李芳芹, 張繼發(fā), 劉 歡, 劉繼勇, 郝志武, 姬海剛

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

?

膜法脫除模擬煙氣中CO2的實驗研究

李芳芹, 張繼發(fā), 劉 歡, 劉繼勇, 郝志武, 姬海剛

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

以一乙醇胺(MEA)和三乙醇胺(TEA)為吸收液,主要考察了氣體流量、吸收液流量、MEA/TEA混合比,以及吸收液濃度對膜吸收法脫除CO2的脫除率的影響.實驗結(jié)果表明,脫除率隨模擬煙氣流量的增加而減小,隨吸收液流量的增加而增大;MEA的CO2脫除率比TEA的CO2脫除率高;兩種溶液混合后,二者沒有相互影響,混合吸收液的CO2脫除率介于二者之間.

膜吸收法; CO2脫除率; 一乙醇胺; 三乙醇胺

長期以來,隨著工業(yè)文明的發(fā)展和人類對能源需求的增加,大量的CO2被排入大氣,由此產(chǎn)生了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)和氣候變化,在很大程度上影響了地球的生態(tài)環(huán)境,威脅人類的生存.據(jù)統(tǒng)計,2011年全球CO2排放量達(dá)到了3.13×1010t,其中有44%來自于煤炭的燃燒.[1]

電廠是CO2的一個集中排放源,其CO2排放量約占人類活動引起的CO2總排放量的30%.一個600 MW 的電廠每小時排放的CO2量可達(dá)500 t.[2]作為煤炭消耗大戶,燃煤電廠煙氣脫碳對于CO2減排具有重要意義.目前,燃燒后CO2捕集技術(shù)主要有化學(xué)吸收法、物理吸收法、吸附法等.[3]由于膜吸收法分離CO2技術(shù)具有較大的接觸面積、良好的模塊性、更好的操作柔性等優(yōu)點,并且膜吸收法中不會出現(xiàn)溢流、鼓泡、溝流和夾帶等問題,因此該技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景.[4-7]

1 膜吸收法原理

膜吸收法中的氣體和吸收液不直接接觸,兩者分別在膜兩側(cè)流動,微孔本身沒有選擇性,只起到隔離氣體與吸收液的作用.微孔膜上的微孔要足夠大,理論上可以允許膜一側(cè)被分離的氣體的分子不需要很高的壓力就可以穿過微孔膜到達(dá)另一側(cè),該過程主要依靠膜另一側(cè)吸收液的選擇性吸收達(dá)到分離混合氣體中某一組分的目的.[8-9]其吸收CO2的原理如圖1所示.

圖1 膜吸收法原理

圖1中,含有CO2的模擬煙氣在膜左側(cè)流動,吸收液在膜右側(cè)流動,與模擬煙氣形成逆流;模擬煙氣中的CO2分子在一定的分壓力壓差作用下穿過膜上的微孔到達(dá)膜的另一側(cè),與吸收液接觸反應(yīng),這樣就使得模擬煙氣中的CO2不斷被吸收而減少.

在膜吸收法的研究和應(yīng)用中,使用最多的是中空纖維膜接觸器.在膜接觸器中吸收液與煙氣逆向流動,煙氣中的CO2通過中空纖維膜的微孔與吸收液接觸而被吸收,達(dá)到脫除CO2的目的.

2 實驗系統(tǒng)與方法

2.1 實驗系統(tǒng)

本實驗在自行搭建的膜法脫碳試驗臺上進(jìn)行,以氣液膜接觸器為主體的膜吸收法吸收模擬煙氣中的CO2氣體,模擬煙氣按照氧氣3%、氮氣83.3%、二氧化碳13.7%的體積分?jǐn)?shù)混合而成.實驗系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 實驗系統(tǒng)示意

膜接觸器是完成吸收液脫除CO2的反應(yīng)容器,膜接觸器中分管程和殼程,試驗中模擬煙氣通過殼程自下而上流經(jīng)膜接觸器,吸收液通過管程自上而下流經(jīng)膜接觸器.

CO2的含量由紅外線CO2檢測儀測定,其檢測原理是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇吸收的原理及郎伯-比爾定律,[10]能夠連續(xù)測量氣體中的CO2氣體濃度值.

2.2 實驗方法

模擬煙氣在氣體混合罐中混合均勻后分為兩路:一路經(jīng)膜接觸器反應(yīng)后到達(dá)CO2檢測儀;另一路經(jīng)旁通管道直接進(jìn)入煙氣分析儀.實驗時,先關(guān)閉接觸器通路的閥門,打開旁通通路的閥門,用CO2檢測儀測定模擬煙氣中初始CO2濃度ci;然后關(guān)閉旁通通路的閥門,打開接觸器通路閥門,并供給吸收液,取CO2檢測儀示數(shù)穩(wěn)定后的讀數(shù)作為脫碳后的CO2濃度co.

