錢魏鋒， 趙兵濤,3， 劉 謙， 李 萱， 李會(huì)梅

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3.低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

如何實(shí)現(xiàn)燃燒源CO2排放控制是一類重要的能源問題。基于堿類(如NaOH和K2CO3)、氨水(NH3·H2O)和醇胺類(如單乙醇胺MEA和甲基二乙醇胺MDEA)等化學(xué)吸收法[1]的CO2減排技術(shù)已較為成熟，其中用到的較常規(guī)的脫碳反應(yīng)器有填料塔和篩板塔。但是，隨著工藝和運(yùn)行復(fù)雜度的增加，發(fā)展簡易條件下高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性煙氣脫碳成為一個(gè)重要的研究方向。噴淋式氣液接觸脫碳因其較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性具有很好的應(yīng)用潛力[2]。

噴淋式的CO2捕獲過程伴隨著化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)過程，對(duì)該過程進(jìn)行精準(zhǔn)?；切阅鼙碚鞯闹匾芯績?nèi)容。常用的傳質(zhì)模型[3]雙膜論、Higbie滲透論、Danckwerts表面更新論和湍流傳質(zhì)論等一般對(duì)全面?；瘒娏苁矫撎嫉膫髻|(zhì)過程均有一定限制。如根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出化學(xué)吸收速率，可以反求傳質(zhì)比表面積a和液側(cè)物理傳質(zhì)系數(shù)kl0，但未對(duì)氣液分傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[4-5]。盡管可以通過量綱分析和多元擬合得到a、kl0和kl0a的經(jīng)驗(yàn)公式，但需考慮CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)傳質(zhì)的影響[5]。Zhao等[6]進(jìn)一步采用數(shù)值模擬方法分析氨法脫碳運(yùn)行參數(shù)對(duì)CO2脫除效率的影響，但不能精確描述氣液兩相總傳質(zhì)系數(shù)與分傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系?？傊F(xiàn)有的研究主要局限于相關(guān)參數(shù)變化對(duì)總的體積傳質(zhì)系數(shù)或吸收效率的影響[7-9]，不能有效反映其對(duì)氣液分傳質(zhì)系數(shù)的影響，這對(duì)傳質(zhì)機(jī)理的研究是不夠的[10]。

為解決上述問題，筆者根據(jù)典型的工業(yè)用脫碳吸收劑建立了噴淋式氣液逆向接觸吸收CO2的氣液分傳質(zhì)模型和總傳質(zhì)模型，對(duì)比分析了影響傳質(zhì)的因素。在常規(guī)物理傳質(zhì)和化學(xué)吸收增強(qiáng)因子的基礎(chǔ)上，考慮流動(dòng)過程對(duì)液相分傳質(zhì)系數(shù)的影響，并探究其與氣液流動(dòng)相關(guān)參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使傳質(zhì)模型能夠較好地預(yù)測(cè)噴淋式脫碳設(shè)備的性能。

1 噴淋式煙氣脫碳的實(shí)驗(yàn)裝置

一般的噴淋式煙氣脫碳實(shí)驗(yàn)裝置[7-9]如圖1所示，吸收劑通過上部噴嘴霧化成液滴顆粒，氣體由塔底部經(jīng)氣體分布器沿軸向均勻向上與霧化液滴逆向接觸，并從塔頂部流出。吸收后的液體從塔底部流入儲(chǔ)液容器。

圖1 噴淋式煙氣脫碳的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 反應(yīng)機(jī)理

以NaOH、氨水和MEA為吸收劑，其總化學(xué)反應(yīng)式及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)如表1所示。3種吸收劑與CO2的反應(yīng)均可看成擬一級(jí)化學(xué)反應(yīng)[4,11-12]。

表1 化學(xué)反應(yīng)過程及動(dòng)力學(xué)

3 ?；c模擬方法

根據(jù)雙膜理論，氣液兩相間傳質(zhì)速率N取決于分子在氣膜和液膜間的擴(kuò)散速率。以CO2氣液界面壓差為推動(dòng)力的傳質(zhì)速率方程為：

