CN110449015A - 一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法。热力学循环构建方法是指按照“物性‑过程‑冷热源‑循环”顺序完成热力学循环的构建，进而考察循环能效的热力学研究方法。本发明以化学吸收法碳捕集技术为例，将热力学研究方法应用在碳捕集这一新技术领域里。热力学循环作为一种基于热力学思想的“量化规尺”，可对碳捕集技术展开效能分析，并可通过第二定律效率对技术成熟度进行判断，有效挖掘碳捕集技术的节能潜力。

Description

一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法
技术领域
本发明涉及碳捕集技术的热力学研究领域，尤其涉及一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法。
背景技术
随着工业的发展，化石能源的巨量消耗，全球的CO2平均浓度已经超过了415ppm。全球平均温升超过2℃必然导致全球性的自然环境灾害，如冰川融化，海平面上升，物种灭绝等。联合国政府间气候变化专门委员会(简称IPCC)提出要将全球平均温升控制在2℃以内，必须付出目前减排力度的3倍努力。而根据美国能源署(IEA)指出提高能源利用效率，使用绿色可再生能源与碳捕集技术是目前三大减排策略。碳捕集技术被认为也是最具减排潜力的技术。
在所有的碳捕集技术当中，发展最为成熟的碳捕集技术是化学吸收法。但是由于碳捕集过程的能耗较高，限制了该技术的大规模推广。在系统节能方面，缺乏良好的理论指导，在学术领域中，用于能效分析的理论模型大致可分为以下两类：第一类计算模型如混合气体分离模型作为分离理论的具化工具，形成于20世纪40年代，只关注分离前后气体的始末状态而从而计算获得最小分离功，提供了对一大类共性问题的集中简化计算。但是此类黑箱模型过于理想化，所获得的结果无法对黑箱内具体的工程技术产生有效的指导，弱化了理论工作的作用；第二类模型主要用于碳捕集过程具体工艺的模拟计算，如Equilibrium模型与Rate-based模型，以蒸馏塔模拟为例，Equilibrium模型通常使用基本的MESH平衡方程假设，约定每级塔板处于热力学平衡和化学反应平衡状态。虽然在过程模拟结果上与实验有较好匹配，但是此类模型的缺陷在于只针对具体案例，无法透彻、高效地把握这一类技术的共性问题，导致当设计参数变更时，需要重新进行全面的、具体的设定，模型计算过程复杂，费时费力。
近些年来关于化学吸收法碳捕集的研究发明主要聚焦于新型碳捕集系统的集成与新型吸收剂的开发，该领域主要呈现出以下特征：
1.一些发明者尝试在新型吸收剂上对吸收性能进行改善，如专利CN108295802A中提出一种钾基CO2吸收剂颗粒及其制备方法和应用，新型材料能高效、迅速脱除烟气中CO2，同时具有良好的循环脱碳性能、流化特性和机械性能；如专利CN103418336B中提出一种高温钙基CO2吸收材料的制备方法，该发明材料所选用的原料成本低廉，制备工艺简单，可以在高温下直接吸收CO2，易于实现工业化生产，并能达到以废治废的目的；如专利CN107961757A中提出了一种高活性复合钙基CO2吸收剂及其制备方法，本发明制备的钙基CO2吸收剂能高效吸收CO2。以上专利文献中披露出的吸收剂只是设计到其制备简易成本低，吸收效果等特点，并未涉及到碳捕集过程与循环，也未涉及吸收剂的再生能耗是否得以改善的特点。
2.一些发明者尝试在碳捕集系统的集成方面对碳捕集循环过程进行创新。如专利CN106693614A提出了一种氨水第二类吸收式热泵驱动的紧凑型氨法碳捕集系统，将氨法二氧化碳捕集系统和氨水第二类吸收式热泵紧凑结合，降低了设备成本和复杂程度；如专利CN105126586B提出了一种二氧化碳捕集系统，通过第一热泵系统、第二热泵系统以及贫富液换热器的换热，能够利用二氧化碳捕集系统内部的闲置余热，降低二氧化碳捕集系统的能量损耗；如专利CN104399356B提出了一种二氧化碳捕集系统，将热泵系统与二氧化碳捕集系统相结合，使蒸汽冷凝液的低品位热量得到高效利用，二氧化碳捕集系统整体能耗降低的目的；如专利CN103292331B提出一种二氧化碳捕集系统残液的处理系统及处理方法，适用于燃煤电厂烟气二氧化碳捕集系统，优化目前使用的燃烧后捕集二氧化碳的化学吸收法工艺，具有自动化程度高、残液处理简单彻底等特点；如专利CN203848316U提出了一种富氧燃烧及二氧化碳捕集系统，利用富氧助燃技术提高锅炉热效率，节约燃料，减少污染气体排放，实现了节能减排的双重效果，同时降低了二氧化碳的捕集成本。