引言随着化工技术不断发展，工业生产过程对化石能源和其他能源的需求量变大，造成二氧化碳的排放量增加。其中，由化石燃料燃烧产生的碳排放为研究重心，IPCC第四次评估报告指出，全球气候变暖可能与CO2等温室气体排放量增加有关[1]。燃煤电厂属于CO2的主要排放源。因此，研究燃煤电厂烟气中CO2的集中捕集和控制回收技术对应对温室效应和气候变暖等问题具有关键意义。国内外研究学者对CO2的捕集利用进行了细致的研究，燃烧后捕集工艺中的醇胺溶液化学吸收法是化工领域应用最广泛的碳捕集技术。单乙醇胺作为最早被发现的CO2吸收剂，具有良好的碳吸收性能以及吸收速度快、吸收能力强、处理烟气能力大、捕捉CO2纯度高等优点。Rouzbeh[2]等利用动力学模型探究了CO2与MEA溶液之间的传质数据和反应动力学。Vega[3]等指出，典型的CO2操作工艺下，使用部分氧燃烧技术可以显著减少吸收条件下MEA的降解速度。尹龙天[4]等利用超重力反应器研究乙醇胺(MEA)-乙醇溶液用于沼气脱碳的吸收性能，进入超重力反应器的n(CO2)／n(MEA)0.4时，CO2去除率接近100%。谭方园[5]等研发了一种向胺溶液中添加金属离子以降低CO2解吸能耗的方法。结果表明，添加铜离子或镍离子可以使MEA的CO2反应热值降低6.6%~24.0%。张贺[6]等利用酸度计实时监测MEA水溶液吸收CO2过程的pH值变化，随着CO2进气流量增加，溶液的pH值下降速率逐渐提高并最终保持不变，溶液饱和时间逐渐缩短，饱和状态的pH值随着流量的增加先降低后升高。使用Aspen Plus软件模拟MEA溶液吸收烟气中CO2的典型流程，重点研究烟气温度、吸收液流量和吸收液浓度对CO2排放浓度的影响。1基本原理及特性单乙醇胺为无色透明液体，与水、醇互溶，微溶于醚。单乙醇胺与CO2反应生成碳酸盐，从而实现CO2的补集，经过再生塔解吸实现吸收剂的循环利用。利用化学吸收法分离的CO2纯度最高可达99%。使用MEA作为吸收剂的烟气脱碳工艺还具有很大的进步空间。MEA与CO2的反应式为[7]：CO2+HOCH2CH2NH2=HOCH2CH2HNCOO-+H+ (1)H++HOCH2CH2NH2=HOCH2CH2NH3+ (2)总反应式为：CO2+2HOCH2CH2NH2=HOCH2CH2NH3++HOCH2CH2HNCOO- (3)1 mol MEA吸收剂最多能够回收0.5 mol CO2。低温时，MEA与CO2之间的化学反应为放热反应；高温时，反应将逆向进行，解吸CO2，MEA溶液可以被循环利用。化学吸收法捕集工艺的常用吸收剂主要包括MEA、TEA、DEA、MEDA。其中，MEA的分子量最小，分子比重最低、碱性最强，在碳吸收工艺中的捕集速率较快，对工业烟气中的碳具有较强的吸收能力。使用MEA溶液吸收CO2后，富液需要较高的温度才能够解吸再生，将消耗大量的能量，解吸CO2的能耗占据循环系统总能耗的80%。根据MEA的化学性质，MEA会对系统内的设备管道产生腐蚀作用，需要在吸收剂中添加防腐剂以减少对设备的侵蚀。目前，综合经济和捕集效率，高效节能的新型吸收剂是碳捕集领域的研究重点。2单乙醇胺（MEA）化学吸收法脱碳流程2.1CO2捕集系统模型构建MEA吸收法脱碳系统，经燃煤电厂排出的烟气经脱硫脱硝等处理进入吸收塔底部，接触吸收塔顶部喷淋的MEA贫液吸收液，烟气内的CO2被吸收，剩余烟气从吸收塔上部排出。吸收了CO2的MEA富液自塔底流经必要的加压设备和换热设备后进入再生塔，在再生塔内加压升温解吸CO2，解吸后的贫液自解吸塔塔底经过补充返回吸收塔。吸收液在循环过程产生损耗，需要补充适量的MEA溶液使系统达到稳定，构成完整的工艺循环流程。循环系统中的吸收剂可以反复使用，节约费用。以MEA为溶剂的系统脱碳流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.008.F001图1以MEA为溶剂的系统脱碳流程为了简化模拟流程，进行以下假设：烟气进入吸收塔前，系统的脱硫脱硝效果理想，忽略NOx、SOx等气体对循环系统组分的影响；忽略MEA吸收液在循环过程中对设备的腐蚀和降解作用；针对CO2捕集的后续工艺，如运输、压缩等，暂不在模拟中考虑；循环过程绝热。2.2组分输入及物性方法选择根据国内某燃煤电厂提供的数据，对模拟烟气的参数进行简化，烟气的体积流率为500 m3/h。