N·a=Kgap(x-x*)

(1)

式中：N為傳質(zhì)速率，kmol/(m2·s)；Kg為氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa)；p為操作壓力，kPa；x為氣相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)，%；x*為液相主體中CO2的平衡摩爾分?jǐn)?shù)，%;a為傳質(zhì)比表面積,m2/m3。

當(dāng)CO2摩爾分?jǐn)?shù)較大時(shí)，吸收前后混合氣體流量變化不可忽略，筆者以惰性氣體摩爾流量為基準(zhǔn)，取噴淋塔微元高度dZ，微元吸收前后CO2摩爾流量變化dGCO2為：

(2)

式中：G′為單位截面積氣相惰性組分的摩爾流量，kmol/(m2·s)。

忽略操作壓力沿塔高的變化，根據(jù)式(1)和式(2)建立平衡方程：

(3)

為簡化模型，筆者未考慮貧液負(fù)荷的影響。由于CO2與吸收劑的反應(yīng)為不可逆反應(yīng)，所以x*=0[3]，對(duì)式(3)進(jìn)行積分，整理得氣相總傳質(zhì)系數(shù)Kga為：

(4)

式中：Z為噴淋式塔體高度，m；xi、xo分別為進(jìn)口和出口氣相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)，%。

在雙膜理論中，考慮伴有化學(xué)反應(yīng)的氣相總傳質(zhì)系數(shù)與氣液分傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系為：

(5)

式中：kg為氣相分傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa)；kl為化學(xué)吸收液相分傳質(zhì)系數(shù)，m/s；H為CO2在溶液中的溶解度系數(shù)，kmol/(m3·kPa)。

CO2在NaOH、氨水和MEA溶液中的溶解度分別按照文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]計(jì)算。

噴淋式氣液傳質(zhì)中kg根據(jù)舍伍德數(shù)Sh[12,19]進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式(6)中的Sh可采用半經(jīng)驗(yàn)公式(7)[20]計(jì)算：

Sh=2+0.6Re1/2Sc1/3

(7)

其中，

Sc=μg/(ρgDg)，Re=ρgdpvr/μg。

式中：Rc為理想氣體常數(shù)，kPa·m3/(kmol·K)；dp為噴淋液滴粒徑，m；Dg為CO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；μg為氣體的動(dòng)力黏度，Pa·s；ρg為氣體密度，kg/m3；vr為氣液相對(duì)速度，m/s。在相應(yīng)溫度下不同吸收劑及CO2混合氣體對(duì)應(yīng)的密度和黏度等根據(jù)文獻(xiàn)[21]計(jì)算。

(8)

代入式(5)得：

(9)

通常液相噴淋采用霧化壓力噴嘴，可使噴淋液滴粒徑與下落速度基本保持不變。為了方便理論模型的構(gòu)建，所使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)除文獻(xiàn)[7]外，文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]取噴淋液滴粒徑的平均值為計(jì)算值。同時(shí)假設(shè)液滴在塔內(nèi)分布均勻且不考慮變形、凝并與破碎，則傳質(zhì)比表面積可表示為單位時(shí)間噴淋液滴的總表面積與其掃掠過的體積之比[26]：

(10)

式中：qV為吸收劑體積流量，m3/s；vp為液滴初始噴淋速度，m/s；R為噴淋式塔體半徑，m。

4 結(jié)果與討論

4.1 氣液進(jìn)口參數(shù)對(duì)氣液分傳質(zhì)系數(shù)的影響

(a)吸收劑體積流量

氣相和液相分傳質(zhì)系數(shù)kga范圍在0.01～0.12 kmol/(m3·s·kPa)，kla范圍在0.01～1.05 s-1，兩者相差不大。CO2在吸收液中的溶解度系數(shù)H很小，氣側(cè)傳質(zhì)阻力1/(kga)較液側(cè)傳質(zhì)阻力1/(Hkla)可忽略，這也與文獻(xiàn)[25]和文獻(xiàn)[27]的結(jié)果一致。

