基于增强热回收的三甘醇吸收烟气除湿多目标技术经济优化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Multi-objective techno-economic optimization of flue-gas dehumidification using triethylene glycol absorption with enhanced heat recovery

　　

•利用三甘醇吸收优化烟气脱水过程 •针对不同脱水水平开展多目标技术经济优化研究 •提出基于人工神经网络的局部与全局敏感性分析方法 •依据脱水水平和工艺流程规模进行详细技术经济评估

引言 从气体中去除水分对于维持各类工业操作的工艺效率和产品质量至关重要。在CO2捕集过程中，水分对吸附和膜分离均产生不利影响[1]。具体而言，在CO2吸附过程中，水分会与CO2竞争吸附位点，大幅降低吸附剂的CO2吸附容量，增加吸附剂再生频率和能耗，并加速设备腐蚀与老化[2][3]。在基于膜的CO2分离过程中，水分会与膜材料相互作用，对CO2的渗透率和选择性产生不利影响[4][5]。此外，对于CO2运输，维持液态CO2流中极低含水量（<50 mg/L）至关重要，因为水分可能导致管道内阀门和接头堵塞，并通过与CO2的反应引发电化学腐蚀[6][7]。因此，必须确定从含CO2气流中高效去除水分的方法[8][9]。

常见的除水方法包括吸收、吸附和低温冷凝[10]。其中，吸收法——即利用甘醇类液体溶剂吸收潮湿气体中的水蒸气——在工业应用中最为广泛。常用作液体干燥剂的甘醇包括单乙二醇、二甘醇、三甘醇（TEG）和四甘醇[11][12]。甘醇类型的选择取决于蒸气压、分解温度、再生温度、吸水性和成本等多种因素。TEG因其化学稳定性好、对水分亲和力强以及再生和操作成本效益高，被广泛应用于基于吸收法的除水过程。因此，TEG吸收已成为天然气和氢气产品脱水的成熟工艺[7][13]。由于天然气脱水通常以满足预定的管道质量规格为设计目标，先前的优化研究主要将所需出口含水量作为固定设计约束。典型的管道规格对应约40–150 ppmv的水含量（美国管道费率标准、欧洲EN16726准则和韩国燃气质量标准）。因此，先前的研究主要聚焦于在管道导向水分规格下最小化能耗和运营成本，而非系统地研究在不同出口湿度范围内的工艺性能[7][8][9]。

所需的脱水程度和位置因下游CO2捕集、封存和利用路线的不同而存在显著差异。在水性溶剂捕集中，吸收系统可用于去除大量水分并回收热量[14]。在非水性和无水性CO2捕集中，上游的初步脱水可限制水分积累及其对溶剂组成和再生热负荷的影响[15]。

上游脱水对基于吸附的CO2捕集尤为重要，因为水蒸气会占据吸附位点，显著降低亲水性CO2吸附剂的工作容量。对于基于吸附的工艺，许多真空变压吸附和变温吸附（TSA）研究均假定干烟气条件，而另有研究提出在基于沸石的CO2吸附床之前设置独立的硅胶干燥单元或除水保护层[16][17]。采用活性氧化铝、硅胶或分子筛的固态干燥剂吸附在深度脱水（<10 ppm）方面尤为有利，因为可达到极低的残余水分水平。然而，传统的TSA系统需要循环吸附和热再生，通常需要多个床层以实现连续运行，导致工艺复杂度和再生能量需求增加[18]。在所研究的运行范围内，TEG吸收所需能量低于固态吸附，而固态吸附在更严格的脱水条件下仍具优势[19]。因此，固态吸附更适合超深度脱水或精处理，而连续循环的TEG在大量气体处理中的中量到中间程度除水方面更具吸引力。

此外，水分还可能影响采用某些玻璃态微孔聚合物的膜过程。例如，在一种本征微孔聚合物中，进料相对湿度升至50%时，CO2渗透率下降了41%[5]。类似地，低温碳捕集在低温分离前需要深度脱水，以防止冰的形成和工艺不稳定[20]。

水性盐类液体干燥剂也已被研究用于湿烟气中的热量和水分回收。Wang等[21]评估了一种由烟气驱动的开放式吸收系统以同时回收热量和水分，Yang等[22]研究了使用LiBr和CaCl2溶液的全开放吸收热泵，并证明了烟气热量回收的显著提升。最近，Ma等[23]基于热力学和经济性能开发了此类系统的全局设计优化框架。尽管高浓度无机盐溶液具有很强的吸湿性，但可能面临高盐浓度或低温下结晶、设备腐蚀、溶液夹带和黏度增加等实际限制，这些限制会缩小允许的操作窗口并使长期运行变得复杂。这些研究证明了液体干燥剂吸收用于烟气处理的可行性；然而，其主要目标是热量和水分回收，而非面向下游CCUS应用的不同规格依赖性脱水。

