劉炳成，史澄輝

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

二氧化碳(CO2)的過度排放是造成全球變暖的罪魁禍首［1］。1990～2008年間，我國CO2的排放量增長了近3倍［2］。全球每年因化石原料燃燒向大氣中排放的CO2達200億t左右，而化石燃料電廠排放的CO2占到了人類排放CO2總量的30%［3］。由于電廠煙氣流量大、CO2分壓低等特點［4］，目前捕集煙氣中CO2應用最多的是MEA法，但此法存在胺降解損耗較大、對設備腐蝕性強、吸收量小和再生能耗相對較高等缺點［5－6］。工業(yè)生產中，CO2的吸收和再生是同時操作的，溶液再生能耗的多少很大程度上決定著CO2回收成本的高低［7－8］。因此測量并分析吸收劑的吸收、解吸性能與再生能耗對于評價吸收劑性能具有重要意義［9－10］。

本文根據電廠煙氣CO2捕集實際中試系統(tǒng)流程，搭建了室內實驗臺架，測定了多種工況下AEE(羥乙基乙二胺)吸收劑的吸收、解吸特性及解吸能耗，分析了吸收與解吸速率、溶液pH值、解吸耗能以及吸收劑再生度的變化規(guī)律，以期為高效、低能耗吸收劑的開發(fā)和工業(yè)化應用提供理論指導。

1 實驗原理與裝置

1.1 實驗原理

有機胺法吸收CO2原理為弱酸與弱堿反應生成水溶性鹽類的可逆過程，AEE溶液吸收CO2的反應方程式如下。

上述三個反應均為可逆反應，當溫度升高時，溶液中的氨基甲酸鹽與HCO3－受熱分解，反應沿逆向進行，CO2從溶液中釋放出來，此為再生反應的機制。

1.2 實驗裝置

高溫循環(huán)器，GX－2015型，廣州乙勝實驗儀器有限公司;智能渦輪流量計，LWGY型，煙臺五神儀表有限公司;手提式酸度計，pH 315i型，德國WTW公司;磁力攪拌反應釜;智能溫度顯示器，XMTG 308型，余姚市長江溫度儀表廠;流量積算儀，D08－8C型，北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司;質量流量控制器，D07－19B型，北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司。

1.3 實驗方法

采用CO2、N2的混合氣體模擬煙道氣體進行實驗(N2和CO2體積分數(shù)分別為85%和15%)，質量流量控制器精確控制混合氣體的流量，如圖1所示。將配比好的AEE溶液注入雙層玻璃反應釜中，調節(jié)磁力攪拌器8設定攪拌轉速在300 r/min，將混合氣體通入反應釜中，同時開始計時，實驗開始。每隔5 min記錄一次數(shù)據，并取樣液1 mL，采用酸解法進行CO2含量分析，當樣液中CO2含量不再變化時，當反應達到飽和，停止吸收實驗。

圖1 吸收實驗裝置Fig.1 Absorption experiments equipment

圖2 解吸實驗裝置Fig.2 Desorption experiments equipment

吸收實驗完畢，取出反應釜內吸收液，暫密閉保存。打開解吸裝置高溫循環(huán)器加熱合成導熱油，待進、出口油溫示數(shù)穩(wěn)定后，加注吸收液于解吸反應釜中，進行吸收劑解吸實驗。解吸實驗裝置如圖2所示。每隔5 min記錄一次數(shù)據，每次取1 mL溶液采用酸解法分析其中CO2含量。當溶液中CO2含量不再變化時，解吸實驗結束。

2 實驗結果與分析討論

2.1 AEE溶液對CO2的吸收性能

CO2吸收實驗是在室溫、常壓下進行。分別考察了質量分數(shù)為10 wt%、15 wt%、20 wt%的AEE溶液進行吸收實驗，實驗結果見圖3～圖6。

圖3表示的是溶液的吸收速率隨時間的變化規(guī)律，由圖可知，在相同的反應時間里，AEE溶液對CO2吸收速率與AEE的質量分數(shù)有關，三者曲線的變化趨勢基本一致。低質量分數(shù)(10 wt%)的AEE溶液有著高的初始吸收速率，隨著吸收反應的進行，低質量分數(shù)(10 wt%)AEE溶液的吸收速率降低的更為顯著，在反應進行到30 min左右時，低質量分數(shù)(10 wt%)的AEE溶液吸收速率已經最低。隨著吸收反應的進行，在60 min左右時，高質量分數(shù)(20 wt%)的AEE溶液則具有相對較高的CO2吸收速率，三者吸收速率大小表現(xiàn)為20 wt% ＞15 wt%＞10 wt%。