假設(shè)模擬煙氣在入口和出口的流量不變,CO2脫除效率的計算式為:[11]

(1)

式中:ηCO2——CO2脫除率;Qi,Qo——模擬煙氣進(jìn)出膜接觸器的流量;ci,co——進(jìn)出膜接觸器的模擬煙氣中CO2的濃度.

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 氣體流量對單一吸收液吸收性能的影響

分別采用一乙醇胺(MEA)和三乙醇胺(TEA)為吸收劑配置溶液,[12]以模擬煙氣流量為控制對象測定其吸收性能.實驗在室溫環(huán)境下進(jìn)行,確定吸收液流量,依次改變模擬煙氣流量的試驗工況,見表1,實驗結(jié)果見圖3.實驗工況的參數(shù)主要是依據(jù)實驗臺的實際情況和前期實驗的效果確定,參考文獻(xiàn)[13]的研究,吸收液濃度在1 mol/L時,可以達(dá)到較高的脫碳效率,再增加吸收液濃度,脫碳效率增加效果并不顯著,因此吸收液濃度確定為1 mol/L;模擬煙氣中CO2含量的取值參考實際電廠煙氣中CO2的含量值確定.

表1 改變模擬煙氣流量試驗工況

圖3 CO2脫除率隨模擬煙氣流量變化

由圖3可以看出,在相同模擬煙氣流量的情況下,MEA的CO2脫除率明顯高于TEA的脫除率,并且差距在模擬煙氣流量為6 L/min時達(dá)到最大;隨著模擬煙氣流量的增加,MEA和TEA的CO2脫除率均有不同程度的下降,其中TEA的降幅更大;當(dāng)煙氣流量從2 L/min增加至12 L/min時,MEA的CO2脫除率從87.3%降至66.4%,而TEA的CO2脫除率從71.3%降至20.4%.

3.2 吸收液流量對單一吸收液吸收性能的影響

分別采用MEA和TEA為吸收劑配置溶液,以吸收液流量為控制對象測定其吸收性能.實驗在室溫環(huán)境下進(jìn)行,確定模擬煙氣流量,依次改變吸收液流量的實驗工況見表2,實驗結(jié)果見圖4.

表2 改變吸收液流量實驗工況

圖4 CO2脫除率隨吸收液流量變化

由圖4可以看出,在吸收液流量相同的情況下,MEA比TEA有著更高的CO2脫除率,但兩者脫除率的差距隨著吸收液流量的增加而減小;兩種吸收液的CO2脫除率都隨著吸收液流量的增大而增大,但增大趨勢逐漸減緩;當(dāng)吸收液流量從4 L/h增大到16 L/h時,MEA的CO2脫除率從83.5%增加到95.2%,而TEA的CO2脫除率從42.6%增加到82.6%.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是,隨著吸收液流量的增大,提高了膜絲內(nèi)液體分布的均勻性,保證了氣液兩相界面有較高而又穩(wěn)定的吸收劑濃度,進(jìn)而提高了CO2的擴(kuò)散和吸收速度,因此兩種吸收液的CO2脫除率均有提高;當(dāng)CO2脫除率到達(dá)較高的值后,由于模擬煙氣中CO2含量和分壓的降低,使得再增加脫除率越來越困難,故CO2脫除率增長的趨勢逐漸減緩;由于MEA的初始CO2脫除率較高,增加吸收液流量使得其脫除率增量有限,然而TEA的初始脫除率相對較低,在一定范圍內(nèi),增加吸收液流量使得其脫除率有較大幅度的提高,由此使兩種吸收劑的CO2脫除率的差距也相應(yīng)縮小.

3.3 混合吸收液的吸收性能

將MEA和TEA按照不同比例配制成混合吸收液,測定其在不同模擬煙氣流量和吸收液流量的情況下,吸收液的吸收性能,實驗在室溫下進(jìn)行,具體工況見表3和表4,實驗結(jié)果見圖5和圖6.

表3 混合吸收液改變模擬煙氣流量實驗工況

表4 混合吸收液改變吸收液流量實驗工況

圖5 混合吸收液CO2脫除率隨模擬煙氣流量變化

圖6 混合吸收液CO2脫除率隨吸收液流量變化

由圖5和圖6可以看出,混合吸收液的CO2脫除率介于MEA和TEA之間,并隨模擬煙氣流量的增加而降低,隨混合吸收液流量的增加而增大;由于兩種吸收液單獨使用時,MEA比TEA有更高的脫除率,吸收能力強(qiáng),所以隨著MEA相對含量的減少,混合吸收液的CO2吸收能力逐漸減弱,脫除率逐漸降低.

