陈丽椿,查晓雄
(哈尔滨工业大学 深圳研究生院, 广东 深圳 518055)
摘要:
为模拟规整填料单元内乙醇胺吸收烟气二氧化碳的过程，利用计算流体力学(CFD)，考虑包含化学反应气液质量传递过程，建立伴有二级化学反应的气液两相流动模型. 通过改变吸收过程的操作条件，如气液入口流量比、CO2入口质量分数、乙醇胺入口摩尔分数、压强等，分析吸收塔规整填料单元内碳捕捉过程的影响因素. CFD模拟结果表明：CO2吸收率随乙醇胺浓度与压强的增大而升高；随烟气CO2浓度与气液流量比的增大而下降；对各影响因素影响定量排序，乙醇胺浓度对吸收效率影响最突出，其次依次是CO2入口浓度、气液入口流量比、压强. 模拟与试验结果相吻合，得出了相应的最优参数.
关键词: 二氧化碳捕集 规整填料 计算流体力学 气液质量传递 一维非稳态扩散
DOI：10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.014
分类号:O362
文献标识码:A
基金项目:深圳市科技计划(JCYJ20150513155236762)
CFD simulation of carbon dioxide in flue gas with monoethanolamine in structured packing
CHEN Lichun,ZHA Xiaoxiong
(Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, Guangdong, China)
Abstract:
The method of computational fluid dynamics (CFD) containing reactive mass transfer is adopted to simulate the process of carbon dioxide capture from flue gases with MEA in structured packing. The simulation of complex flows with second order reaction of CO2 with MEA is built in representative elementary units (REU) of structured packed column. Various operating conditions including ratio of gas inlet flow to liquid inlet flow, CO2 inlet mass fraction, MEA mole fraction and pressure on CO2 capture process are examined. The absorption efficiency increases with the addition of MEA concentration and operating pressure, but decreases with CO2 concentration and gas-liquid flow ratio. The influences of different factors on the absorption are ordered as MEA mole fraction, CO2 mass fraction, ratio of gas inlet flow to liquid inlet flow and pressure. The CFD results of CO2 absorption rate at different operating parameters are consistent with the reported ones, and the optimal parameters are got.
Key words: CO2 capture structured packing CFD gas-liquid mass transfer one dimensional unsteady diffusion
陈丽椿, 查晓雄. 规整填料内乙醇胺吸收CO2的计算流体力学模拟[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2017, 49(1): 101-107. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.014.
CHEN Lichun, ZHA Xiaoxiong. CFD simulation of carbon dioxide in flue gas with monoethanolamine in structured packing[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2017, 49(1): 101-107. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.014.
基金项目 深圳市科技计划(JCYJ20150513155236762) 作者简介 陈丽椿(1991—)，女，硕士研究生 通讯作者 查晓雄，(1968—)，男，教授，博士生导师，zhaxx@hit.edu.cn 文章历史 收稿日期: 2015-11-22
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规整填料内乙醇胺吸收CO2的计算流体力学模拟
陈丽椿, 查晓雄
哈尔滨工业大学 深圳研究生院， 广东 深圳 518055
收稿日期: 2015-11-22
基金项目: 深圳市科技计划(JCYJ20150513155236762)
作者简介: 陈丽椿(1991—)，女，硕士研究生
通讯作者: 查晓雄，(1968—)，男，教授，博士生导师，zhaxx@hit.edu.cn
摘要: 为模拟规整填料单元内乙醇胺吸收烟气二氧化碳的过程，利用计算流体力学(CFD)，考虑包含化学反应气液质量传递过程，建立伴有二级化学反应的气液两相流动模型. 通过改变吸收过程的操作条件，如气液入口流量比、CO2入口质量分数、乙醇胺入口摩尔分数、压强等，分析吸收塔规整填料单元内碳捕捉过程的影响因素. CFD模拟结果表明：CO2吸收率随乙醇胺浓度与压强的增大而升高；随烟气CO2浓度与气液流量比的增大而下降；对各影响因素影响定量排序，乙醇胺浓度对吸收效率影响最突出，其次依次是CO2入口浓度、气液入口流量比、压强. 模拟与试验结果相吻合，得出了相应的最优参数.