圖3 不同濃度AEE溶液吸收速率與時間的關系Fig.3 Absorption rate vs absorption time for AEE

圖4表示的是溶液吸收速率與溶液中CO2吸收量的變化規(guī)律。當溶液CO2含量低于0.6 mol左右時，在相同的CO2吸收量下，低質量分數(shù)(10 wt%)的AEE溶液擁有較高的 CO2吸收速率，大小為10 wt%＞15 wt%＞20 wt%?？v觀整個吸收反應過程，反應前期溶液吸收速率變化較為劇烈，中期CO2吸收速率的變化較為平緩，而后期吸收速率變化又比較劇烈。主要有以下兩方面原因:一方面由于較高質量分數(shù)的AEE會導致溶液的黏度增大，影響傳質效果;另一方面，隨著吸收反應的不斷進行，水含量增大，有利于氨基甲酸鹽的生成，提高溶液CO2的吸收速率。由此可知:適當降低AEE溶液的質量分數(shù)，有利于提高溶液對CO2的吸收。

反應開始前20 min，溶液的pH隨時間的變化幾乎是線性關系，如圖5所示。這與AEE溶液內OH－與CO2的快速反應，溶液濃度下降較快有關。隨著反應時間推移，吸收CO2的主要部分變?yōu)锳EE分子，OH－會對AEE的電離吸收產生抑制作用，隨著溶液堿性降低 AEE分子會逐漸釋放出來，對OH－的下降起緩沖作用，使pH下降變慢。吸收液pH大致下降至8.2時，吸收達到飽和，這一特性可作為判斷溶液吸收CO2進行程度的指標，當pH下降到8.2左右時，溶液基本達到飽和，無法很好繼續(xù)吸收CO2，可進行再生。

圖4 不同濃度AEE溶液吸收速率與吸收量的關系Fig.4 Absorption rate vs absorption capacity for AEE

圖5 不同濃度AEE溶液pH與時間的關系Fig.5 pH vs absorption time for AEE

圖6 不同濃度AEE溶液中CO2含量與時間的關系Fig.6 CO2capacity vs absorption time for AEE

圖6反映的是AEE溶液CO2吸收量隨吸收時間的變化趨勢。由圖可見:隨著AEE質量分數(shù)的增大，達到飽和的時間逐漸延長。一方面，這是由于AEE溶液的黏度隨著質量分數(shù)的增大而加大。黏度的增大導致溶液傳質性能的降低，繼而導致溶液吸收等量的CO2需要更長的時間;另一方面，氨基甲酸鹽濃度的不斷增加，也會逐漸抑制AEE與CO2進行反應。10 wt%的AEE溶液有著較低的氨基甲酸鹽濃度，因此具有最大的CO2吸收量。

2.2 AEE富液對CO2的解吸性能

取吸收后的AEE溶液，加注解吸裝置進行解吸實驗，實驗結果見圖7～圖11。

圖7 不同濃度AEE溶液解吸速率與時間的關系Fig.7 Desorption rate vs desorption time for AEE

不同濃度AEE富液CO2解吸速率與時間的關系如圖7。在解吸進行的前30 min里，不同濃度的AEE溶液解吸CO2的速率都達到了最大值，三條曲線趨勢基本一致，在解吸進行的前100 min內，解吸速率大小表現(xiàn)為20 wt% ＞15 wt% ＞10 wt%。在前30 min左右，溶液處于加熱升溫狀態(tài)，隨著溶液溫度的快速升高，解吸速率變化劇烈，快速達到最大值，而后隨著溫度繼續(xù)升高，溶液中CO2的不斷解吸逸出，溶液中所含CO2逐漸減小，解吸動力減小，速率降低，反應較為平緩。

圖8表示的是不同濃度AEE溶液解吸速率與溫度的關系，由圖可知:不同濃度的 AEE溶液在85℃左右解吸速率達到最大，且溶液在85℃ ～95℃范圍內有相對較高的解吸速率，溫度選擇范圍較為寬泛?？偨Y:溶液在加熱30 min后，升溫至85℃時有較大的解吸速率。實驗結論對于工業(yè)選擇合適解吸溫度有指導意義。

2.3 AEE溶液CO2解吸能耗分析

圖8 不同濃度AEE溶液解吸速率與溫度的關系Fig.8 Desorption rate vs desorption temperature for AEE

圖9 不同濃度AEE溶液解析能耗與時間的關系Fig.9 Desorption energy consumption vsdesorption time for AEE

不同質量分數(shù)的AEE溶液解吸能耗與時間變化規(guī)律如圖9所示:AEE溶液的質量分數(shù)影響解吸能耗，且決定了初始解析能耗，表現(xiàn)為20 wt% ＞15 wt% ＞10 wt%，溶液在初始30 min左右解吸能耗下降迅速，能快速達到較低的耗能水平，表現(xiàn)出了溶液的良好解吸性能。三者曲線表現(xiàn)出了較為一致的變化趨勢，呈U型。原因:解吸進行的前30 min里，溶液處于加熱升溫狀態(tài)，隨著溶液溫度的快速升高，較快達到一個合適的解吸工況，解吸能耗快速下降。在30 min后，達到最佳解吸工況，解吸能耗處于一個相對穩(wěn)定期，保持一個較低值，解吸效果達到最佳。其中20 wt%的AEE保持最低解吸能耗時間較短，為70 min左右，而10 wt%、15 wt%的AEE溶液可以長達100 min左右，操作空間大。