进入吸收塔的压力为100 kPa，温度为40 ℃。烟气的主要组分为N2、CO2、H2O、O2，物质的量之比分别为65.2%、17.4%、11.7%、5.7%。模拟MEA吸收CO2过程时，Aspen Plus软件为用户提供了4种胺包，选择其自带的胺包KEMEA辅助模拟化工流程。模拟循环过程含有电解质组分，溶液属于强非理想性体系。选择Elecnrtl的通用电解质物性方法，通过电解质NRTL活度系数模型计算液相物性数据，通过Redlieh—Kwong状态方程计算气相物性数据[8]。补集CO2的主要设备及其参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.008.T001表2补集CO2的主要设备及其参数项目吸收塔再生塔贫富液换热器泵模块RadFracRadFracHeatXPump功能说明两相或三相的严格分离计算两相或三相的严格分离计算模拟流股之间的换热流体输送单元，调节流股压力计算类型Rate-basedRate-based——塔板20级20级——冷凝器无部分冷凝器——再沸器无釜式再沸器——压力/kPa100200——填料类型IMTPFLEXIPAC——填料高度6.356.1——馏出物流率/(kg/h)—96——回流比—1——冷物流出口温度/℃——81—出口压力/kPa———2003模拟结果分析利用Aspen Plus软件的灵敏度分析模块分析操作变量与采集变量的关系，对模拟过程中的拟定变量进行优化，以获得合适的结果。3.1烟气温度对出口气体CO2质量分数的影响烟气温度与出口气体CO2质量分数的关系如图2所示。随着烟气温度升高，出口气体中CO2的占比逐渐升高，吸收效率不断降低，但曲线上升较为平缓，表明CO2吸收效率受烟气温度的影响较小。实际工艺生产中的烟气温度会影响MEA等吸收剂的降解速度，燃煤电厂经脱硫脱硝处理的烟气温度为40~60 ℃。根据MEA吸收CO2的范围，控制烟气温度为40 ℃能够节约工艺成本，降低能耗。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.008.F002图2烟气温度与出口气体CO2质量分数的关系3.2吸收液流量对出口气体CO2质量分数的影响吸收液流量与出口气体CO2质量分数的关系如图3所示。随着吸收液流量增大，吸收塔出口处CO2的含量降低，CO2吸收效率增高；吸收液流量达到180 kmol/h，曲线逐渐放缓。继续增大吸收剂的流量对CO2的吸收效率增幅不明显，并且会加大材料的投入，增加系统解吸部分的热负荷，不利于节约成本。综合考虑，吸收剂流量为180~210 kmol/h最佳。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.008.F003图3吸收液流量与出口气体CO2质量分数的关系3.3MEA质量分数对出口气体CO2质量分数的影响MEA质量分数与出口气体CO2质量分数的关系如图4所示。随着MEA质量分数提高，出口气体的CO2质量分数不断下降，CO2吸收效率提高；在MEA浓度达到35%后逐渐趋于稳定，此后再增加MEA的浓度将不会明显提升CO2的吸收效率。使用高MEA浓度的吸收液时，需要提高解吸塔内的解吸温度，不利于节省成本。因此，在本次模拟工况下的CO2捕集系统中，MEA的最适宜浓度约35%。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.008.F004图4MEA质量分数与出口气体CO2质量分数的关系4结语以探究影响燃煤电厂烟气CO2回收率的部分因素为目标，结合实际工况和成本能耗，基于Aspen Plus软件建立以单乙醇胺为吸收剂的烟气CO2回收系统模型，对烟气温度、吸收液流量、MEA浓度进行灵敏度分析，得出以下结论：（1）烟气温度与系统出口气体CO2质量分数呈现正相关，但增长曲线不明显，对进入吸收塔的入口气体进行降温并不能够显著提升系统吸收CO2的效率。进入吸收塔前的烟气最佳温度约40 ℃。（2）增加吸收液的流量可以有效降低出口气体的CO2浓度，提高CO2的捕集率。设置过量吸收液会影响系统效率和能耗。（3）MEA的质量分数是影响系统CO2捕集效率的重要因素。根据MEA与CO2的总反应式，MEA对CO2的吸收能力具有极限，结合模拟结果，工艺中使用质量分数为35%的MEA吸收液的效果最佳。