CO2化学吸收在预燃烧过程中使用MDEA-IL混合溶剂的技术经济可行性研究（通过过程模拟）

《Chemical Engineering Journal Advances》：Techno-economic feasibility study of CO 2 chemical absorption in pre-combustion processes using MDEA-IL hybrid solvent through process simulation

　　

来自过程工业（process industries）特别是油气行业的二氧化碳（CO₂）排放增加，促使研究人员开发高效的酸气去除技术。尽管甲基二乙醇胺（MDEA）等胺基溶剂在天然气精炼厂等工业中广泛使用，但存在溶剂再生能耗高和CO₂吸收性能有限等局限性。尽管离子液体（ionic liquids, ILs）的应用取得了进展，但预燃烧条件下胺-离子液体混合溶剂的综合技术经济和热力学评估仍十分匮乏。本研究首次通过Aspen Plus过程模拟，研究了由离子液体[P₂₂₂₈]⁺[2-CNPyr]^-和MDEA构成的混合溶剂系统的性能。建模采用电解质NRTL（Electrolyte NRTL, ELECNRTL）热力学模型，并结合技术经济分析，与基准MDEA溶剂进行比较。结果表明，使用混合溶剂后，再沸器能耗降低了46.67%，操作成本从每小时8.381美元降至6.752美元。此外，CO₂和H₂S吸收的溶剂消耗分别减少了52.52%和59.52%，表明过程性能显著提升。总体而言，胺-离子液体可被视为预燃烧捕集过程中降低能耗和操作成本的有前景选项，并为该技术的进一步实验研究和工业应用提供了基础。

研究背景主要包括：大气中二氧化碳（CO₂）浓度持续上升是气候变化的主要驱动因素，过程工业尤其是油气行业的大量排放推动了高效碳捕集与封存（CCS）技术的发展。现有技术中，化学吸收法在预燃烧条件下具有热力学优势，但传统胺基溶剂如单乙醇胺（MEA）存在再生能耗高、设备腐蚀和化学降解等问题。MDEA虽较MEA有较低再生能耗和较高稳定性，但其与CO₂反应速率较慢。离子液体（ILs）如[P₂₂₂₈]⁺[2-CNPyr]^-具有低蒸气压、高热稳定性和可调结构，但工业应用受限于高粘度、传质限制和成本。因此，将胺与IL结合形成混合溶剂以发挥协同优势成为研究方向，但针对MDEA-IL混合溶剂在预燃烧条件下的综合技术经济可行性研究仍缺乏。研究人员开展此研究，旨在通过过程模拟系统评估MDEA与[P₂₂₂₈]⁺[2-CNPyr]^-混合溶剂在预燃烧CO₂吸收中的性能及技术经济可行性，为节能降本的工业应用提供依据。该论文发表在《Chemical Engineering Journal Advances》。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：利用Aspen Plus（版本14）过程模拟软件建立天然气脱硫过程模型；采用电解质NRTL（ELECNRTL）热力学模型描述电解质反应与非理想行为；通过Aspen Process Economic Analyzer（APEA）进行技术经济分析，计算资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）；模型验证使用来自某运行天然气精炼厂的工业数据，包括原料气组成、操作条件等；离子液体[P₂₂₂₈]⁺[2-CNPyr]^-作为伪组分定义，其物性参数（密度、粘度、CO₂溶解度）通过对Seo等人实验数据的回归获得并验证。

研究结果如下：

**3.1 Baseline MDEA process simulation: results and validation**：通过模拟基准MDEA过程，并与工业数据对比，验证了ELECNRTL模型的高精度。模拟值与工业数据在压力、温度、CO₂和H₂S浓度上的平均误差小于1%，仅CO₂在流股13中误差为4.4%，在可接受范围内。结果表明基准过程可有效去除H₂S和CO₂，净化气中H₂S浓度低于4 ppm，CO₂含量低于1.5 vol%。

**3.2 Economic analysis of the base process**：对基准MDEA过程进行经济分析，发现蒸汽成本最高（606.42 $/h），再沸器T-2080的设备和安装成本最高（分别为641,000 $和1,499,900 $），其公用工程成本为627.99 $/h。总资本成本为7,145,970 $，总运营成本为8,381,230 $/年，其中公用工程成本占6,386,320 $/年，表明蒸汽消耗是主要成本驱动因素。

