內(nèi)回流量．應(yīng)用 Aspen Plus建立的模型難以達(dá)到物料平衡，因此提出了改進(jìn)的減壓塔模型， 將塔頂部分油返回至塔底渣油，可解決物料平衡的問題，建立了常減壓模型。這些模型的可靠性和增強(qiáng)功能已經(jīng)經(jīng)過 20 多年經(jīng)驗(yàn)的驗(yàn)證和數(shù)以百萬計(jì)例子的證實(shí)。第一章 引言 7 Aspen plus 簡(jiǎn)介及應(yīng)用實(shí)例 Aspen plus簡(jiǎn)介 Aspen Plus[11]是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng) 濟(jì)評(píng)價(jià)的大型化工流程擬軟件。 純氧燃燒技術(shù) 針對(duì)燃煤電廠特點(diǎn)所發(fā)展起來的 CO2 減排技術(shù)是 O2/CO2 循環(huán)燃燒技術(shù) [68]，如圖 所示。第一章 引言 4 二氧化碳的作用 隨著人們對(duì)資源短缺、溫室效應(yīng)問題的重視，作為廢氣排放的 CO2，其回收、固定、利用及再生資源化問題引起世界各國(guó)特別是排放量較大的工業(yè)國(guó)家的普遍關(guān)注，有關(guān) CO2的應(yīng)用及研究也不斷深入。第一章 引言 3 二氧化碳的排放 國(guó)際能源署 2020年的報(bào)告給出了近年來二氧化碳排放情況，并預(yù)計(jì)其發(fā)展趨勢(shì)，見圖 [2] 圖 部分國(guó)家二氧化碳的排放情況 由圖 ：世界二氧化碳排放量在 2020年后將會(huì)以更快的速度增長(zhǎng)，尤以美國(guó)和我國(guó)最為明顯。無防護(hù)措施進(jìn)入地窖所發(fā)生之中毒，是高濃度二氧化碳和缺氧造成的。在 進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)，采用流程系統(tǒng)模擬物料衡算和熱量衡算，投資和成本估算等問題以及采用流程模擬軟件進(jìn)行整體優(yōu)化也越來越普遍。 關(guān)鍵詞： 燃煤電廠，二氧化碳捕獲，過程模擬， Aspen Plus Abstract Ⅱ Abstract The whole world CO 2 which discharges because of the bustion fossil fuel achieves about every year 20,000,000,000 t, produces CO2 by the fossil energy bustion the total quantity to approximately pose the greenhouse gas total quantity 82%. Along with various countries the global warming question39。隨著世界各國(guó)對(duì)地球溫室效應(yīng)問題的關(guān)注， CO2減排日益引起全世界的重視。但是，這套吸收裝置的操作費(fèi)用特別是再生塔再沸器所需能耗很大，難以大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。 概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者綜合開發(fā)初期收集的技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，通過分析研究之后。 （ 2）由于二氧化碳的彌散能力比氧強(qiáng) 25 倍，故二氧化碳很容易從肺泡彌散到血液造成呼吸性酸中毒。因此，二氧化碳也被稱為溫室氣體。電廠排放的 CO2 量是巨大的，一個(gè) 600MW 的電廠每小時(shí)排放的 CO量可達(dá) 500t。 表 二氧化碳的應(yīng)用途徑 第一章 引言 5 各種脫 CO2的方法 CO2 捕獲技術(shù)從分離作用在燃燒的不同階段可分為四類如圖 ，即：燃燒前脫碳、燃燒后脫碳、純氧燃燒技術(shù)以及化學(xué)鏈燃燒技術(shù)。 Eva Johansson[10]等對(duì)循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用化學(xué)鏈燃燒技術(shù)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)。用戶也可以把自己的物性數(shù)據(jù)與 Aspen Plus 系統(tǒng)連接 [12]。利用流程模擬技術(shù)建立裝置模型，并以此來指導(dǎo)生產(chǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)操作，進(jìn)行多方案對(duì)比找出裝置的最佳操作工況，提高經(jīng)濟(jì)效益，可更加快捷 和準(zhǔn)確。 [14] 本課題的目的和意義 經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得人類對(duì)化石燃料的需求量的不斷增加，導(dǎo)致二氧化碳（ CO2）的排放量逐年提高，造成越來越嚴(yán)重的地球溫升問題。 用于模擬電解質(zhì)溶液的 ELECNRTL 物性方程 對(duì)許多工業(yè)系統(tǒng)的模擬都需要一種對(duì)電解質(zhì)溶液進(jìn)行嚴(yán)格處理的模擬方法。氣相物性數(shù)據(jù) 則通過 RedlichKwong 靜態(tài)方程計(jì)算。 ：根據(jù)模擬項(xiàng)目涉及的化學(xué)反應(yīng)，物流組分，確定整個(gè)生產(chǎn)工藝中的化學(xué)組分。這種方法是通過設(shè)定操作參數(shù)的變化范圍，由程序選擇滿足設(shè)定條件的參數(shù)。 第二章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝流程 13 圖 MEA 吸收二氧化碳基本工藝流程圖 分離系統(tǒng)分析 由圖 所示， MEA 捕獲煙氣二氧化碳流程系統(tǒng)中包括兩大主要設(shè)備 ——吸收塔和再生塔。系統(tǒng)采用循環(huán)回路，再生后的吸收劑返回吸收塔循環(huán)使用，大大節(jié)省了吸收劑的用量。