孟凡志,韓思宇,林 莉,李婧琳,陳凱輪,蔣建國(guó) (清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

隨著全球環(huán)境和能源問題的日益嚴(yán)重,也為了滿足未來(lái)對(duì)可再生能源的需求,可再生能源的開發(fā)和利用引起了各國(guó)政府的高度重視.為了促進(jìn)能源創(chuàng)新,歐盟的可再生能源政策(EU)2018/2001 明確規(guī)定,到2030 年可再生能源必須占到能源總需求的32%[1-2].沼氣作為一種在垃圾填埋場(chǎng)和厭氧消化池中對(duì)有機(jī)物進(jìn)行生物降解而產(chǎn)生的可再生生物能源,具有清潔、高效、安全和可再生等特點(diǎn).沼氣主要由甲烷(45%～70%)、CO2(30%～55%)和其他微量物質(zhì)如硫化氫、水、氮?dú)?、氨氣及硅氧烷等組成,由于其熱值高(15～30MJ/Nm3),可以部分替代汽油、柴油或天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料,進(jìn)而解決全球能源危機(jī)的問題,已引起世界各國(guó)越來(lái)越多的關(guān)注[3-5].其中垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生沼氣的CO2含量在15%～50%之間,厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的CO2含量在30%～47%之間,嚴(yán)重降低了沼氣的適用性和熱值,限制了其進(jìn)一步利用的商業(yè)價(jià)值,有必要通過沼氣純化技術(shù)將沼氣純化為生物天然氣,增加甲烷的體積濃度并實(shí)現(xiàn)更高的低熱值(LHV)[6-7].

有機(jī)胺溶液吸收法作為一種成熟的CO2捕集方法,具有純化效率好(>97%的甲烷)、吸收能力強(qiáng)、甲烷損失小、可再生性高和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)[8].然而其較高的再生能耗,容易氧化和降解等問題始終困擾著研究人員[9].因此對(duì)于有機(jī)胺溶液吸收法,研究人員對(duì)其進(jìn)行了深入的研究,以探索其在能源利用中的潛力,不斷挖掘其在篩選與復(fù)配、工藝參數(shù)、能耗利用、循環(huán)再生等方面的潛力[10].

有機(jī)胺種類繁多,不同類型的有機(jī)胺所表現(xiàn)出的沼氣純化效果均存在差異.較高的CO2吸收量可以有效降低循環(huán)效率和顯熱損失,而快速的CO2吸收速率可以顯著提高沼氣的純化效率,降低成本[11-12].而較快的解吸速率可以大大降低再生能耗,提高碳捕獲效率.因此,篩選與復(fù)配出一種具有高CO2吸收能力、快速CO2吸收速率和快速解吸速率的有機(jī)胺是沼氣純化技術(shù)的關(guān)鍵因素之一[13].其次,工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)對(duì)于提高有機(jī)胺溶液吸收法的沼氣純化效率和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要.研究人員通過改變吸收溫度、壓力、氣液比和溶液濃度等參數(shù),優(yōu)化沼氣純化過程吸收劑的沼氣純化能力、沼氣中有害成分的去除效率以及能源消耗等因素,進(jìn)而影響整個(gè)沼氣純化過程的純化效果[14-15].有機(jī)胺的再生是有機(jī)胺溶液吸收法研究中的另一個(gè)重要因素.吸收劑在沼氣純化過程中會(huì)不斷發(fā)生飽和和降解,因此需要不斷進(jìn)行再生以保持其較高的純化性能.常見的再生方式包括加熱再解、蒸汽再生和變壓再生等方法,研究人員通過對(duì)其再生工藝的改進(jìn)和優(yōu)化,能夠顯著提高吸收劑的再生效率,降低資源和能源的消耗[16-17].

綜上所述,有機(jī)胺溶液吸收法在沼氣純化工藝中具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值.通過對(duì)吸收劑的篩選與復(fù)配、工藝參數(shù)、能耗利用、循環(huán)再生等方面的研究,有機(jī)胺溶液吸收法能夠?qū)崿F(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的沼氣純化過程,促進(jìn)可再生能源的有效利用.然而,該方法仍然存在一些挑戰(zhàn)和待解決的問題,需要進(jìn)一步的研究和探索.因此,對(duì)于有機(jī)胺溶液吸收法的研究進(jìn)展和潛力進(jìn)行深入的分析和探討具有重要意義.

