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        化學(xué)法吸收煙氣中CO2的實驗研究

        2017-08-22 05:17:05竇錦玲國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司北京100095
        化工管理 2017年21期
        關(guān)鍵詞:煙氣實驗

        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.

        [4]Danckwerts.P.V.The reactions of CO2 with Ethanolamines [J].Chem.Eng.S ci.,1979,34(8):443-446.

        [5]Tomoe Y,ShimizuM,Kaneta H.Active dissolution and nat?ural passivation of carbon steel in coabon dioxide-loaded alkanol?amine solutions[J].Chem.Eng.Sci.,1996,67(8):112-131.

        [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。

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