但是以上专利只是在碳捕集过程中与其他形式的能源系统进行耦合，并未涉及到碳捕集循环过程的分析，也没有涉及到利用热力学体系对碳捕集系统的能效进行评价。
而热力学碳泵循环的概念在专利CN107042053A中已经提出了，并且该发明提出了一种间接换热变温吸附碳捕集技术的热力学碳泵循环构建方法，但是碳捕集技术在不同的技术领域差别巨大，不可用同一种构建方法对不同种碳捕集技术进行理论指导。鉴于化学吸收法与物理吸附法碳捕集技术的巨大差异，本发明提出的一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法是一种创新的研究方法，并且是基于热力学平衡状态下的对于MEA吸收法碳捕集技术极限理想情况下的一种循环构建，并没有相似的工作。
综上可以看出，现有相关专利并不能达到上文所述的开发理想热力学研究方法的目标，化学吸收法碳捕集的效能分析的模型有待发展至循环层面以深入分析，如何以吸收法碳捕集为例展开热力学循环的构建工作。因此，以全新的热力学研究方法为出发点，提出一种化学吸收法碳捕集技术的热力学构建方法来探究吸收法最低能耗，是解决碳捕集技术的热力学方面研究一个理想方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有方法的不足，提出一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法，可以满足碳捕集系统的热力学方面的研究需求。
本发明的技术方案是一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,将热力学研究对象扩展到广义能源系统中的碳捕集系统，具体步骤如下:
1)构建基础物性，主要有吸收溶液与被吸收气体的物性；
2)在相关物性数据基础上，设计合理的热力过程；
3)配合冷热源进行“约束”；
4)连接多个过程构建成循环；
5)能效分析：研究过程或循环的效率。
一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法，如图1所示：热力学循环构建的基础是物性，主要有吸收剂溶液和烟气等物性。循环构建的典型热力过程主要包括吸收、预热、解吸和预冷四步过程，如图2所示。其中，预热和预冷采用换热器进行热量交换并辅以额外热(冷)源进行补热(冷)方式实现吸收剂溶液的温度变化。电厂待处理的烟气主要由氮气和二氧化碳组成，中低温的烟气。(1)吸收过程，含有CO2的烟气首先被MEA溶液吸收后，MEA贫液形成了富含CO2的富液，而低浓度的CO2烟气被排出；(2)预热过程，富液被加热到解吸的温度；(3)解吸过程，由于含有的CO2被解吸，富液转化为贫液；(4)预冷过程，贫液被冷却到初始温度。
循环构建的热源可以是太阳能中低温热源和燃煤电厂的中低压缸汽轮机抽汽等。冷源可以是常温的冷却水。
基于以上物性、过程和冷热源的介绍，热力学循环构建可以按照以下说明开展。图3展现了化学吸收法的操作流程。图4是在吸收等温平衡线上，循环构建方法的具体介绍如下：
d-a过程为等温吸收过程，CO2气体被吸收，吸收这一过程可视为沿着气液等温平衡线缓慢达到平衡状态点a。其中，状态点a的确定是由烟气中CO2的浓度所确定，也即由碳源约束。烟气压力为大气压101kPa，烟气浓度为10％，故根据道尔顿分压定律，状态点a对应CO2分压为10.1kPa；
a-b过程为预热过程，通过热交换，富液在此过程升温，并且该过程内没有CO2从富液中解吸；
b-c过程为解吸过程，一方面该过程中由于产生了大量的水蒸气，导致CO2分压下降，同时另一方面，液相中的CO2沿着等温平衡线解吸出；
