竇錦玲(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,北京100095)

何志強(國家核電技術(shù)公司,北京100095)

化學(xué)法吸收煙氣中CO2的實驗研究

竇錦玲(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,北京100095)

何志強(國家核電技術(shù)公司,北京100095)

隨著工業(yè)化進程不斷推進，傳統(tǒng)化石能源消耗也隨之加劇。在化石能源使用過程中會產(chǎn)生大量CO2，導(dǎo)致溫室效應(yīng)愈演愈烈?；鹆Πl(fā)電廠作為CO2的主要排放源之一，應(yīng)該被重點治理。本文以模擬電廠排放的燃煤煙氣為研究對象，利用鼓泡式反應(yīng)器、無水哌嗪（PZ）、二乙烯三胺（DETA）與三乙醇胺（TEA）作為吸收劑吸收模擬煙氣中的CO2。

化學(xué)法；CO2；吸收；有機活化劑

在工業(yè)化進程不斷推進的大背景下，化石能源被不斷開采利用。作為典型化石能源的煤炭，在燃燒時會產(chǎn)生大量的CO2，大量的CO2會引發(fā)嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，危害全球生態(tài)環(huán)境。因此，針對火力發(fā)電廠排放煙氣中的CO2研發(fā)分離、回收的相關(guān)技術(shù)具有重大意義[1-2]。

燃煤煙氣中的CO2具有流量大、分壓低、含有雜質(zhì)氣體等特點，從排放的煙氣中高效、高選擇性地吸收CO2存在一定的技術(shù)難度。化學(xué)吸收法是一種十分有效的捕集CO2的方法，即利用能與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)吸收劑結(jié)合匹配的實驗裝置用來選擇性地去除煙氣中的CO2。傳統(tǒng)的吸收劑雖能一定程度較為快速地去除CO2，然而存在吸收劑消耗量過大、循環(huán)性能差、循環(huán)過程中損失大等問題，以上問題可以通過研發(fā)新型吸收劑與配套的實驗裝置解決[3-4]。作為目前公認(rèn)的吸收CO2最高效的吸收劑，有機胺溶液可用來取代傳統(tǒng)的化學(xué)吸收劑并在具體工藝工程中加以應(yīng)用。與傳統(tǒng)化學(xué)吸收劑相比，有機胺類溶液對CO2的吸收量大，再生難度低，有望成為低成本、高性能的脫除CO2技術(shù)。本文考察了MEA、PZ、DETA與PG四種有機胺溶液對CO2的吸收與解吸性能，為選擇高效吸收CO2的吸收劑提供充足的實驗依據(jù)[5-6]。

1 實驗方法

模擬電廠排放煙氣配置好后貯存于氣源鋼瓶中，其具體組分為體積分?jǐn)?shù)為85%的氮氣與體積分?jǐn)?shù)為15%的二氧化碳。模擬煙氣首先通過轉(zhuǎn)子流量計，然后被持續(xù)通入到置于恒溫水浴中的裝有吸收劑的反應(yīng)管，在此過程中，煙氣中的絕大部分二氧化碳都會被吸收液吸收，余量氣體經(jīng)過干燥后利用氣相色譜法檢測其二氧化碳濃度。二氧化碳的初始濃度定為C0，經(jīng)過吸收液后氣體通過氣相色譜測定的二氧化碳含量記為C1。開始通入的氣體體積流量為qv,0，氣相色譜出口的氣體流量為qv,i，二氧化碳的吸收速率為ui，則滿足：

在解吸實驗方面，即對吸收了飽和二氧化碳的富液進行解吸，首先將飽和液轉(zhuǎn)移至三口燒瓶中，瓶口上端處需連接冷凝管以防當(dāng)溫度過高時有機胺溶液會揮發(fā)；然后設(shè)定好解吸溫度，用皂膜流量計排空干燥后的二氧化碳?xì)怏w直至流量計已無法檢測到氣體的排出。