关键词: 二氧化碳捕集 规整填料 计算流体力学 气液质量传递 一维非稳态扩散
CFD simulation of carbon dioxide in flue gas with monoethanolamine in structured packing
CHEN Lichun, ZHA Xiaoxiong
Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, Guangdong, China
Abstract: The method of computational fluid dynamics (CFD) containing reactive mass transfer is adopted to simulate the process of carbon dioxide capture from flue gases with MEA in structured packing. The simulation of complex flows with second order reaction of CO2 with MEA is built in representative elementary units (REU) of structured packed column. Various operating conditions including ratio of gas inlet flow to liquid inlet flow, CO2 inlet mass fraction, MEA mole fraction and pressure on CO2 capture process are examined. The absorption efficiency increases with the addition of MEA concentration and operating pressure, but decreases with CO2 concentration and gas-liquid flow ratio. The influences of different factors on the absorption are ordered as MEA mole fraction, CO2 mass fraction, ratio of gas inlet flow to liquid inlet flow and pressure. The CFD results of CO2 absorption rate at different operating parameters are consistent with the reported ones, and the optimal parameters are got.
Key words: CO2 capture structured packing CFD gas-liquid mass transfer one dimensional unsteady diffusion
CO2捕集主要有3种方法：燃烧后捕集、燃烧前捕集与富氧燃烧捕集[1]. 其中燃烧后捕集方法指从化石燃料燃烧后产生的混合烟气中捕获CO2气体. 燃烧后二氧化碳捕获技术具体又分为以下几种：溶剂吸收法、物理吸附法、低温蒸馏法与膜分离法[2]. 燃煤电厂烟气中的CO2含量较低，适合的CO2捕捉方法主要为化学溶剂吸收法与膜分离方法. 目前最主要的捕获方法是化学溶剂吸收法，也是目前工业上最常用的方法[3].
常用的化学吸收剂有有机胺溶液、氨水、强碱溶液等[4]. 其中乙醇胺(MEA)吸收酸性气体速率快，吸收能力强，价格低廉，广泛应用于工业二氧化碳吸收过程[5-6].
随着计算机技术的发展，利用计算流体动力学(CFD)对CO2碳捕捉过程进行模拟成为新的研究方向[7-9]. 将CFD理论与实际工程相结合，实现CO2捕集过程的模拟，对改进和完善当前的吸收反应设备，实现CO2高效率吸收起到重要的指导作用. 目前的CFD模型仅限于在填料单元上模拟气液两相流动情况，很少涉及气液两相间的化学反应.
本文运用溶剂吸收法，加入化学反应与质量传递过程，利用Fluent模拟填料单元内MEA溶液吸收CO2的过程. 塔内采用Montz-pak B1 250.45型规整填料，通过建立三维周期单元模型模拟中尺度下填料层内乙醇胺吸收CO2的化学反应过程，近似得到在该填料单元内CO2的吸收率. 随后改变吸收过程的操作条件(如改变入口气液流量比、CO2入口质量分数、乙醇胺摩尔分数、压强等)，得到不同操作条件下CO2吸收率，分析碳捕集过程的影响因素.
