中國石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

三元復(fù)合吸收劑捕集二氧化碳中試優(yōu)化

紀(jì)國慶中國石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

目前醇胺化學(xué)吸收法已經(jīng)成為煙氣二氧化碳回收的主要方法，但存在吸收速率差、再生負(fù)荷高、易降解等缺點(diǎn)。在前期研究的基礎(chǔ)上，采用DEA—MDEA—AEP三元復(fù)合吸收劑，應(yīng)用醇胺化學(xué)吸收流程，在10m3/h的連續(xù)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行三元復(fù)合吸收劑的吸收、解吸常壓CO2中試測(cè)試。DEA—MDEA—AEP三元復(fù)合吸收劑最佳工藝參數(shù)為：吸收溫度為40℃，氣液比為10L/m3，濃度為3mol/L。研究表明，相同實(shí)驗(yàn)條件下，吸收劑脫碳率隨吸收劑濃度、氣液比增加而增大，隨吸收溫度增加先增加后下降；再沸器的熱負(fù)荷則隨著吸收溫度，液氣比以及溶液濃度的增加而增加。

DEA；MDEA；AEP；三元復(fù)合吸收劑；CO2；工藝參數(shù)

近年來，由于工業(yè)的急速發(fā)展和人口的迅猛增加，使得大氣中二氧化碳（CO2）等溫室氣體的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自然生態(tài)系統(tǒng)所能承受的能力，產(chǎn)生了溫室效應(yīng)。CO2是造成溫室效應(yīng)、導(dǎo)致地球氣候變暖、破壞大氣環(huán)境的主要污染物。

燃煤電廠是CO2的集中排放源，因而研究燃煤電廠煙氣CO2的捕集純化技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)前的一項(xiàng)重要工作。目前醇胺化學(xué)吸收法已經(jīng)成為煙氣CO2回收的主要方法，但存在吸收速率差、再生負(fù)荷高、易降解等缺點(diǎn)，而對(duì)于CO2捕集技術(shù)來講，開展脫碳工藝的整體優(yōu)化來提高傳質(zhì)效率、降低再生能耗是脫碳技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。

在前期研究的基礎(chǔ)上，采用DEA—MDEA—AEP三元復(fù)合吸收劑，應(yīng)用醇胺化學(xué)吸收流程，在10m3/h的連續(xù)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行三元復(fù)合吸收劑的吸收、解吸常壓CO2中試測(cè)試，研究吸收溫度、吸收劑濃度、液氣比（L/G）、入口CO2濃度等操作因素對(duì)脫碳率及再沸器熱負(fù)荷的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

1.1實(shí)驗(yàn)試劑與主要設(shè)備

DEA（二乙醇胺，工業(yè)純）；MDEA（N—甲基二乙醇胺，工業(yè)純）；AEP（氨基乙基哌嗪，工業(yè)純）；蒸餾水；煙氣分析儀；空氣壓縮機(jī)；磁力傳動(dòng)離心泵；吸收塔；解吸塔。

其中DEA—MDEA—AEP復(fù)合吸收劑采用0.7∶0.15∶0.15的摩爾配比；吸收塔和再生塔采用不銹鋼波紋規(guī)整填料CY—500。采用磁力驅(qū)動(dòng)泵將貧液送入吸收塔，將富液送入再生塔。再生塔用過熱飽和水蒸氣間接再生。其中吸收塔塔徑100mm，塔高約為4800mm，填料層分兩段，每段高約為1200mm；再生塔塔徑80mm，塔高4000mm，填料層分兩段，每段高約為1000mm。

1.2實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示。吸收液在吸收塔中吸收CO2，經(jīng)過貧富液換熱器被再生液預(yù)熱后進(jìn)入再生塔，在再生塔中進(jìn)行解析，釋放CO2后，從再生塔底部流出，進(jìn)貧富液換熱器和冷凝器后再重新進(jìn)入吸收塔進(jìn)行吸收實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，在吸收—再生達(dá)到穩(wěn)定的循環(huán)狀態(tài)后（30min后），進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。一個(gè)測(cè)試周期為10h。

圖1 10m3/hCO2捕集連續(xù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1反應(yīng)溫度對(duì)捕集CO2過程的影響

2.1.1 吸收溫度對(duì)脫碳率的影響

吸收液與CO2發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此改變吸收液溫度會(huì)對(duì)CO2吸收反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。本文進(jìn)行DEA—MDEA—AEP吸收液對(duì)CO2的脫除實(shí)驗(yàn)，考察吸收液的溫度變化對(duì)CO2脫除效果的影響。實(shí)驗(yàn)條件：采用3mol/L的混合吸收液（摩爾配比為0.7∶0.15∶0.15），流量為0.1m3/h；常溫進(jìn)氣，流速10m3/h，CO2濃度15%。

由DEA—MDEA—AEP復(fù)合吸收劑溫度對(duì)脫碳率的影響曲線可以看出，脫碳率隨著溫度的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。雖然高溫時(shí)因物理溶解度的關(guān)系CO2不易進(jìn)入液相中，使得吸收速率降低；但溫度升高吸收液黏度降低，分子擴(kuò)散增強(qiáng)，液相傳質(zhì)阻力降低，使得吸收速率增大。再根據(jù)阿倫尼烏斯經(jīng)驗(yàn)公式k=可知，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大，因而反應(yīng)速率增高，導(dǎo)致脫除率升高。當(dāng)溫度升高到40℃后，再升高溫度對(duì)脫碳率的影響不大。