2 結(jié)果與討論

實驗首先考察了MEA、PZ、DETA與PG作為單一吸收劑對二氧化碳的吸收，其中所有吸收液的濃度均為2 mol/L,4種溶液對二氧化碳的吸收速率曲線如圖1所示。

圖1 不同吸收劑對CO2的吸收速率曲線

通過圖1可發(fā)現(xiàn)，四種吸收劑對二氧化碳的吸收速率均隨著反應(yīng)時間的增加而逐漸下降。在吸收劑與二氧化碳接觸的初始階段，因為CO2的濃度遠低于吸收劑的濃度，因此四種吸收劑對CO2的吸收均為完全吸收，隨著吸收過程的進行，胺液不斷被消耗，吸收速率逐漸降低，最終完全吸收飽和。從圖1中還可發(fā)現(xiàn)，四種反應(yīng)液的吸收速率DETA最快，PZ次之，因為這兩種有機胺均含有兩個N原子，因此在水解過程中會釋放更多的氫氧根，導(dǎo)致堿性更強，因此對二氧化碳的吸收速率更快。

利用吸收速率曲線對時間進行積分得到的二氧化碳吸收量曲線如圖2所示

圖2 不同吸收劑對CO2的吸收量曲線

由圖2可知，在吸收初期四種有機胺溶液對二氧化碳的吸收均為完全吸收，且吸收速率也完全相等，因此在此階段，二氧化碳的吸收量曲線呈一條上升的曲線；隨著吸收過程進行，吸收液中有機胺含量逐漸降低，對二氧化碳的吸收速率均逐漸降低，表現(xiàn)為吸收量曲線的上升幅度減小，直至完全吸收。最終的最大吸收量大小關(guān)系為DETA＞PZ＞MEA＞PG，與圖1中的吸收速率變化過程吻合。

四種吸收劑對二氧化碳吸收飽和富液進行解吸，解析率隨溫度的變化如圖3所示，由圖3可知，四種有機胺的解吸率均隨溫度的升高而增大，這是因為DETA、PZ、MEA與PG吸收二氧化碳的過程是可逆反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時，反應(yīng)會逆向進行，即有利于解吸的過程，因此溫度越高，解吸率越大。此外，由圖中可發(fā)現(xiàn)PG的再生效果最好，而MEA與DETA的再生效果都不理想，這是因為MEA與DETA均由伯胺基與仲胺基組成，按兩性離子反應(yīng)，會與二氧化碳形成化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定的氨基甲酸鹽化合物，相對難以發(fā)生逆反應(yīng)釋放出二氧化碳，因此再生效果差。PZ的分子結(jié)構(gòu)為環(huán)狀，會發(fā)生空間位阻效應(yīng)使再生相對容易；PG與二氧化碳會形成帶有親核性相對較低羧基的氨基甲酸鹽，與MEA或DETA相比，并不會發(fā)生羥基攻擊羰基形成環(huán)狀氨基甲酸酯的反應(yīng)，因此PG的再生性能優(yōu)于MEA與DETA。

圖3 四種吸收劑解析率隨溫度變化曲線

3 結(jié)語

四種有機胺對二氧化碳的吸收速率均會隨著反應(yīng)時間的增加而逐漸降低，吸收量隨時間增加而增大，富液再生率與解吸的溫度均呈正相關(guān)。另外，四種有機胺吸收劑對二氧化碳的吸收能力大小關(guān)系為DETA＞PZ＞MEA＞PG，解析能力PG＞PZ＞MEA。有機胺對二氧化碳的吸收過程本質(zhì)為酸堿中和反應(yīng)，即N原子（伯胺、仲胺）會與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成一種兩性離子，然后溶液中的胺分子、水分子或氫氧根離子會與兩性離子的中間產(chǎn)物發(fā)生去質(zhì)子化過程，進而形成氨基甲酸鹽?？偟膩碚f，有機胺溶液是一種高效、再生率較好的二氧化碳吸收劑。

[1]任增泉，李玉星.燃煤電廠煙氣CO2捕集化學(xué)吸收劑研究[J].化工管理，2015，10(7)：98-101.

[2]呂太，劉力萌.燃煤電廠CO2捕集中煙氣預(yù)處理系統(tǒng)的優(yōu)化模擬[J].化工進展，2015，34(2)：571-575.

[3]Caplow.M..Kinetics of Carbamate Formation and break?down[J].Chem.Soc.,1986,19(8):6795-6803.

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[6]李雪松，張密林.TEA-DETA混合胺水溶液吸收CO2的研究[J].應(yīng)用科技，2010，10(6)：98-105

竇錦玲（1988-），女，漢族，山東省濰坊市，助理工程師，從事電廠設(shè)計工作。