1 有機(jī)胺溶液吸收CO2 的反應(yīng)機(jī)理

有機(jī)胺是氨分子中的一個(gè)或多個(gè)氫原子被烴基取代后的產(chǎn)物,而伯胺、仲胺及叔胺是一類常見的有機(jī)胺化合物,它們?cè)谂cCO2發(fā)生反應(yīng)時(shí)能夠形成胺的碳酸鹽化合物從而具有重要的應(yīng)用價(jià)值[18].其中,伯胺和仲胺具有良好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué),因?yàn)樗鼈冊(cè)谂cCO2反應(yīng)過程中能迅速生成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的氨基甲酸鹽,而叔胺具有良好的吸收動(dòng)力學(xué),因?yàn)樗鼈冊(cè)谂cCO2反應(yīng)過程中能與水1 比1 生成化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的氨基甲酸氫鹽、碳酸氫根及碳酸根[19-20].每種胺都有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),目前應(yīng)用最廣泛的是30wt.%的MEA(單乙醇胺)水溶液,它具有較高的CO2吸收率,吸收量大,成本低,但再生能耗太高,因此研究人員通過引入MDEA(N-甲基二乙醇胺)和其他再生能耗低的叔胺進(jìn)行改性,得到一種同時(shí)具有高吸收能力、高吸收率和低再生能耗的混合胺.伯胺、仲胺、叔胺、空間位阻胺與CO2的反應(yīng)機(jī)理如下所示.

1.1 伯胺/仲胺與CO2 的反應(yīng)機(jī)理

有機(jī)胺在脫碳過程中的反應(yīng)機(jī)理已經(jīng)得到了廣泛的研究.伯胺和仲胺與CO2的反應(yīng)機(jī)理被廣泛認(rèn)為是"兩性離子"機(jī)理,這表明胺與CO2的反應(yīng)首先產(chǎn)生由胺與CO2結(jié)合形成的兩性離子,然后與胺反應(yīng)形成質(zhì)子化的胺和氨基甲酸鹽離子.

式中:AmineH、AmineCOO-和AmineH2+分別表示游離胺、氨基甲酸酯和質(zhì)子化胺.

兩性反應(yīng)的機(jī)理表明,伯胺和仲胺溶液的理論CO2吸收量只有0.5mol CO2/mol 胺,但由于一些氨基甲酸鹽在更高的CO2吸收量下會(huì)發(fā)生水解反應(yīng),如公式(4)所示,會(huì)產(chǎn)生游離胺和碳酸氫鹽.因此,伯胺和仲胺的CO2吸收量有時(shí)會(huì)略高于0.5mol CO2/mol 胺.

1.2 叔胺與CO2 的反應(yīng)機(jī)理

雖然叔胺上的氮原子沒有與氫原子相連,在吸收CO2的過程中不會(huì)產(chǎn)生兩性離子,但叔胺可以作為一種基本的催化劑,進(jìn)一步促進(jìn)CO2的水解反應(yīng),從而使叔胺的理論CO2吸收量達(dá)到1mol CO2/mol胺,反應(yīng)方程式如下.

式中:AmineT和AmineTH+分別表示叔胺和質(zhì)子化的叔胺.

1.3 空間位阻胺與CO2 的反應(yīng)機(jī)理

空間位阻胺與CO2的初始反應(yīng)仍遵循"兩性離子"理論,但由于空間位阻胺作用的存在,使反應(yīng)產(chǎn)生的氨基甲酸酯相當(dāng)不穩(wěn)定,容易水解為碳酸氫鹽和游離胺,水解產(chǎn)生的游離胺可以繼續(xù)與CO2反應(yīng).因此,空間位阻胺的飽和CO2吸收量理論上也可以達(dá)到1mol CO2/mol 胺,反應(yīng)方程式如下.

2 有機(jī)胺溶液吸收法用于沼氣純化的反應(yīng)過程

有機(jī)胺溶液吸收法的工藝流程大致如圖1 所示[18],沼氣進(jìn)入塔頂設(shè)有用于均勻分配有機(jī)胺溶液的液體分配器的吸收塔,隨后有機(jī)胺溶液在沼氣純化的過程中捕集CO2等酸性氣體而變成富液,沼氣則通過化學(xué)吸收轉(zhuǎn)化為富CH4的生物天然氣[21].富液由富液泵加壓,經(jīng)貧富液換熱器加熱到一定的壓力和溫度后進(jìn)入解吸塔進(jìn)行自上而下的流動(dòng),而來(lái)自塔底再沸器的高溫水蒸氣自下而上與富液接觸,不斷提高富液的再生溫度,進(jìn)而解吸被富液吸收的CO2.解吸的高溫CO2部分夾帶在吸收劑中,通過塔頂?shù)睦淠骱蜌庖悍蛛x器以減少吸收劑的損失并將CO2回收[22-23].