2.1.2 吸收溫度對(duì)再沸器熱負(fù)荷的影響

隨著吸收溫度的增大，兩種溶液再沸器熱負(fù)荷也明顯隨著增大。這是因?yàn)槲章试礁?，再生時(shí)需要的再生熱越多，當(dāng)吸收溫度為40℃左右時(shí)，再沸器熱負(fù)荷趨于一穩(wěn)定值。

在實(shí)際工業(yè)吸收操作中，由于貧富液之間有一個(gè)熱量交換的過程，所以選擇適當(dāng)高的吸收溫度既可提高吸收速率，又可減少熱量交換過程中的能量損失。但過高的溫度會(huì)造成溶劑的揮發(fā)損失和設(shè)備的腐蝕及熱負(fù)荷的增大，所以選擇吸收溫度時(shí)需要均衡各影響因素。

2.2吸收劑濃度對(duì)捕集CO2過程的影響

實(shí)驗(yàn)條件：吸收劑反應(yīng)溫度為40℃，流量為0.1m3/h，CO2流量為10m3/h，反應(yīng)后的富液進(jìn)入常壓解吸塔進(jìn)行再生，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，連續(xù)運(yùn)行10h，測(cè)定不同濃度下吸收液的平均脫除率。

2.2.1 吸收液濃度對(duì)脫碳率的影響

由復(fù)合吸收劑濃度對(duì)脫碳率的影響曲線可看出，DEA—MDEA—AEP三元復(fù)合吸收劑的脫除效率隨著吸收劑濃度的增加而增加。當(dāng)溶液濃度大于3mol/L時(shí)，脫碳率的趨于平穩(wěn)，達(dá)到90%左右。但隨著復(fù)合吸收劑濃度的增加，液相黏度升高，液相傳質(zhì)阻力增大，導(dǎo)致對(duì)二氧化碳的吸收產(chǎn)生不利影響。

2.2.2 吸收液濃度對(duì)再沸器熱負(fù)荷的影響

再沸器熱負(fù)荷隨著溶液濃度的增大而增加。因?yàn)樵谶M(jìn)氣量和進(jìn)液量相同的情況下，溶液濃度增大，吸收CO2的量增多，解吸需要的熱隨之增加，導(dǎo)致再沸器熱負(fù)荷增加。

綜合考慮脫碳率與再沸器負(fù)荷，復(fù)合吸收劑濃度選用濃度為3mol/L。

2.3液氣比（L/G）對(duì)捕集CO2過程的影響

2.3.1 液氣比對(duì)脫碳率的影響

L/G是指吸收劑單位耗用量，大小直接影響到兩相吸收反應(yīng)效果。在操作過程中，增大L/G可以增大操作線與平衡線之間的距離，即可增大吸收過程的推動(dòng)力。使得吸收反應(yīng)容易進(jìn)行，脫碳率高。反之，將減小吸收過程中的推動(dòng)力，使吸收反應(yīng)難進(jìn)行，脫碳效果較差。

本實(shí)驗(yàn)CO2流量為10m3/h，通過調(diào)節(jié)液體流量來改變L/G，利用高精度煙氣分析儀記錄二氧化碳濃度變化。

由L/G對(duì)脫碳率的影響曲線可看出，在其他運(yùn)行參數(shù)都不變的情況下，隨著L/G的增大脫碳率也在增大。當(dāng)L/G在10L/m3以下時(shí)，脫碳率增加速度較快；當(dāng)L/G大于10L/m3后增加速度較慢，脫碳率曲線變得比較平緩。原因是L/G與氣液兩相的接觸面積有關(guān)。隨著L/G的加大，吸收液的量在增加，使得吸收塔內(nèi)的噴淋密度增大，液膜的表面波動(dòng)增強(qiáng)，從而增加了氣液兩相的接觸面積，增強(qiáng)了塔內(nèi)的傳質(zhì)推動(dòng)力，因此CO2的脫除率也隨著增加。當(dāng)L/G增加到一定程度時(shí)，液滴的凝聚性增強(qiáng)，氣液兩相的有效接觸面積不再發(fā)生變化，脫碳率也趨于穩(wěn)定。

2.3.2 液氣比對(duì)再沸器熱負(fù)荷的影響

再沸器的熱負(fù)荷隨著液氣比的增加而增大。在實(shí)際煙氣脫碳系統(tǒng)中L/G的選擇要綜合考慮脫碳率、安全性和經(jīng)濟(jì)性等因素。增加L/G雖增大塔內(nèi)的傳質(zhì)推動(dòng)力，但也會(huì)使再沸器熱負(fù)荷增加，此外出塔煙氣所含水量也會(huì)因液氣比的增加而增加。經(jīng)綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)適宜的L/G在10L/m3左右。

3 結(jié)論

（1）DEA—MDEA—AEP三元復(fù)合吸收劑最佳工藝參數(shù)為：吸收溫度為40℃，氣液比為10L/m3，濃度為3mol/L。

（2）研究表明，相同實(shí)驗(yàn)條件下，吸收劑脫碳率隨吸收劑濃度、氣液比增加而增大，隨吸收溫度增加先增加后下降；再沸器的熱負(fù)荷則隨著吸收溫度，液氣比以及溶液濃度的增加而增加。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.2.005