c-d过程为预冷过程，贫液被冷却，回到状态点a，开始新的一轮循环。
如图4所示，理想循环隐含反应时间无限长、吸收剂性能过于理想的假设，虽然指明了实际循环永远不能达到的理想性能“天花板”，但不易于本文展开与其他模型的比较。故结合MEA溶液的实际性能等现实约束，将贫、富液担载量分别设置为0.2molCO2/mol和0.50mol CO2/mol，满足合理性，从而使循环在新的碳源、碳汇约束内构成理想循环1-2-3-4-1，从而保证利用其它模型进行对比计算时，没有超出这些模型及内含关联式的适用工况范围。
综上所述，化学吸收法碳捕集技术的热力学循环的各状态点全部确定。一般来说，碳捕集过程的再生热耗是评价碳捕集技术的一个重要指标，其定义如下：
再生热耗是化学吸收法能耗量占比最大的一个环节，再生热耗Qre可分为三个部分：溶液升温的显热Qsens、反应过程的吸收热Qabs和产生汽提蒸汽的潜热Qvap：
Qre＝Qsens+Qabs+Qvap (1)
热力学循环评价方法主要有第二定律效率，如下所示：
其中：Wmin为最小分离功，其物理意义为混合气体实现分离的难易程度，与气体浓度和温度相关；Ws为碳捕集过程消耗的电能，主要为泵功，其与再生热耗相比占比极小；Qc为冷却需要的冷量，Qc＝Qsens+Qvap，由冷却水提供；TH为热源温度设为解吸温度；TL为冷源温度这里是冷却水温度与环境温差为5℃；T0为环境温度定为25℃。
与现有研究方法相比，本发明的有益效果是：
热力学循环构建方法作为一种基于热力学思想的“量化规尺”，可对碳捕集技术展开效能分析，指出该技术的最理想能耗值，并且进而对影响循环总能耗的主要因素进行归纳，并可通过第二定律效率对技术成熟度进行判断，有效挖掘碳捕集技术的节能潜力。
附图说明
图1为本发明热力学循环构建的逻辑示意图。
图2为本发明化学吸收法碳捕集技术各过程示意图。
图3为化学吸收法碳捕集技术的流程图。
图4在吸收等温平衡线中化学吸收法碳捕集技术的各步骤显示情况。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种采用化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法作为一种基于热力学思想的“量化规尺”，可对碳捕集技术展开效能分析，进而对影响循环能耗的主要因素进行归纳，并可通过第二定律效率对技术成熟度进行判断，有效挖掘碳捕集技术的节能潜力。
实施以化学吸收法碳捕集技术为例，详细叙述本发明的热力学循环构建方法。
所述的热力学循环构建方法，具体实施方式如下：
化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建的基础物性有吸收剂溶液和气源等物性。其中吸收剂材料为30％质量浓度的乙醇胺溶液(MEA)，其重要的物性参数如下：MEA溶液的气液相平衡(VLE)数据对于吸收过程十分重要，特别是在热力学分析与循环的构建方面。本文以Xu Qing中的VLE数据为参考，在CO2-MEA-H2O体系中CO2分压PCO2、担载量α与温度T(40℃至150℃之间)的平衡关系如式(2)所示:
在溶液再生过程中，影响能耗大小的因素不仅与温度有关，而且与解吸压力也有关。关于汽提过程中水的分压力，由水饱和蒸汽压对应的Antoine方程来估计，具体如式(3)：
MEA溶液升温过程，Cp也是一个重要的热力学参数，随着温度的变化，Cp值也会随着变化，Cp的计算式可如式(4)：
Cp＝10-7T3-10-5T2+0.0022T+3.0205 (4)
此外在反应过程中MEA溶液的吸收热ΔHabs取值为85kJ/mol，但是随着担载量与温度的变化，ΔHabs也会随之变化，如式(5)。
-ΔHabs＝-127.13+236.65α+1.02T-1.54αT (0.46≤α≤0.66)
-ΔHabs＝35.66 (α≥0.66) (5)