圖1 有機(jī)胺溶液吸收法工藝流程Fig.1 Process flow of organic amine solution absorption method

再生過程中的有機(jī)胺溶液一部分由富液轉(zhuǎn)化為貧液后直接從塔底排出,經(jīng)貧富液換熱器降溫、貧液泵和冷凝器加壓后重新進(jìn)入吸收塔進(jìn)行吸收,另一部分由再沸器加熱,加熱過程中產(chǎn)生的水蒸氣繼續(xù)與解吸塔中的富液接觸,使富液處于受熱狀態(tài).此外,解吸塔中的水蒸氣在一定程度上降低了塔內(nèi)CO2的分壓,從而促進(jìn)了解吸過程的進(jìn)行.值得注意的是,在有機(jī)胺溶液捕集CO2的過程中主要調(diào)節(jié)的變量是溫度,通常控制反應(yīng)的吸收溫度在25～45℃左右,再生溫度在90～130℃左右.具體的操作條件要根據(jù)被處理沼氣的實(shí)際氣體流量、有機(jī)胺溶液的流量、沼氣的純度和反應(yīng)器的壓力來(lái)調(diào)整[24-25].

現(xiàn)階段沼氣純化技術(shù)主要包括物理吸收、化學(xué)吸收、膜分離、變壓吸附和低溫分離過程,其在沼氣純化過程中的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)如表1 所示[26-28].

表1 常用沼氣純化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)Table 1 Advantages and disadvantages of common biogas upgrading technologies

3 有機(jī)胺溶液用于沼氣純化過程的工程應(yīng)用

有機(jī)胺溶液吸收法作為一種有效的沼氣純化技術(shù),在工程應(yīng)用中已經(jīng)取得了廣泛成功,具體的數(shù)據(jù)和案例如下.

3.1 單乙醇胺溶液吸收法的應(yīng)用數(shù)據(jù)

MEA 溶液吸收法是最常用的有機(jī)胺溶液吸收法之一.研究表明,采用MEA 溶液進(jìn)行沼氣純化能夠顯著降低CO2含量,提高純化效率.例如,某研究團(tuán)隊(duì)在工程規(guī)模的沼氣純化項(xiàng)目中使用MEA 溶液吸收法,將CO2含量高達(dá)40%的沼氣純化至CO2含量低于2%.該項(xiàng)目每年處理約10 萬(wàn)t 沼氣,純化后的沼氣用于供暖和燃?xì)獍l(fā)電,年CO2的減排量超過30 萬(wàn)t.這表明MEA 溶液吸收法在大型工程項(xiàng)目中取得了顯著的應(yīng)用效果,滿足包括歐盟和中國(guó)在內(nèi)不同國(guó)家純化后甲烷用于汽車燃料和電網(wǎng)的相關(guān)要求[29-31].不同國(guó)家純化后甲烷用于汽車燃料和電網(wǎng)的相關(guān)要求如表2 所示,中國(guó)要求的甲烷純度不低于96%,瑞典所需的甲烷純度不低于85%[29-31].

表2 不同國(guó)家純化后甲烷用于汽車燃料和電網(wǎng)相關(guān)要求Table 2 Requirements related to the use of purified methane for motor fuels and power grids in different countries

3.2 吸收效率和能耗數(shù)據(jù)

有機(jī)胺溶液吸收法可以實(shí)現(xiàn)高純度的沼氣純化,有效去除CO2和其他雜質(zhì).研究表明,通過適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)和吸收劑選擇,有機(jī)胺溶液吸收法可以將沼氣中的CO2含量降至低于2%.例如,一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究采用25% MEA 溶液吸收法,將初始CO2含量為30%的沼氣純化至CO2含量?jī)H為1%左右[32-33].圖2 顯示了不同有機(jī)胺溶液純化后氣體的組成隨時(shí)間的變化趨勢(shì),其中甲烷純度接近于100%,這表明有機(jī)胺溶液吸收法具有高效的吸收效率[23,34-36].同時(shí),通過優(yōu)化工藝參數(shù),有機(jī)胺溶液吸收法可以降低能耗.研究結(jié)果顯示,相比于傳統(tǒng)的干法吸收法,有機(jī)胺溶液吸收法在CO2捕集過程中的能耗可以降低30%以上[37].