4.2 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托阅鼙容^

圖3為氣相總傳質(zhì)系數(shù)Kga的變化圖，其中實(shí)驗(yàn)值是根據(jù)式(4)計(jì)算得到，雙膜理論值是根據(jù)式(5)計(jì)算得到，本文半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蹈鶕?jù)式(9)計(jì)算得到。由圖3可知，氣液含量對(duì)Kga均有明顯的影響，半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭翟跀?shù)值和變化趨勢(shì)上均能有效表征氣液進(jìn)口參數(shù)的影響。實(shí)際情況下，氣液進(jìn)口體積流量的增大對(duì)氣液湍動(dòng)具有增強(qiáng)作用，液膜和氣膜的厚度可能削減，導(dǎo)致CO2的擴(kuò)散距離減小[17]。同時(shí)，氣液界面處的剪切應(yīng)力增加，促使液滴破碎和變形，加劇了液滴內(nèi)部循環(huán)，傳質(zhì)速率加快。但是，CO2在液膜中擴(kuò)散需要時(shí)間，氣體體積流量大，氣液接觸時(shí)間短，一部分CO2分子還未來得及傳質(zhì)到相界面進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致CO2脫除效率降低[4]，綜合作用下使得Kga趨于穩(wěn)定，甚至減小。

(a)吸收劑體積流量

此外，吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不宜過大，當(dāng)吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，繼續(xù)增大吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)造成黏度增加，傳質(zhì)過程變慢以及經(jīng)濟(jì)性下降。例如對(duì)氨水來說，質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大氨損失也會(huì)增加[17]。隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增大，Kga呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)榇藭r(shí)氣相CO2分壓升高，氣液傳質(zhì)推動(dòng)力增大，但傳質(zhì)速率的增幅小于CO2本身體積分?jǐn)?shù)的增幅，使單位驅(qū)動(dòng)力引起的Kga略有減小[17]。

4.3 液相修正系數(shù)B的無因次關(guān)聯(lián)

采用冪律函數(shù)模型，基于多元回歸最終得到B的關(guān)聯(lián)式為：

(11)

由式(11)可知，液相體積流量對(duì)修正系數(shù)的影響受制于Rel、L/Q、We和Oh，而氣相體積流量對(duì)修正系數(shù)的影響受制于Reg和L/Q。為驗(yàn)證B值的合理性，將基于回歸方程的修正系數(shù)與基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，得到擬合優(yōu)度R2為0.948，均方根誤差為0.074 5,兩者具有很好的相關(guān)性。因此，所建立的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蚝侠矸从硣娏苁剿?nèi)氣液流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)的影響，可為其性能預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供理論參考。

圖4 液相修正系數(shù)的對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)CO2在吸收劑溶液中的溶解度很小，氣側(cè)傳質(zhì)阻力1/(kga)比液側(cè)傳質(zhì)阻力1/(Hkla)小，CO2的吸收屬于液膜控制。

(2)流動(dòng)對(duì)氣相總傳質(zhì)系數(shù)的影響明顯，所提出的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭翟跀?shù)值和變化趨勢(shì)上均能有效表征氣液進(jìn)口參數(shù)的影響。

(3)建立了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭幸合嘈拚禂?shù)與無因次數(shù)液相射流雷諾數(shù)Rel、氣相雷諾數(shù)Reg、液氣體積流量比L/Q、液氣濃度比cr、韋伯?dāng)?shù)We和奧內(nèi)佐格數(shù)Oh的冪律函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度R2為0.948。

(4)所建立的傳質(zhì)模型能夠很好地反映噴淋式塔內(nèi)氣液流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)的影響，可為噴淋式煙氣脫碳設(shè)備的性能預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供理論參考。進(jìn)一步的工作包括傳質(zhì)比表面積精確量化，充分考慮液滴下落過程中的凝并、破碎及壁流，深入研究噴淋式塔內(nèi)不同溫度下氣液速度場和濃度場的變化以及有貧液負(fù)荷時(shí)對(duì)傳質(zhì)過程的影響。