當(dāng)MEA與TEA的混合比例為1∶1時,混合吸收液的CO2脫除率約是兩種吸收液單獨脫除率的平均值,這說明MEA和TEA兩種吸收液之間幾乎沒有相互影響,并且就CO2脫除率而言,混合吸收液不如純MEA的效率高.

4 結(jié) 論

(1) 單一吸收液時,在相同工況下,MEA比TEA具有更高的CO2脫除率,其脫除率均隨模擬煙氣流量的增加而減小,隨吸收液流量的增加而增大;

(2) 與MEA相比,TEA的CO2脫除率隨模擬煙氣流量和吸收液流量波動更大,兩種吸收液的CO2脫除率隨模擬煙氣流量的增大而增加,隨吸收液流量的增加而減小;

(3) 混合吸收液的CO2脫除率隨模擬煙氣流量的增加而減小,隨吸收液流量的增加而增大;

(4) MEA和TEA的混合吸收液的CO2脫除率介于二者的脫除率之間,混合以后兩種吸收液相互不產(chǎn)生影響,混合吸收液中MEA的比例越高,其CO2脫除率越高.

[1] IEA.2013 key world energy STATISTICS [M].Paris:Soregraph,2013:18-22.

[2] 楊明芬.膜吸收法和化學(xué)吸收法脫除電廠煙氣中二氧化碳的試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

[3] 楊波,張國亮,賴春芳,等.新型膜技術(shù)及其在電廠煙氣CO2脫除中的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電,2012,41(8):107-110.

[4] 張衛(wèi)風(fēng),王秋華,方夢祥,等.基于膜吸收法的燃煤煙氣CO2吸收液性能試驗研究[J].電站系統(tǒng)工程,2009,29(6):8-10.

[5] 張衛(wèi)風(fēng),方夢祥,駱仲泱,等.中空纖維膜接觸器分離煙氣中CO2[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006,26(5):773-778.

[6] LI Jingliang,CHEN Binghung.Review of CO2absorption using chemical solvents in hollow fiber membrane contactors[J].Separation and Purification Technology,2005,41(2):109-122.

[7] 崔麗云,王宇,李云鵬,等.膜接觸器吸收二氧化碳過程中的膜潤濕研究[J].膜科學(xué)與技術(shù),2014,34(4):33-38.[8] 章名耀.潔凈煤發(fā)電技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:15-38.

[9] 汪東.膜吸收法回收煙氣中CO2的過程研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2014,32(2):61-64.

[10] 陳子聰,高致慧,曹志,等.基于中紅外LED的CO2氣體濃度檢測系統(tǒng)研究[J].激光與紅外,2012,42(11):1 255-1 258.

[11] 姜尚,孫承責(zé),賈靜璇,等.中空纖維致密膜基吸收法在CO2脫除中的應(yīng)用[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報,2013,27(2):304-308.

[12] ZHANG Zhien,YAN Yunfei,CHEN Yuanxin,etal.Investigation of CO2absorption in methyldiethanolamine and 2-(1-piperazinyl)-ethylamine using hollow fiber membrane contactors:Part C Effect of operating variables[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2014,20(1):58-66.

[13] 張衛(wèi)風(fēng).中空纖維膜接觸器分離燃煤煙氣中二氧化碳的試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

(編輯 胡小萍)

Experimental Study on CO2Removal in Simulated Flue Gas Using Membrane Absorption

LI Fangqin, ZHANG Jifa, LIU Huan, LIU Jiyong, HAO Zhiwu, JI Haigang

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Monoethanolamine(MEA) and triethanolamine(TEA) are chosen as the absorbents,the CO2removal efficiency is influenced by gas flow,absorbents flow,the ratio of MEA and TEA and the concentration of absorbent.The result shows that the removal efficiency decreases while the gas flow increases and it rises while the absorbents flow increases.Compared with TEA,MEA has a higher CO2removal efficiency.MEA and TEA may not react with each other when they are mixed;besides,the CO2removal efficiency of mixed absorbent is between the value of CO2removal efficiency when they are used respectively.

membrane absorption; CO2removal efficiency; monoethanolamine; triethanolamine

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.010

2015-03-23

簡介：李芳芹(1976-),女,博士,副教授,河南商丘人.主要研究方向為燃煤鍋爐污染物生成機(jī)理與控制方法,清潔煤燃燒技術(shù).E-mail:lifangqin@shiep.edu.cn.

上海市科學(xué)技術(shù)委員會部分地方院校能力建設(shè)項目(13160501000); 上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心項目(11dz2281700).

X701.2

A

1006-4729(2016)05-0459-04