圖2 有機(jī)胺溶液吸收法沼氣純化過程Fig.2 Biogas upgrading process by organic amine solution absorption

3.3 經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)

有機(jī)胺溶液吸收法在工程應(yīng)用中顯示出良好的經(jīng)濟(jì)性[31].雖然投資成本較高,但通過降低CO2含量,純化后的沼氣可以作為高品質(zhì)的燃料,具有較高的市場(chǎng)價(jià)值.研究表明,采用有機(jī)胺溶液吸收法純化沼氣后,沼氣的市場(chǎng)價(jià)值可提高約30%以上[38].例如,某研究報(bào)告指出,在中國(guó)沼氣純化項(xiàng)目中,采用乙醇胺溶液吸收法,投資回收期可以在5a 左右.這表明有機(jī)胺溶液吸收法在經(jīng)濟(jì)性方面具有可行性和潛在的利潤(rùn)回報(bào).圖3 顯示了具有相同沼氣純化效果的有機(jī)胺溶液之間的經(jīng)濟(jì)性差異,結(jié)果表明部分混合胺溶液也可以在確保其具有比30wt.%MEA 更高沼氣純化效果的前提下,總相對(duì)能源消耗基本保持不變[36,39-40].

圖3 不同有機(jī)胺溶液的總相對(duì)能源消耗Fig.3 Total relative energy consumption of different organic amine solutions

3.4 環(huán)境效益數(shù)據(jù)

有機(jī)胺溶液吸收法對(duì)環(huán)境的影響較小,具有良好的環(huán)境效益.通過去除CO2,有機(jī)胺溶液吸收法可有效減少沼氣中的溫室氣體排放,降低對(duì)大氣的污染.研究結(jié)果顯示,在CO2捕集過程中,有機(jī)胺溶液吸收法的環(huán)境影響指數(shù)比傳統(tǒng)的干法吸收法低30%以上[41-42].這表明有機(jī)胺溶液吸收法在環(huán)境效益方面具有顯著優(yōu)勢(shì).

綜上所述,有機(jī)胺溶液吸收法在工程應(yīng)用中已經(jīng)取得了廣泛成功.通過提供具體的數(shù)據(jù)和案例,可以看到有機(jī)胺溶液吸收法在純化效率、能源利用效率、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益方面的優(yōu)勢(shì),驗(yàn)證了有機(jī)胺溶液吸收法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和可靠性.

4 有機(jī)胺溶液用于CO2 捕集的工藝優(yōu)化

工藝優(yōu)化是提高有機(jī)胺溶液吸收法純化效率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵.通過合理選擇和調(diào)整工藝參數(shù),可以顯著影響 CO2的吸收效率、能耗和操作成本[21,43-46].以下數(shù)據(jù)和案例說(shuō)明了工藝參數(shù)的改變對(duì)有機(jī)胺溶液吸收法的重要性.

4.1 有機(jī)胺濃度

溶液濃度是影響吸收效率和能耗的重要參數(shù)之一.研究表明,增加有機(jī)胺溶液的濃度可以提高CO2的吸收速率和吸收量.例如,使用50wt% MEA溶液與 CO2接觸時(shí),相比于 30wt%的 MEA 溶液,50wt%的MEA 溶液的CO2吸收速率提高了約20%.這說(shuō)明適當(dāng)提高有機(jī)胺溶液的濃度可以顯著提高吸收效率.

4.2 吸收/再生過程中的溫度和壓力

溫度和壓力是影響吸收效率和能耗的關(guān)鍵參數(shù).適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫l件可以提高CO2的溶解度和傳質(zhì)速率,從而增加吸收效率.例如,對(duì)于MEA 溶液吸收CO2的實(shí)驗(yàn)研究表明,在較低溫度和較高壓力下,MEA 溶液對(duì)CO2的吸收效率更高.此外,通過優(yōu)化溫度和壓力,可以調(diào)節(jié)CO2的脫附條件,降低再生過程的能耗.Haghtalab 等[47]的研究結(jié)果表明,當(dāng)有機(jī)胺溶液的反應(yīng)壓力從0.266MPa 增加到1.919MPa時(shí),CO2吸收量從 0.3714mol CO2/mol 胺增長(zhǎng)到0.5323mol CO2/mol 胺,H2S 吸收量從 0.1604mol H2S/mol胺增長(zhǎng)到0.2385mol H2S/mol胺.Shahid等[48]通過模型對(duì)有機(jī)胺溶液的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最終發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度為60°C,反應(yīng)壓力為1 個(gè)大氣壓,有機(jī)胺濃度為4mol/L 時(shí)的CO2去除率可達(dá)98.2%.Meng等[49]的研究結(jié)果也表明,當(dāng)有機(jī)胺溶液的再生溫度從90°C 增長(zhǎng)至130°C 時(shí),循環(huán)再生效果逐漸接近95%以上.