1 CFD模拟过程 1.1 数学模型 1.1.1 基本方程设气相为理想气体，液相为不可压缩流体，瞬态流动，且流动过程为恒温，则质量守恒方程为
$\frac{{\partial ({\alpha _k}{\rho _k})}}{{\partial t}} + \nabla \cdot({\alpha _k}{\rho _k}{u_k}) = {S_k},$
动量守恒方程为
$\begin{gathered} \frac{{\partial ({\alpha _k}{\rho _k}{u_k})}}{{\partial t}} + \nabla \cdot({\alpha _k}{\rho _k}{u_k}{u_k}) = - {\alpha _k}\nabla p + \hfill \\ {\nabla ^2}\left( {{\alpha _k}{\mu _k}{u_k}} \right) + {\alpha _k}{\rho _k}{g_k} + {F_k}, \hfill \\ \end{gathered} $
能量守恒方程为
$\begin{gathered} \frac{{\partial ({\alpha _k}{\rho _k}{h_k})}}{{\partial t}} + \nabla \cdot({\alpha _k}{\rho _k}{u_k}{h_k}) = {\alpha _k}\frac{{\partial p}}{{\partial t}} + \hfill \\ \nabla \cdot\left( {{\lambda _k}\nabla {T_k}} \right) + {Q_k} + {S_{e,k}}. \hfill \\ \end{gathered} $
式中：uk为速度向量，ρk为第k相的密度，Sk为质量源项，p为静压，μk为动力黏度，gk为重力体积力，Fk为相间相互作用力,hk为第k种物质的比焓，λk为热导系数，Qk为相间热传导强度，Se,k为化学反应中焓源项.
1.1.2 湍流模型采用标准k-ε模型，湍动能k与耗散率ε是两个基本未知量.
$\begin{gathered} \frac{{\partial \left( {\rho k} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho k{u_i}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _k}}}} \right)\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right] + {G_k} - \rho \varepsilon , \hfill \\ \frac{{\partial \left( {\rho \varepsilon } \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \rho \varepsilon {u_i}}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _\varepsilon }}}} \right)\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_j}}}} \right] + \hfill \\ \frac{{{C_{1\varepsilon }}\varepsilon }}{k}{G_k} - {C_{2\varepsilon }}\rho \frac{{{\varepsilon ^2}}}{k}. \hfill \\ \end{gathered} $
式中：
$\begin{gathered} {C_{1\varepsilon }} = 1.44,{\text{ }}{C_{2\varepsilon }} = 1.92, \hfill \\ {\sigma _k} = 1.00,{\text{ }}{\sigma _\varepsilon } = 1.30. \hfill \\ \end{gathered} $
1.1.3 化学组分守恒方程第k (k=1,2)相流体的化学组分守恒方程采用以下通用形式:
$\frac{\partial }{{\partial t}}(\rho {Y_i}) + \nabla \cdot(\rho \vec v{Y_i}) = - \nabla {\vec J_i} + {R_i} + {S_i}.$
其中Yi为第i种物质的质量分数，Ri为化学反应的净产生速率，Si为离散相或者自定义源项产生的速率. 在系统中出现N种物质时，各种物质质量分数之和为1.
湍流质量扩散系数为
${{\vec J}_i} = - (\rho {D_{i,m}} + \frac{{{\mu _t}}}{{S{c_t}}})\nabla {Y_i},$
式中Di,m是第i种物质的扩散系数，Sct是湍流施密特数，默认值为0.7.
1.2 物理模型采用Montz-pak B1 250.45型规整填料，填料板倾角为45°，几何参数见表 1. 本文从填料层中提取出周期性填料单元，在ICEM CFD中建立三维模型，如图 1所示，由于填料单元内部弯曲折角较多，故采用非结构化方法进行网格划分. 网格划分最大尺寸为8 mm，整个模型生成300多个网格单元.
表 1
表 1 Montz-pak B1-250.45填料几何参数 Table 1 Geometric parameters of Montz-pak B1-250.45 比表面积/(m2·m-3)孔隙率/%斜边长/m底部长/m倾斜角/(°)244980.016 50.022 545
表 1 Montz-pak B1-250.45填料几何参数 Table 1 Geometric parameters of Montz-pak B1-250.45
Figure 1
图 1 填料周期单元模型 Figure 1 Periodic unit cell model of structured packing 1.3 乙醇胺吸收CO2的化学反应采用通用有限速率模型来模拟乙醇胺与CO2的吸收反应. 在Fluent中设置通用有限速率模型模拟化学反应时，首先定义反应物和生成物各组分及其相关物性；其次定义化学反应；最后给出相关化学反应的动力学数据.