TEG吸收工艺连续溶剂循环和成熟的处理量运营为其将TEG吸收扩展到低压、大容量烟气脱水提供了实用基础。众多研究人员通过数值模拟和优化研究了基于TEG的除水过程，聚焦于优化热力学模型、降低运营成本和提升能源效率[8][9][24]。例如，Chebbi等[9]通过分析TEG循环速率、吸收塔和吹除气塔中的塔板数、进料气体压力和温度等变量，优化了再沸器、TEG泵单元和吹除气系统的资本成本和公用工程成本。通过单目标优化，在满足露点要求的前提下将总运营成本降低了34.6%。此外，敏感性分析表明再沸器温度是运营成本的主要驱动因素。Petropoulou等[24]采用两种热力学模型（UMR-PRU和TST/NRTL）测量TEG-水混合物的相平衡，并进行了敏感性分析以评估运行参数对能耗最小化的影响。结果表明，吹除气流量和再沸器压力对水分回收影响最为显著，再沸器和换热器热负荷的调整对运营成本和资本成本产生了显著影响。Ani等[8]利用多目标优化在基于TEG吸收的天然气脱水中最小化CO2排放、能耗和干燥气中的水分含量。进口湿气温度和再沸器温度成为影响干燥气湿度水平和能耗的关键因素。

尽管CO2捕集、运输和利用途径对水分水平的需求存在巨大差异，但先前的研究通常是在单一CO2捕集配置或特定下游应用中评估脱水过程。因此，脱水通常被视为一个辅助的预处理步骤，不同水分规格对应的设计和技术经济负担尚未在CO2捕集途径之间进行系统比较。特别是在不同出口水分水平范围内，针对低压、大容量烟气进行规格依赖性TEG脱水评估的研究仍然有限。

为弥补这些不足，本研究旨在通过严格的工艺模拟，在广泛的脱水分目标范围（50–15,000 ppm）内对基于TEG的烟气脱水进行多目标技术经济优化。引入废热回收策略以提升脱水的效率和成本效益。基于优化结果，分析运行和结构变量的变化对Pareto最优解的影响，并从技术经济角度评估整体工艺性能。利用人工神经网络（ANN）集成模型进行局部和全局敏感性分析，以确定TEG脱水过程定位的关键见解。该分析揭示了根据脱水规格不同从循环主导状态到再生强化状态的转变，为CCUS应用中脱水系统的放大提供了全面的设计指导。此外，研究了工艺规模和碳排放惩罚的影响。所得技术经济图谱将下游水分规格与TEG脱水所需的能量和成本联系起来。由于捕获的CO2气流必须满足水分限值后才能进行后续的运输、封存或利用，本研究的成果可用于在评估不同CO2捕集途径时纳入脱水负担。

工艺描述 利用Aspen Plus V12.1对源自天然气锅炉的烟气进行预处理脱水进行了模拟。吸收塔和再沸器采用Aspen Plus中严格的级差塔模型——平衡级RadFrac模型进行建模。在平衡级公式中，假设离开每个理论级的汽相和液相处于热力学平衡状态。塔模型求解了耦合的逐级组分物料平衡。

基于TEG吸收的大规模烟气脱水多目标优化 对基于TEG的烟气脱水工艺进行了多目标技术经济优化，湿气烟气流量设定为500 t/h。图3展示了总年成本（TAC）随干燥气体湿度的变化。在使用遗传算法进行的多目标优化最后一代中，运行变量和结构变量的种群成功收敛，确保了各目标之间的平衡取舍。

优化收敛

结论 采用多目标遗传算法对集成废热回收的基于TEG的烟气脱水工艺进行了优化。优化目标是最小化总年成本和干燥烟气的含水量，二者呈反向关系。工艺变量包括TEG循环速率、回流温度、再沸器的馏出液-进料比、吸收塔和再沸器的级数以及废热回收系统的热负荷等。

缩略语 ANN——人工神经网络 APC——年生产成本 CAPEX——资本支出 CBM——基础模块成本 CCUS——碳捕集、利用与封存 CP——设备购置成本 DPI——总直接永久投资 FA——年折算因子 FBM——基础模块因子 NRTL——非随机双液相模型 NSGA-II——非支配排序遗传算法II OPEX——运营支出 SHAP——沙普利加性解释 SR-Polar——Schwartzentruber-Renon极性状态方程 TAC——总年成本 TBM——总基础模块投资

作者贡献声明 Jung Moo Lee：撰写——初稿，软件。Jun Woo Park：撰写——初稿，概念设计。Ki Bong Lee：撰写——审阅与编辑，监督。

利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本研究中报告的工作的已知经济利益或个人关系。

致谢 本研究得到韩国国家研究基金会（NRF）的资助（韩国科学技术信息部资助，编号RS-2024-00466616）以及韩国能源研究院研发计划框架（编号C6-2420-64）的支持。