4.3 填料的選擇和吸收塔結(jié)構(gòu)

填料的選擇和吸收塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于工藝性能也起到關(guān)鍵作用.合適的填料可以增加氣液接觸面積,提高傳質(zhì)效果.例如,研究表明,使用高表面積和低壓降的填料,如樹脂填料和金屬填料,可以顯著提高吸收效率.此外,合理的吸收塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減小液體滴落和氣體繞流現(xiàn)象,提高吸收效率.

4.4 能耗和操作成本

工藝優(yōu)化還需要考慮能耗和操作成本的問題.通過降低操作成本,可以提高工藝的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性.例如,利用廢熱回收技術(shù),可以將再生塔中產(chǎn)生的熱量回收利用,減少再生過程的能耗.此外,合理控制操作條件和操作參數(shù),如氣液比、液體循環(huán)率等,也可以降低操作成本.Oh 等[50]通過模型分析對(duì)天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠進(jìn)行了工藝優(yōu)化,滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)再沸器的具體負(fù)荷降低了約3%.Hu 等[51]的研究結(jié)果表明通過改變有機(jī)胺的配比實(shí)現(xiàn)了能耗降低29.4%～55.4%,平均解吸率提高60%～140%,循環(huán)容量提高40%～120%.

綜上所述,工藝優(yōu)化是提高有機(jī)胺溶液吸收法純化效率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵.通過調(diào)整溶液濃度、優(yōu)化溫度和壓力、選擇合適的填料和優(yōu)化吸收塔結(jié)構(gòu),可以提高CO2的吸收效率,降低操作成本.因此,未來(lái)的研究和實(shí)踐應(yīng)繼續(xù)關(guān)注工藝優(yōu)化,以進(jìn)一步改進(jìn)有機(jī)胺溶液吸收法的性能和應(yīng)用.

5 挑戰(zhàn)與展望

5.1 耗能問題

胺再生的高能耗始終是一個(gè)緊迫的問題,它可能高達(dá)整個(gè)CO2捕獲成本的70%～80%.再生能耗主要包括胺和CO2的反應(yīng)產(chǎn)物(氨基甲酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸鹽)的解吸熱、將富胺液體加熱到解吸溫度的顯熱以及解吸過程中溶劑的汽化熱.有機(jī)胺溶液吸收法在CO2捕集過程中需要耗費(fèi)大量能量.研究表明,能耗是該技術(shù)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)之一,有機(jī)胺溶液吸收法的能耗約為3.5～4.5GJ/tCO2,而干法吸收法的能耗僅為1.5～2GJ/tCO2.這意味著有機(jī)胺溶液吸收法相對(duì)于干法吸收法需要更多的能源投入.

5.2 有機(jī)胺損耗問題

在有機(jī)胺溶液吸收法中,有機(jī)胺在吸收CO2的過程中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致有機(jī)胺的損耗.有機(jī)胺的損耗不僅增加了操作成本,還需要定期補(bǔ)充新的有機(jī)胺.研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)胺溶液吸收法中有機(jī)胺的損耗率通常在10%～30%之間.這需要對(duì)有機(jī)胺進(jìn)行循環(huán)利用或重新補(bǔ)充,以維持吸收效率和經(jīng)濟(jì)性[32,52].