循环构建的典型热力学过程包括吸收、预热、解吸和预冷过程。具体如图2，(1)吸收过程，含有CO2的烟气首先被MEA溶液吸收后，MEA贫液形成了富含CO2的富液，而低浓度的CO2烟气被排出；(2)预热过程，富液被加热到解吸的温度；(3)解吸过程，由于含有的CO2被解吸，富液转化为贫液；(4)预冷过程，贫液被冷却到初始温度。
吸收与解吸过程所对应的高低温区间往往决定了吸收与解吸的能力上限，同时，设置时也需考虑吸收碳捕集过程往往服务火电厂捕集场景，受到热源、冷源等外界环境条件的约束。因此，冷源设置为通过电厂的冷却水进行冷却，利于热量回收；热源一般是利用电厂中低压缸的抽汽进行溶液再生[15]。再生温度普遍可设定为120℃，也为中低温的可再生能源(如太阳能)等进行替代提供了可能性。基于以上的假设，热力学吸收循环a-b-c-d-a的具体过程如下：
d-a过程为等温吸收过程，CO2气体被吸收，吸收这一过程可视为沿着气液等温平衡线缓慢达到平衡状态点a。其中，状态点a的确定是由烟气中CO2的浓度所确定，也即由碳源约束。烟气压力为大气压101kPa，烟气浓度为10％，故根据道尔顿分压定律，状态点a对应CO2分压为10.1kPa；
a-b过程为预热过程，通过热交换，富液在此过程升温，并且该过程内没有CO2从富液中解吸；
b-c过程为解吸过程，一方面该过程中由于产生了大量的水蒸气，导致CO2分压下降，同时另一方面，液相中的CO2沿着等温平衡线解吸出；
c-d过程为预冷过程，贫液被冷却，回到状态点a，开始新的一轮循环。
如图4所示，理想循环隐含反应时间无限长、吸收剂性能过于理想的假设，虽然指明了实际循环永远不能达到的理想性能“天花板”，但不易于本文展开与其他模型的比较。故结合MEA溶液的实际性能等现实约束，将贫、富液担载量分别设置为0.2molCO2/mol和0.50mol CO2/mol，满足合理性，从而使循环在新的碳源、碳汇约束内构成理想循环1-2-3-4-1，从而保证利用其它模型进行对比计算时，没有超出这些模型及内含关联式的适用工况范围。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,其特征在于,将热力学研究对象扩展到广义能源系统中的碳捕集系统，具体步骤如下:
1)构建基础物性，主要有吸收溶液与被吸收气体的物性；
2)在相关物性数据基础上，设计合理的热力过程；
3)配合冷热源进行“约束”；
4)连接多个过程构建成循环；
5)能效分析：研究过程或循环的效率。
2.按照权利要求1所述一种化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,其特征在于,化学吸收法碳捕集技术主要包括吸收过程、预热过程、解吸过程和预冷过程。
3.按照权利要求1所述一种化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,其特征在于,碳捕集过程的再生热耗是化学吸收法能耗量占比最大的一个环节，再生热耗Qre可分为三个部分：溶液升温的显热Qsens、反应过程的吸收热Qabs和产生汽提蒸汽的潜热Qvap：
Qre＝Qsens+Qabs+Qvap (1)
热力学循环评价方法第二定律效率，如下所示：
其中：Wmin为最小分离功，其物理意义为混合气体实现分离的难易程度，与气体浓度和温度相关；Ws为碳捕集过程消耗的电能，主要为泵功，其与再生热耗相比占比极小；Qc为冷却需要的冷量，Qc＝Qsens+Qvap，由冷却水提供；TH为热源温度设为解吸温度；TL为冷源温度这里是冷却水温度与环境温差为5℃；T0为环境温度定为25℃。
4.按照权利要求1所述一种化学吸收法碳捕集技术的热力学循环构建方法,其特征在于,利用经典吸收剂MEA水溶液的等温吸收线进行热力学循环构建，在其担载量α-CO2平衡分压PCO2坐标轴上，将吸收过程、预热过程、解吸过程与预冷过程以极限理想循环，即吸收特性不受环境与时间限制的理想循环表示出来，并且通过气源相约束与溶液吸收能力约束，构建更为接近实际的循环，将担载量控制在合理范围内如0.2至0.5之间。
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