解吸塔内的温度曲线是优化燃烧后碳捕集装置净零性能的关键

作者: Jon Gibbins

中英(广东)CCUS中心副主任、英国碳捕集与封存研究团体联盟主任、谢菲尔德大学碳捕集与封存教授

之前的一篇文章阐述了采用MEA作为吸收剂来捕集电厂烟气中的CO₂的技术方案。若经过解吸塔处理的贫液中CO₂负载能够显著降低，达到0.1 molCO₂/molMEA的水平，则在技术上实现100%的碳捕集率是可行的。通常认为，要达到如此低的贫液负载量，需在再沸器中输入大量的热能。然而，Stavros Michailos所发表的论文数据表明（见下图），通过提高解吸塔的操作压力并相应提升再沸器的温度，可以将再沸器热负荷（SRD）与贫液中二氧化碳负载量之间的关系曲线中的“拐点”移动至更低的贫液负载量区域。

从上到下：(a) 解吸能量拐点与贫液负载量的关系，(b) 模型预测的解吸塔内部温度变化趋势，(c) 美国国家碳捕集中心观察到的解吸塔内部温度变化趋势。

随后在英国的“燃烧后捕集——成本与剩余减排”（Post-Combustion Capture – Cost and Residual Emission Reduction）项目中以及由SSE Thermal公司主导、英国能源安全与净零排放部资助的“利用溶剂储存实现灵活捕集操作”（Flexibly Operated Capture Using Solvent Storage）项目中，Gibbins教授与同事Daniel Mullen、Muhammad Akram和Mathieu Lucquiaud共同开展了更为深入的建模与实验研究。他们在位于美国阿拉巴马州威尔逊维尔的国家碳捕集中心（NCCC）进行了研究成果的交流与分享。这项工作提出了一种在实际工厂操作中能够达到“拐点”的有效方法。尽管在研究中使用了MEA作为吸收剂，但值得注意的是，该方法实际上适用于所有采用传统解吸塔的吸收剂体系。研究发现，随着贫液负载量的逐渐降低，离开再沸器的蒸汽中水蒸气/CO₂的比例增加，而再沸器内压力的升高则会导致该比例相应下降。

问题的关键在于深入理解当拐点到达时，解吸塔内发生了什么。进入解吸塔的热量不仅破坏了胺与CO₂之间的键结，同时还会产生水蒸气，导致气相中CO₂的分压降低。此时，气相中的CO₂与水蒸气混合物与贫液接近于热力和化学平衡状态。当它们离开再沸器，通过解吸塔填料向上移动的过程中，水蒸气的凝结和物理冷却作用逐渐将热量传递给吸收剂。

如果CO₂与水蒸气的混合气体能够被冷却至接近进入解吸塔的富液的温度（富液在进入塔内时通常会发生闪蒸，因为它在贫-富液交换器中被加热至接近贫液的温度），那么二氧化碳在离开再沸器时将携带较少的水蒸气，并在到达拐点之前，再沸器热负荷（SRD）将保持在平稳区域内。

然而，当二氧化碳中水蒸气含量过高时，填料顶部吸收剂/蒸汽逆流区域中的水蒸气含量会上升，且并非所有的水蒸气都能在解吸塔中冷凝。因此，一部分在再沸器中添加的能量被浪费，导致SRD开始呈指数增长。

如上图b所模拟的解吸塔温度变化曲线，以及图c中美国国家碳捕集中心测试测得的解吸塔温度曲线所示，当情况由绝大部分水蒸气能够在解吸塔中冷凝，转变为较多水蒸气与CO₂一同离开解吸塔时，塔内的温度变化由平稳区域过渡到指数增长区域。因此，解吸塔填料内吸收剂/蒸汽逆流段的温度曲线，可以作为一种有效的监控手段，以确保解吸塔在拐点条件下运行，从而在给定的操作压力下，实现以最低的可实现贫液负载量和不超过的再沸器热负荷（SRD）运行。

在贫液负载量高于拐点值的情况下，气相和液相在填料中的温度从再沸器向上升时迅速下降，形成“平稳区域”曲线。而在贫液负载量低于拐点值的情况下，解吸塔填料内部的温度始终保持较高，仅在顶部有所下降，形成“指数区域”曲线。特别地，在“拐点”区域，塔内温度从下到上大致呈线性下降，这与另外两个变化区域在中段高度的区别最为显著。

这些显著不同的温度分布图，为评估解吸塔的操作是否处于拐点下方、上方，或是恰好处于最佳情况的“拐点”，提供了一种有效的方法。在实际操作中，由于插入解吸塔填料层中的热电偶无法区分液体和气体/蒸汽的温度，而是检测到它们混合的温度，因此当贫液负载量低于拐点的负载量时，液体和气体/蒸汽在填料顶部的温度差异将相对难以检测。然而，沿着塔柱的温度分布差异，尤其是在塔中部附近的变化，应该是显而易见的。通过观测塔内温度变化，可以将操作条件控制在拐点附近。因此，建议在解吸塔中安装合理数量的热电偶，以便在拐点出现时，能够捕捉到十分显著的温度变化

给燃烧后二氧化碳捕集技术专业人员的后记

或许有人认为，增加塔板填料能够凝结更多的水蒸气，但在超过以允许足够的传热和传质的塔板数之后，额外的填料几乎不会带来好处。这是因为水蒸气凝结的极限是由热力学决定的，而不是动力学。关键在于经过解析塔加热后进入再沸器的吸收剂负载。再沸器的气液平衡 (VLE) 定义了在所需的贫液负载下离开再沸器的水蒸气与CO₂的比例，但落入再沸器的吸收剂负载与贫液负载之间的差异决定了离开再沸器的CO₂的绝对量，因此也决定了水蒸气的绝对量——以及再沸器的总热输入量。

在解吸塔的拐点处，落入再沸器的吸收剂负荷呈现出一种特定状态：即将从再沸器离开的CO₂/蒸汽混合物冷却至填料顶部的富液温度时，所凝结出的水蒸气恰好能够为落下的溶剂提供足够的热量，以生成该贫液负载。这种中间负荷状态与再沸器中输入的热量密切相关，它确保了再沸器能够达到所需的贫液负载，并满足解吸塔的整体能量需求。当贫液负载低于拐点值时，必须产生过多的水蒸气与CO₂一同离开再沸器。若将其冷却至由富液所设定的最低温度，那么传递给下落吸收剂的能量将导致落入再沸器的吸收剂负载过低，以至于无法为再沸器提供足够的热输入来满足解吸塔的能量需求。这将导致另一种平衡状态的出现，此时凝结的水蒸气量恰好能够满足填料底部所需的中间贫液负载，该负载对应着再沸器中足够的热输入以满足整体能量需求。在这种情况下，多余的水蒸气会与CO₂一同离开，同时上升的气体/水蒸气温度保持在高位，直至接近填料顶部（无论填料数量多少），随后在填料顶部迅速冷却并凝结出所需量的水蒸气。

显而易见的是，在贫液负载高于拐点值的情况下，离开再沸器的CO₂中所含的水蒸气会更少，并且它始终能够冷凝至最低可能值。因此，在假设恒定富液负载的条件下，SRD值将保持平稳。然而，此时吸收器中的传质过程会受损，导致实际富液负载升高，进而引发更高的SRD值。这一现象在许多试验中所观察到的SRD与吸收剂流量曲线呈现出U型关系得到了印证。

Jon Gibbins教授欢迎各位读者留言提问，或就相关技术问题展开深入交流与探讨。

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