**3.3 Simulation results of the proposed process (MDEA+IL)**：提出使用MDEA与离子液体[P₂₂₂₈]⁺[2-CNPyr]^-混合溶剂的过程模拟结果。混合溶剂中IL摩尔分数约3 mol%，MDEA为17.7 mol%，质量分数分别为0.21和0.46。模拟结果显示，在保持CO₂去除效率超过99.99%的前提下，显著降低了溶剂循环量。

**3.4 Economic analysis of the proposed process (MDEA+IL)**：对MDEA+IL过程进行经济分析。蒸汽成本降至323.32 $/h，电力成本49.85 $/h，冷却水成本13.80 $/h。总资本成本为6,752,020 $，总运营成本为5,122,710 $/年，公用工程成本为3,392,190 $/年。

**3.5 Comparison of Baseline and Proposed Hybrid MDEA–IL Processes**：在相同CO₂去除效率（>99.99%）下比较两个过程。混合溶剂使再沸器能耗降低46.67%（从19.4 MW降至10.346 MW），溶剂与气体比（L/G）降低41.87%，贫胺负载降低52.52%（CO₂）和52.59%（H₂S），富胺负载增加22.33%（CO₂）和29.85%（H₂S），再生器回流比降低61.81%。总资本成本降低28.31%，总运营成本降低24.13%。这表明混合溶剂通过协同作用提高了吸收容量，降低了再生能耗。

**3.6 Influence of mass flow rate of the MDEA- ionic liquid mixture**：通过敏感性分析考察溶剂质量流量（135,000-150,000 kg/h）的影响。随流量增加，H₂S摩尔分数显著下降趋近零，CO₂下降较缓；再沸器和冷凝器能耗均升高（再沸器从2.5 MW升至12.9 MW，冷凝器从2.2 MW升至3.3 MW），表明高流量增加运营成本。

**3.7 Sensitivity analysis of ionic liquid composition**：通过单因素敏感性分析考察IL质量分数（21%-44%）的影响。随IL分数增加，CO₂浓度显著降低，但H₂S浓度在IL超过26%后逐渐上升；再沸器和冷凝器能耗均下降，表明提高IL比例可降低能耗和运营成本，但需权衡H₂S去除效率。

讨论部分总结：敏感性分析证实，溶剂循环量和IL组成直接影响再沸器和冷凝器能耗，进而影响公用工程成本和运营成本。增加IL比例可降低再生能耗，但过高的IL可能降低H₂S去除效率，因此需优化溶剂组成。总体而言，MDEA-IL混合溶剂在保持高CO₂捕集性能的同时，显著降低了能耗和成本，具有工业应用潜力。

研究结论翻译如下：本研究通过Aspen Plus模拟，在预燃烧条件下研究了由MDEA和离子液体[P₂₂₂₈]⁺[2-CNPyr]^-构成的混合溶剂系统用于酸气吸收和分离的性能。结果表明，提出的MDEA+IL系统保持了与常规MDEA过程相当的CO₂去除效率（均超过99.99%），但在过程能量效率和经济绩效方面有显著提升。特别是，与常规MDEA系统相比，再沸器能耗降低了46.67%，总运营成本和资本成本分别降低了24.13%和28.31%。结果还表明，混合溶剂系统以更低的溶剂循环量和再生器回流比运行，同时实现了更高的CO₂和H₂S富胺负载，表明混合系统中溶剂利用更高效，整体过程性能更优。然而，将IL比例增加到一定范围以上会导致H₂S去除效率逐渐下降，表明在节能和酸气去除性能之间存在权衡，因此优化溶剂组成对于实现平衡的过程运行至关重要。与常规商业MDEA和MEA基脱硫过程相比，提出的MDEA-IL混合溶剂在再生能耗、溶剂循环量和总体运营成本方面具有显著优势，并且在同等操作条件下实现了与常规MDEA过程相同的净化气纯度和捕集率。这种分离性能相等且成本效益更优的组合表明，该混合溶剂在工业预燃烧CO₂捕集应用中具有强大潜力。然而，成功的大规模实施需要进一步研究长期溶剂稳定性、可回收性、腐蚀行为以及大规模IL生产和溶剂更换的经济影响。总体而言，这项研究表明胺-离子液体混合溶剂作为天然气脱硫应用中节能且经济有吸引力的替代方案具有巨大潜力，高CO₂捕集性能与低再生能耗的结合凸显了将IL与常规胺系统整合用于更清洁、更可持续气体处理技术的可行性。未来工作应聚焦于实验验证、长期溶剂稳定性、溶剂降解行为、中试规模实施以及在工业操作条件下的综合技术经济评估，以进一步评估该混合溶剂系统的商业可行性。