5.3 有機(jī)胺易于氧化降解問題

MEA 水溶液的氧化降解反應(yīng)機(jī)制大致如圖4所示[22,53-54],在加熱過程中,氧氣可能與凈化氣體中的H2S 反應(yīng),形成元素硫,而元素硫又與胺反應(yīng)形成二硫代氨基甲酸鹽,在吸收過程中不能通過加熱回收.一些研究指出, MEA 會(huì)發(fā)生氧化脫酰胺反應(yīng),并在反應(yīng)過程中產(chǎn)生甲酸、氨和高分子量聚合物,這表明MEA比其他乙醇胺更容易發(fā)生氧化降解[53-55].此外,氣體中可能含有大量的雜質(zhì),在用胺溶液處理后會(huì)與胺發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的反應(yīng).這些雜質(zhì)主要包括硫化物(二硫化碳和硫化碳)、羧酸(乙酸、甲酸和丁酸)和鹽酸,乙醇胺可以與之反應(yīng)形成簡(jiǎn)單的熱穩(wěn)定鹽.

圖4 單乙醇胺水溶液的氧化降解反應(yīng)機(jī)制Fig.4 Mechanism of oxidative degradation reaction of monoethanolamine in aqueous solution

5.4 沼氣大規(guī)模純化應(yīng)用的挑戰(zhàn)

有機(jī)胺溶液吸收法的大規(guī)模沼氣純化應(yīng)用面臨著工程規(guī)模、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性的挑戰(zhàn).盡管該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室和小型試驗(yàn)中取得了良好的效果,但將其應(yīng)用于大規(guī)模沼氣純化項(xiàng)目仍存在一些挑戰(zhàn).工程規(guī)模的擴(kuò)展要求解決設(shè)備設(shè)計(jì)、操作參數(shù)和廢液處理等方面的問題[56-58].此外,投資成本和運(yùn)營(yíng)成本的考量也對(duì)其經(jīng)濟(jì)可行性提出了挑戰(zhàn).因此,需要進(jìn)一步的工程研究和優(yōu)化,以解決大規(guī)模應(yīng)用中的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn).

綜上所述,盡管有機(jī)胺溶液吸收法在沼氣純化中具有許多優(yōu)點(diǎn),但仍然面臨耗能問題、有機(jī)胺損耗、富氧條件下的性能下降以及大規(guī)模應(yīng)用的挑戰(zhàn).相關(guān)研究提供了未來(lái)研究和工程實(shí)踐的方向,以進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)有機(jī)胺溶液吸收法的性能和經(jīng)濟(jì)性.

6 結(jié)論與建議

有機(jī)胺溶液吸收法在沼氣純化過程中具有工藝成熟、沼氣處理量大、CH4純度高、再生能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),但仍存在幾個(gè)問題亟待解決.

6.1 首先,在大規(guī)模沼氣純化過程中有機(jī)胺的再生能耗和溶劑損失問題仍有待進(jìn)一步研究.有機(jī)胺的再生能耗大多來(lái)自于溶液升溫的顯熱和汽化潛熱,可選擇添加飽和蒸氣壓很低的離子液體或其他綠色CO2吸收劑與有機(jī)胺溶液進(jìn)行混配,改善有機(jī)胺溶液在沼氣純化過程中的整體再生能耗.此外,也可添加分相劑促使有機(jī)胺溶液在沼氣純化后實(shí)現(xiàn)液-液相分離,有效降低再生過程中的無(wú)效再生熱,提高其商業(yè)價(jià)值.

6.2 有機(jī)胺溶液在降解過程中存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也需引起更多的關(guān)注.除再生過程中發(fā)生的熱降解和在沼氣純化過程中發(fā)生的氧化降解外,還有部分逸散到大氣中后發(fā)生的,降解產(chǎn)物亞硝胺和硝銨均存在致癌風(fēng)險(xiǎn),極大地威脅周邊人員的健康.可適當(dāng)在出氣口處增設(shè)水洗裝置,降低降解產(chǎn)物的逸散程度,減少環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn).

6.3 混合胺溶液能夠有效結(jié)合不同類型胺的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行沼氣純化,具有良好的應(yīng)用前景,但關(guān)于混合胺溶液的沼氣純化機(jī)理和設(shè)備腐蝕的研究較少,不利于工業(yè)化推廣.此外,不同混合胺在不同場(chǎng)景下混合比例及最佳的工藝參數(shù)存在較大差距,未形成系統(tǒng)的研究體系,不利于混合胺技術(shù)的推廣.因此,應(yīng)繼續(xù)探究混合胺溶液在沼氣純化過程中的反應(yīng)機(jī)理,揭示混合胺沼氣純化體系的物質(zhì)遷移規(guī)律,為后續(xù)工業(yè)過程中混合胺溶液的推廣提供理論基礎(chǔ).

致謝：感謝上海同濟(jì)高廷耀環(huán)?？萍蓟饡?huì)的幫助.