MEA吸收CO2的反应过程比较复杂，模拟过程中将反应简化，假定为二级不可逆反应，总的反应方程式为
$C{O_2} + 2MEA\xrightarrow{{{k_2}}}MEA{H^ + } + MEACO{O^ - }.$ (1)
CO2在MEA溶液中的扩散系数与溶解度可采用文献[10]数据，分别为8.39×10-10 m2/s，0.808 mol/mol；乙醇胺的扩散系数为1.1×10-10 m2/s[11]. 由于Fluent数据库中没有MEA以及相关产物的数据，通过Aspen数据库得到它们的基本物理性质数据见表 2.
表 2
表 2 主要物质基本物性 Table 2 The physical property of main materials 物质密度/(kg·m-3)比热容/(J·(kg·K)-1)导热系数/(W·(m·K)-1)黏度/(kg·(m·s)-1)摩尔质量/(kg·kmol-1)标准焓/(J·kmol-1)MEA1.012 6×1032.824 9×1030.237 5811.508 0×10-261.083 7-2.067 0×108
MEAH+4.680 0×1023.349 9×1020.156 3141.770 0×10-562.091 1-3.344 2×108
MEACOO-7.485 3×1021.998 3×1020.120 7301.770 0×10-5104.086 1-6.931 3×108
表 2 主要物质基本物性 Table 2 The physical property of main materials
式(1)中正向反应速率常数k2由阿伦尼乌斯公式计算：
${k_2} = A{e^{ - {E_a}/RT}}.$
其中A是指数前因子，Ea是反应活化能，R是理想气体常数. 本文根据Aboudheir等[12]总结前人的试验数据，对其进行半对数拟合，拟合结果如图 2所示.
Figure 2
图 2 反应速率与温度的半对数拟合 Figure 2 Semi-log fitting of reacting rate vs. temperature 图 2中，以103/T为横坐标，ln(k2)为纵坐标，ln A为图中的截距，-(Ea/R)×10-3为斜率，可以依此求出A与Ea，分别为2.678×1010与3.798 2×104.
1.4 质量传递模型在实际传质过程中，气液两相在高度湍动状态下互相接触，此时不存在稳定的相界面. Higbit[13]在建立的溶质渗透模型中指出:在填料塔中，气液两相接触时间很短，故应根据非稳态扩散模型来处理[14]. 图 3为溶质渗透模型的示意图. 本文采用溶质渗透模型，编写用户自定义函数(UDF)，导入至Fluent中进行编译计算.
Figure 3
图 3 溶质渗透模型示意 Figure 3 The diagram of penetration theory 溶质在流体单元内进行的是一维非稳态扩散过程. CO2的吸收模拟过程，在CO2从气相扩散至气液界面时伴有二级化学反应，CO2与MEA的生成速率分别为
$\begin{gathered} {r_{C{O_2}}} = - {k_2}{c_{C{O_2}}}{c_{MEA}}, \hfill \\ {r_{MEA}} = - 2{k_2}{c_{C{O_2}}}{c_{MEA}}; \hfill \\ \end{gathered} $
CO2的传质微分方程可表示为
${D^{Solution}}_{C{O_2}}\frac{{{\partial ^2}{c_{C{O_2}}}}}{{\partial {y^2}}} = \frac{{\partial {c_{C{O_2}}}}}{{\partial t}} - {r_{C{O_2}}}.$
由于反应速率很大，是瞬间反应，且假设二者的扩散系数相等，根据溶质渗透理论得到传质系数[15]：
${k_{L,{\text{ }}C{O_2}}} = \left( {1 + \frac{{{c_{MEA}}}}{{2{c_{C{O_2},{\text{ }}i}}}}} \right){\left( {\frac{{4{D_{CO}}_2}}{{\pi {\theta _c}}}} \right)^{\frac{1}{2}}}.$
将传质系数代入质量源项Sm，
${S_m} = M{k_{L,CO}}_2A{C_L}({c_{CO}}_2{,_i} - {c_{CO}}_2,0)/V.$
式中M为CO2的摩尔质量，A为单元接触面积，CL为溶液总的摩尔浓度，cCO2,i与cCO2,0分别表示二氧化碳在界面与液相主体的浓度，V为单元体积.