AEE溶液解吸能耗與溶液中的CO2含量關系如圖10所示:三者曲線變化類似，呈“U”型。當溶液中CO2含量較高時，溶液有著較高的解吸能耗，此時決定解析能耗的主要因素為溶液溫度，當溶液溫度達到合適工況后，決定解析能耗的因素發(fā)生改變，為溶液中CO含量。解吸反應開始，溶液有較高濃度的CO2載荷，但此時溶液溫度較低，所以表現(xiàn)出了較高的解吸能耗;隨著反應的不斷進行，溶液中CO2總含量不斷降低，單位CO2解吸能耗將逐漸增大，且變化較快。因此，醇胺溶液中CO2的含量也可以反映出當時的解吸能耗所處水平。選擇合適的工況開始及結束解吸過程，對于工業(yè)中減少能耗有重大意義。

圖10 不同濃度AEE溶液解析能耗與CO2含量的關系Fig.10 Desorption energy consumption vs CO2capacity for AEE

圖11 不同濃度AEE溶液再生度與時間的關系Fig.11 Regeneration condition vsdesorption time for AEE

2.4 AEE富液再生度分析

AEE溶液的再生度隨時間變化規(guī)律的曲線如圖11所示。解吸反應前20 min內，溶液的溫度較低，解吸反應沒有充分進行，再生度較低，但表現(xiàn)出了較快的增長趨勢，與解吸速率在前20 min快速的達到最大值相符;隨著時間的推移，溶液溫度不斷升高，溶液中CO2含量不斷減少，解吸速率降低，溶液的再生度增大的趨勢減緩。初始時刻再生度，三者相差甚微;中期，再生度大小20 wt% ＞15 wt% ＞10 wt%，其中20 wt%的AEE溶液有著較強的再生能力;解吸后期，三者基本成等差排列。

3 結論

AEE作為一種新型吸收劑，相比傳統(tǒng)的MEA(單乙醇胺)、DEA(二乙醇胺)吸收劑，實驗研究還比較少，本文采用攪拌裝置對不同濃度AEE溶液的吸收及解吸性能進行了實驗分析，并采用循環(huán)油浴加熱法測量計算了AEE溶液的解吸能耗，實驗分析結果如下:

(1)10 wt%的AEE溶液有較高的吸收總量，20 wt%的AEE有較好的吸收速率;

(2)溶液溫度85℃左右時，三種不同濃度的AEE溶液解吸速率均達到最高，且解吸速率隨溶液濃度的增大而顯著提高;

(3)20 wt%的AEE吸收劑具有較高的吸收、解吸速率和較高的再生度，但有較高的解吸能耗。

［1］黃漢生.溫室效應氣體二氧化碳的回收與利用［J］.現(xiàn)代化工，2001，21(9):53 －57.

［2］王桂榮，蘇錦輝，趙敏，等.中外發(fā)展低碳經濟的比較分析［J］.節(jié)能技術，2012，30(5):458 －460.

［3］曾憲衷，陳昌和，高保成.煙氣脫碳技術進展［J］.化工環(huán)保，2000，20(6):12 －17.

［4］李瓊玖，杜世權，廖宗富，等.我國燃煤發(fā)電污染治理的CO2捕集封存與資源化利用［J］.化肥設計，2010，48(6):10－16.

［5］葉寧，畢亞軍.煙道氣回收 CO2的工業(yè)應用［J］.化學工程師，2005，121(10):59 －61.

［6］毛松柏，葉寧，丁雅萍，等.煙道氣中CO2回收新技術的開發(fā)和應用［J］.煤化工，2005，118(3):25 －28.

［7］晏水平，方夢祥，張衛(wèi)風，等.煙氣中CO2化學吸收法脫除技術分析與進展［J］.化工進展，2006，25(9):1018－1024.

［8］項菲，施耀，李偉.混合有機胺吸收煙道氣中CO2的實驗研究［J］.環(huán)境污染與防治，2003，25(4)，206 －208.

［9］李新春，孫永斌.二氧化碳捕集現(xiàn)狀和展望［J］.能源技術經濟，2010，22(4):21 －6.

［10］周珊，王淑娟，Rochelle G T，陳昌和.CO2捕集過程中有機胺熱降解的實驗研究［J］.清華大學學報:自然科學版，2012，52(1):81 －86.