应用Aspen Plus非平衡级模型研究有机胺吸收CO2过程

摘要

近年来，由于世界人口增长和经济快速发展导致了大气污染和气候变暖等环境问题，这些变化使得生态系统遭到破坏，如全球平均气温不断升高，屡次刷新纪录。我国目前仍处在工业化、城镇化的高速发展阶段，使得能源消耗以及温室气体排放总量大幅度上升。因此，开发控制和处理温室气体的技术成为研究热点之一。而碳的捕集和封存(CCS)技术，是控制全球变暖比较有前途的方法。CO2捕集大多使用胺溶液吸收法，而最常用的胺溶液是MEA（单乙醇胺）水溶液。
　　本文首先应用Aspen Plus软件的平衡级模型(RadFrac)和非平衡级模型(RateFrac)模拟有机胺MEA吸收-解吸烟气中CO2的全工艺流程，进而建立基于传质速率模型的复配吸收剂吸收CO2的工艺流程，最后应用非平衡级模型对锅炉烟气的脱碳过程进行了模拟和优化。主要研究结论如下:
　　(1)分别采用平衡级模型和非平衡级模型建立了填料塔内MEA吸收CO2的全工艺流程，并通过公开文献数据验证模型的正确性与适用性。结果表明，非平衡级模型计算出的CO2吸收率为74.44％，模拟值与实验值误差在±5％以内;且塔内温度分布规律与实验结果吻合良好;同时，获得气液相关键组分组成、持液量、压降、等板高度等关键参数沿塔高的分布状况。结果表明，非平衡级模型可真实地再现出填料塔内气液流动、传质与反应过程，更适用于化学吸收过程的模拟;
　　(2)应用非平衡级模型，分别采用30 wt.％ MEA、30 wt.％ AMP和18wt.％ MEA+12 wt.％ AMP复配吸收剂，建立了烟气中CO2吸收的工艺流程。模拟结果表明，非平衡级模型的模拟结果与实验值吻合良好，CO2吸收率的模拟误差在±5％以内，加入了AMP的复配吸收剂与MEA单吸收剂相比，界面面积及持液量有所增加，压降上升，等板高度下降;
　　(3)采用MEA-AMP复配吸收剂对散堆填料拉西环(Raschig)和鞍形BERL以及规整填料Mellapak250Y和CY四种填料进行数值计算。模拟结果表明，具有较大的空隙率和比表面积的规整填料CY，在填料层内持液量和界面面积高，且压降较小，等板高度低，传质效率最高，CO2吸收率可达到99.998％;
　　(4)应用MEA吸收剂的非平衡级模型对锅炉烟气进行模拟研究，同时，对锅炉烟气工艺过程进行能量分析和优化。结果表明，当CO2的捕获率达到76.84％时，贫液的负荷为0.26 molCO2/molMEA，单位脱碳电耗为4.82×103 kWh/tonCO2，单位脱碳能耗为17.3 GJ/tonCO2;通过能量优化，能耗可降低至14.37 GJ/tonCO2。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 课题研究背景

1．1．1 气候变化

1．1．2 二氧化碳

1．1．3 二氧化碳的吸收方法

1．2 有机胺吸收法

1．3 模拟软件的介绍

1．3．1 Aspen Plus软件简介

1．3．2 平衡级模型与非平衡级模型

1．3．3 Aspen Plus非平衡级模型的应用

1．4 课题研究的目的、意义和主要研究内容

第二章 MEA吸收CO2过程的模拟研究

2．1 理论模型

2．1．1 热力学模型

2．1．2 动力学模型

2．1．3 传递物性模型

2．1．4 流动模型

2．1．5 膜离散化

2．1．6 传质系数

2．1．7 有效比表面积

2．2 MEA吸收CO2系统模型的建立

2．2．1 组分规定

2．2．2 物性选择

2．2．3 模拟基本假设与简化

2．2．4 模块的选择

2．2．5 流程的建立

2．2．6 系统参数的设定

2．2．7 系统流程的收敛

2．3 模拟结果分析与讨论

2．3．1 平衡和非平衡模拟结果与实验结果的比较

2．3．2 平衡、非平衡以及实验在吸收塔内的温度分布

2．3．3 吸收塔内气液相组成质量分数分布

2．3．4 吸收塔内持液量分布

2．3．5 吸收塔内压降分布

2．3．6 吸收塔内等板高度(HETP)分布

2．4 本章小结

第三章 MEA-AMP吸收CO2的模拟研究

3．1 MEA-AMP单塔脱碳系统的建立

3．1．1 组分规定

3．1．2 物性选择

3．1．3 吸收塔建模

3．1．4 系统参数的设定

3．2 模型的验证

3．2．1 MEA、AMP单吸收剂的数据验证

3．2．2 MEA-AMP复配吸收剂的模型验证

3．3 MEA、AMP、MEA-AMP吸收塔内参数的对比分析

3．3．1 吸收塔内部温度的比较分析

3．3．2 吸收塔内气相中CO2的质量分数的比较分析

3．3．3 吸收塔内持液量的比较分析

3．3．4 吸收塔内压降的比较分析

3．3．5 吸收塔内界面面积的比较分析

3．3．6 吸收塔内等板高度的比较分析

3．4 填料类型对吸收塔内参数的影响

3．4．1 填料类型对吸收结果的影响

3．4．2 填料类型对液体持液量的影响

3．4．3 填料类型对压降的影响

3．4．4 填料类型对界面面积的影响

3．4．5 填料类型对等板高度的影响

3．4．6 填料类型对比分析小结

3．5 本章小结

第四章 MEA非平衡级模型在处理锅炉烟气中的应用研究

4．1 烟气参数

4．2 模型和流程的建立

4．3 结果与讨论

4．4 能量分析与优化

4．5 优化结果分析与比较

4．6 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

作者和导师简介