1.5 边界条件边界条件参考华能碳捕集试验研究文献[6]. 边界条件具体设置如图 4所示.
Figure 4
图 4 周期单元边界条件 Figure 4 Boundary conditions of REU 将气相设为主相，液相设为第二相. 基本压力设为1 kPa. 由于液相的加入，考虑重力的影响，且重力大小为9.8，方向为y轴负方向.
1) 气相入口，采用速度入口，方向垂直进口面. 气体入口流量为2 250 m3/h，塔径为1.2 m，转化成气体入口速度为0.552 6 m/s. 进口烟气简化为CO2与N2的混合气体，其中CO2的质量分数为14%.
2) 液相入口，采用速度入口，方向垂直于进口面. 入口流量为3×104 L/h,转化成液体入口速度为0.007 37 m/s. 进口组分为MEA与水，其中MEA的摩尔分数为5%，文中MEA浓度均由摩尔分数来表示.
3) 出口设置，设置两边出口均为压力出口，大小设为1 kPa.
4) 壁面设置，设置壁面为无滑移壁面，忽略流体与填料之间的相互作用.
5) 化学反应，采用组分输运模型和通用有限速率模型，操作温度为300 K，操作压强为1 kPa.
6) 湍流模型，采用标准k-ε模型.
7) 其他设置，压力速度耦合采用简单算法，离散化方法中压力项采用标准算法，动量、湍动能、耗散率离散格式均采用一阶迎风标准，松弛因子及残差均为默认值，设置单位步长为0.001 s，模拟1.5 s的反应过程.
2 乙醇胺吸收二氧化碳模拟结果 2.1 CO2吸收率CO2气相传至液相，然后与液相中的MEA发生反应，生成MEACOO-与MEAH+，由总反应化学方程式可知，1摩尔CO2对应生成1摩尔MEACOO-，MEACOO-的量可以代表CO2吸收的情况. 不同时刻MEACOO-在壁面与出口的平均摩尔分数如图 5所示.
Figure 5
图 5 MEACOO-在壁面与出口的平均摩尔分数 Figure 5 Mean mole fraction of MEACOO- at wall and outlet 随着流体的流动与反应的进行，MEACOO-浓度不断增加，随后趋于稳定. 初始时刻，气液两相接触发生化学反应，生成产物MEACOO-，在0 ~ 1.0 s的时间内MEACOO-在填料表面与出口面均逐渐增加，此时间段内大量生成MEACOO-，在1.0 s以后，增长速率减缓，开始趋于稳定，此时填料内部的化学反应也达到稳定状态.
单元内生成的MEACOO-主要集中在填料壁面，两个出口面的平均摩尔分数少于壁面，表明每一时刻会有产物移出填料单元，且浓度占总体的1/5左右，不可忽略. 故CO2的吸收率定义为壁面的MEACOO-与两个出口面平均的MEACOO-浓度之和.
不同气速下填料单元内液相分布如图 6所示，液相体积分数代表液相分布，气体流速影响液相分布，气体流速越慢，则液体受气体的影响越小，流动状态波动也越小，从而在填料表面流动的面积越大.