煙氣中不含 NOx、 SO2以及固體顆粒污染物； ②由于添加劑的作用，吸收劑中 MEA 不和煙氣的 O2發(fā)生反應(yīng)； ③模擬過程不考慮腐蝕作用的影響； ④吸收劑中 MEA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%（ MEA 的質(zhì)量比 H2O 的質(zhì)量）； ⑤為了簡(jiǎn)化模擬過程， Aspen Plus 模擬流程中不包括干燥、壓縮和運(yùn)輸 的過程。而收斂難度也不會(huì)在一個(gè)水平上。在此目標(biāo)下對(duì)該塔進(jìn)行模擬優(yōu)化，尋找達(dá)到該分離要求的最佳操作條件。當(dāng)進(jìn)料板位置 x 達(dá)到 23 左右，隨著進(jìn)料板位置的繼續(xù)增大，二氧化碳的回收率 y 減小逐漸顯著。將這些參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)圓整后，提供給 Rating 就可以對(duì)設(shè)計(jì)后的精餾塔進(jìn)行校核 。規(guī)整填料中的金屬孔板波紋填料即 MELLAPAK 填料，是在不銹鋼波紋板片上鉆有許多 5mm 左右的小孔。 第四章 設(shè)計(jì)與校核 23 表 吸收塔 T101 的設(shè)計(jì)參數(shù) 起始塔板數(shù) 填料類型 結(jié)束塔板數(shù) 等板高度 尺寸 1 MELLAPAK 9 250Y 據(jù)此， Aspen Plus 給出的計(jì)算結(jié)果如表 所示： 表 T101 吸收塔工藝參數(shù)及結(jié)果 結(jié)果參數(shù) 結(jié)果參數(shù) 填料尺寸 250Y 最大負(fù)荷因子 填料類型 MELLAPAK 最大負(fù)荷分率 材質(zhì)厚度 1mm 塔段壓降 HETP 比表面積 250sqm/cum 塔內(nèi)徑 空隙率 再生塔 T102的設(shè)計(jì)與校核 再生塔 T102 是使二氧化碳再生，塔頂排出為二氧化碳。浮閥一般按正三角形排列，也可采用等腰三角形排列，在三角形排列中又有順排和叉排，使用叉排時(shí)相鄰兩閥中吹出氣流攪拌液層的相互作用較順排顯著，使相鄰兩閥容易吹開，液面梯度較小，鼓泡均勻，故采用叉排較第四章 設(shè)計(jì)與校核 24 好。 塔板核算結(jié)果中的 最大液泛因子 (Maximum flooding factor) ，應(yīng)該小與 ；最大降液管液位 /板間距 (Maximum backup / Tray spacing)，應(yīng)在 ~之間。參考文獻(xiàn) 27 參考文獻(xiàn) [1] 屈一新 .化工過程模擬及軟件 .化學(xué)工業(yè)出版社， 2020 年 7 月第一版 . [2] 楊明芬 .膜吸收法和化學(xué)吸收法脫除電廠煙氣中二氧化碳的試驗(yàn)研究 [D].[浙江大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ].2020:l～ 2. [3] 政府間氣候變化專門委員會(huì) :氣候化 ,2020,180～ 185. [4] 李仲來 .二氧化碳的制取及化工應(yīng)用 [J].小氮肥設(shè)計(jì)技 2020,(l):11~18. [5] decarbonisation technology summary[M]//Carbon dioxide capture for storage in deep geologic formationsresult from the CO2 capture project ,UK,2020:203~211． [6] AKAI M,KAGAJO T,INOUE evaluation of fossil power plant with CO2recovery and sequestering systems[J].Energy Conversion and Management,1995,36:801~804. [7] CROISET E,THIAMBIMUTHU K and SO2 emission from O2/CO2 recycled coalbustion[J].Fuel,2020,80:2117~2121. [8] 李駿 ,徐敏 ,劉豪 ,等 .O2/CO2氣氛下 CH4火焰溫度特性的實(shí)驗(yàn)研究 [J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ),2020,30(10):17～ 19. [9] Lyngfelt A.,Leckner for CO2 on Carbon Dioxidecapture and storage,school of environment sciences,Chalmers Yniversity of TechnologyandGoteb University,Goteb,October 22,1999. [10] Eva Johansson,Anders Lyngfelt,Tobias Mattisson,et circulating fluidized bed bustorsystem with inherent CO2 separationapplication of chemical looping the 7thInternational Conference on Circulating Fluidized for ChemicalEngineering,Ottaea,Canada,2020. [11] 謝安俊 ,劉世華 ,張華巖等 .大型化工流程模擬軟件 — ASPEN PLUS[J].石油與天然氣化工 ,1995:24 4~247. [12] 趙月紅，溫浩，許志宏 .Aspen Plus 用戶模型開發(fā)方法探討 [J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)， 2020，20(4): 27. 參考文獻(xiàn) 28 [13] 漆志文，孫海軍，施軍民，等 .反應(yīng)分離過程模擬 [J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào) ,1992 ,25(1):1923. [14] 李明，齊艷華，周詳?shù)?，?shù)字石油和化工 2020 年 10 期； 致 謝 29 致 謝 感謝 。利用 Aspen plus 模擬軟件對(duì)該系統(tǒng)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬，其中選擇了 NRTL 物性方法正確的模擬了 MEACO2H2O 的物性 體系。降液管底隙高度 h0 即為降液管底緣與塔