Figure 6
图 6 不同气速下填料单元内液相分布 Figure 6 Liquid phase distribution versus gas velocity 2.2 不同操作条件下乙醇胺吸收CO2的化学反应模拟 2.2.1 烟气CO2质量分数为分析烟气CO2浓度对吸收效率的影响，设定液体流量3×104 L/h,烟气流量为2 250 m3/h,MEA摩尔分数为0.05,压强与温度分别为1 kPa与300 K，仅改变烟气CO2的质量分数，依次取烟气CO2质量分数0.08、0.10、0.12、0.14、0.16和0.18. 模拟结果见图 7.
Figure 7
图 7 不同CO2质量分数下的烟气CO2吸收率 Figure 7 CO2 absorptivity versus CO2 mass fraction 由图 7可知，CO2吸收率随入口质量分数的升高而降低. 将模拟结果与试验结果[16]进行了对比，试验中设定反应温度为303 K，MEA摩尔分数为26%，以4 L/min的流量向反应器内通入CO2质量分数分别为9%、12%、15%和18%的烟气. 模拟结果趋势与实验结果一致.
CO2质量浓度增大，则乙醇胺与二氧化碳的摩尔比值减小，从化学平衡角度来看，正向反应推动力减小，不利于CO2吸收. 烟气中CO2浓度升高，气相分压提高，进入液相主体中的CO2的量增大，但抵消其对初始浓度的增大作用，所以随着烟气浓度的升高，吸收效率反而降低.
2.2.2 乙醇胺摩尔分数为分析MEA摩尔分数对二氧化碳吸收效率的影响，仅改变MEA摩尔分数，其他边界条件不变，设定流量3×104 L/h,烟气流量2 250 m3/h为液体75倍,烟气CO2质量分数为14%,压强与温度分别为1 kPa与300 K，乙醇胺摩尔分数依此取0.02、0.05、0.10、0.15、0.20和0.30.
模拟结果如图 8所示，CO2吸收率随MEA摩尔分数的增加而明显上升.
Figure 8
图 8 不同乙醇胺摩尔分数下CO2吸收率 Figure 8 CO2 absorptivity versus MEA mole fraction 文献[16]试验中设定反应温度为303 K，将CO2质量分数为15%的模拟烟气以4 L/min的流量通入MEA摩尔分数分别为8%、17%、26%与35%的吸收溶液中，模拟结果与试验结果趋势相同. 随MEA浓度的增加，CO2吸收速率升高. 因为MEA摩尔浓度的增加，增大了其与CO2的摩尔比，使得CO2从气相传至液相马上与之反应，气液界面与液相主体的传质推动率增强，从而使得CO2吸收效率升高.
2.2.3 气液流量比为分析气液流量比对CO2吸收效率的影响，设定液体流量3×104 L/h,烟气CO2质量分数为14%,MEA溶液摩尔分数为5%,操作温度300 K与压强1 kPa，仅改变入口烟气流量，依此选取烟气流量为液体流量的7.50、75.00、150.00、181.25与212.50倍. 模拟结果如图 9所示，CO2吸收率随气液流量比的增大而降低. 将模拟结果与文献[16]的试验结果进行对比，试验采用通气式搅拌釜作为主体反应器，温度为303 K，吸收溶液摩尔分数为26%，模拟烟气中CO2质量分数为12%时，随烟气流量的增加，CO2脱除率降低，与本文模拟结果趋势一致.
气液流量比增大意味着气液两相在填料单元内停留的时间减少，且气体会将吸收剂带出填料单元，所以CO2吸收率随气液流量比的增大而降低. 气液流量比还关系到填料层的充分浸润，气液流量比过高，会导致液体流不下来，进而导致液泛.
Figure 9
图 9 不同气液流量比下CO2吸收率 Figure 9 CO2 absorptivity versus ratio of gas-liquid flow 2.2.4 环境压强为分析压强对CO2吸收效率的影响，仅改变压强，其他边界条件不变，烟气流量为2 250 m3/h、液体流量3×104 L/h、烟气CO2质量分数为14%、乙醇胺摩尔分数为5%、操作温度300 K，结果如图 10所示.
Figure 10
图 10 不同环境压强下二氧化碳吸收率 Figure 10 CO2 absorptivity versus pressure CO2吸收量随压强增大而增多，原因在于压强的增大，使化学平衡朝正向移动，反应推动力增大，化学反应更加充分，吸收率也就升高了. 在实际操作中，发电厂烟气量大，会带来很多的能源消耗，并且增压需要耐压设备，费用较大，极不经济.
2.2.5 影响因素排序为定量分析各个影响因素及其交互作用对CO2吸收影响的大小，分别用A、B、C、D代表烟气CO2质量分数、MEA摩尔分数、气液流量比与环境压强，两两因素的交互作用分别用A*B、A*C、A*D、B*C、B*D、C*D表示，交互作用的吸收效率由对应的影响因素的吸收效率乘积得到. 选取每个因素的高低两个水平值，并进行组合得到24=16种模拟方案. 16种模拟方案参数设置及模拟得到对应的CO2吸收率，如表 3所示.
表 3
表 3 模拟方案与结果 Table 3 Simulation results 序号ABCD/kPa吸收效率/%10.080.021081.0605.67
20.080.0210182.3856.69
30.080.0220081.0605.33
40.080.02200182.3855.55
50.080.301081.06081.40
60.080.3010182.38590.50
70.080.3020081.06065.70
80.080.30200182.38560.20
90.180.021081.06025.80
100.180.0210182.38528.00
110.180.0220081.06023.00
120.180.02200182.38523.50
130.180.301081.06035.50
140.180.3010182.38539.50
150.180.3020081.06028.10
160.180.30200182.38525.60
表 3 模拟方案与结果 Table 3 Simulation results
对每个因素影响大小进行极差分析并进行排列，如图 11所示.
Figure 11
图 11 不同因素影响大小排列图 Figure 11 Pareto of different influence factors 影响因素B，即MEA质量分数对吸收影响最大(占比38%)，其次依次是MEA摩尔分数与CO2质量分数交互作用、CO2质量分数、气液流量比、MEA摩尔分数与气液流量比交互作用、气液流量比与压强交互作用. 以上影响因素及其交互作用对吸收的影响累积达到96%，剩余的4个因素或交互作用对吸收影响忽略不计.
2.3 最优参数实际应用中，在满足工艺要求的前提下，还需综合考虑CO2的吸收效率、胺降解、运营成本等问题. 本文中，当烟气流量为2 250 m3/h，CO2质量分数为14%时，选取MEA溶液为烟气流量的1/10，即225 m3/h，MEA摩尔分数选取20%~30%，温度为300 K，压强为常压，才使模拟得到的CO2吸收效率是最高的.
3 结 论1) 模拟了中尺度下吸收塔规整填料单元内乙醇胺吸收CO2的传质与吸收过程，并通过填料表面MEACOO-在壁面与出口面的平均摩尔分数值近似计算得到CO2的吸收率. MEA吸收CO2的过程，属于带化学反应的气液两相流动过程，气液两相接触时间越长，反应越充分，则生成的MEACOO-越多.
2) 模拟分析了不同操作条件下规整填料单元内MEA吸收CO2的化学反应，并得到不同操作条件对CO2吸收率的影响.
3) 对因素影响大小进行定量分析，MEA摩尔分数对吸收效率影响最突出，其次依次是CO2入口浓度、气液入口流量比、压强. 在实际碳捕集过程中，电厂燃烧烟气中CO2初始浓度是确定的，需要根据操作条件确定合理的气液流量、乙醇胺浓度，从而保证CO2最大脱除率.
本文模拟是在局部填料单元模型上进行的，未考虑吸收塔塔壁与材质对吸收过程的影响. 该方法是利用Fluent软件对碳捕集过程模拟的一种尝试. 在该方法的基础上，将来在计算机性能允许的条件下，利用CFD可以实现在规整填料塔整体模型上的碳捕集过程模拟.
参考文献
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