氨水鼓泡吸收模拟烟道气中CO2的研究

张 君，陈明功，郭后兵

（1.淮北师范大学化学与材料科学学院，安徽淮北235000；2.安徽理工大学化学工程学院）

2009年的哥本哈根气候变化会议使得“全球变暖”成为各国政府和人们广泛关注的话题。燃烧化石能源导致大气层中CO2含量增加，是引起全球变暖的主要原因，而煤炭作为全球主要能源之一，进一步加剧了大气中CO2浓度的增加。因此气候变化国际公约《京都议定书》向全世界提出倡议，限制温室气体CO2排放，缓解地球变暖的恶化趋势。另一方面，全球农业的发展需要大量化肥，特别像我国这样的农业大国，更需要大量低价、高效的肥料，而燃煤烟气中大量的CO2正是合成碳铵类化肥所需的基本原料之一。据有关研究［1］可知，碳铵类化肥在被植物吸收过程中有50%以上的碳酸根被固定，其余部分分解，放出的CO2也有利于植物的光合作用。如果以电厂锅炉烟道气中的CO2为原料生产NH4HCO3，既减少了CO2温室气体排放，又可变废为宝。与传统的CO2分离、浓缩、储存方法相比，CO2达到了永久性脱除的目的。国内外关于氨法脱除CO2的研究也有相关报道：文献［2］将氨气与水蒸气混合后直接喷入模拟烟道气中与CO2反应；文献［3－4］采用筛板塔对氨水逆流吸收烟气中的CO2进行研究。本课题采用氨水直接鼓泡法吸收模拟烟气中的CO2，研究氨水浓度、气体中CO2含量和气体流量等因素对CO2脱除率的影响，并对反应生成物进行分析。

1 实 验

1.1 主要仪器与试剂

仪器：1213型气体在线分析仪，广思科技上海有限公司生产；LECO2000－CHN分析仪，德国Elementar公司生产。

试剂：CO2气体，分析纯，南京特种气体公司生产；氨水，分析纯，上海苏懿化学试剂有限公司生产。

1.2 实验装置及流程

实验装置及流程示意见图1。离心风机压缩的空气与来自钢瓶流经减压阀减压的CO2气体在混合缓冲罐内充分混合，模拟不同CO2含量的烟道气，利用气体流量计控制流量后进入反应槽内与氨水反应，利用pH自动控制系统将氨水输入反应槽内以保持恒定的pH值，没有反应的气体鼓泡析出，用稀硫酸溶液吸收尾气带出的氨，净化后排出。

图1 实验装置及流程示意1—CO2钢瓶；2—气体混合缓冲器；3—气体流量计；4—离心风机；5—反应槽；6—pH控制器；7—管式抽油泵；8—出液槽；9—氨水储槽；10—稀硫酸吸收瓶

1.3 分析测试

实验中通过气体流量计调节气体流量，利用1213型气体在线分析仪测定反应槽进出口气体中CO2的含量；CO2脱除率定义为：式中：η为CO2脱除率，%；ci为进口气体中CO2体积分数；co为出口气体中CO2体积分数。

利用LECO2000－CHN分析仪分析反应生成液体经结晶、过滤得到晶体的C，H，N元素含量。

2 结果与讨论

2.1 氨水浓度对CO2脱除率的影响

在室温下，分别向反应槽和氨水储槽中加入质量分数为6%，8%，10%，12%，14%的氨水1 000mL和500mL，采用气体流量计控制气体流量为0.6L/min，混合气体中CO2体积分数为10%，待反应气相组成稳定后，检测反应槽出口气体CO2的体积分数。氨水浓度与CO2脱除率的关系见图2。由图2可知：CO2脱除率随氨水浓度的增加而增大，当吸收液中氨水质量分数大于8%时，CO2脱除率的增加趋于缓慢；但随着氨水浓度的增加，氨的溢出量增加非常明显。因此结合本实验研究结果并综合考虑降低成本和减少二次污染，确定适宜的氨水质量分数为8%～10%。

图2 氨水浓度与CO2脱除率的关系

2.2 混合气体中CO2含量对CO2脱除率的影响

在室温下向反应槽和氨水储槽中分别加入1 000mL和500mL质量分数为8%的氨水，将CO2体积分数为8%，12%，16%，20%的模拟烟道气分别通入反应槽中，控制气体流量为0.6 L/min，测试反应槽出口CO2含量。混合气体中CO2含量与CO2脱除率的关系见图3。由图3可见，在氨水浓度不变的情况下，CO2脱除率随着入口气体中CO2含量的增大而降低，因此烟气中CO2含量的增加对吸收过程不利，但实际烟道气中CO2的含量受到燃烧种类、燃烧程度和锅炉等多重因素影响，综合考虑，入口气体中CO2体积分数在10%左右较为合适。

?图3 CO2含量与CO2脱除率的关系

2.3 入口气体流量与CO2脱除率的关系

在室温下向反应槽和氨水储槽中分别加入1 000mL和500mL质量分数为8%的氨水，控制气体流量分别为0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 L/min，连续向反应槽中通入CO2体积分数为10%的模拟烟道气，反应稳定后，测定出口气体CO2的体积分数。入口气体流量与CO2脱除率的关系见图4。从图4可以看出，随着入口气体流量的增加，CO2的脱除率降低。其原因可能是气体流量增加，导致流速增大，气体在液相中停留时间缩短，传质阻力主要为液膜阻力，CO2来不及与氨水反应就随着气流主体从液相中排出。降低入口气体流量虽然可以提高CO2脱除率，但气体的处理量下降，综合考虑，气体流量控制在0.6L/min左右较为适宜。

图4 入口气体流量与CO2脱除率的关系

2.4 介质阻挡法与氨水直接鼓泡法吸收CO2的结果对比

在室温下，分别向反应槽和氨水储槽中加入质量分数为6%，8%，10%，12%，14%的氨水1 000mL和500mL，反应槽中加入少量沸石，采用气体流量计控制气体流量为0.6L/min，混合气体中CO2体积分数为10%，待反应气相组成稳定后，检测反应槽出口气体CO2的体积分数，计算不同氨水含量下CO2的脱除率，并与氨水直接鼓泡法吸收CO2的结果进行对比，结果见图5。从图5可以看出，在相同的实验条件下，反应槽中加入少量的沸石可明显提高CO2的脱除率，且氨水含量越高这一趋势越明显。其原因可能是沸石促使部分气泡破裂，降低气相传质阻力，提高吸收反应速率，同时由于沸石的阻挡增加了气体在液相内的停留时间，使CO2与氨水的反应更加完全，因此在氨水中添加少量的介质可提高CO2的脱除效果。

图5 氨水直接鼓泡法与介质阻挡法氨水浓度与CO2脱除率的关系对比■—直接鼓泡法；●—介质阻挡法

2.5 固体生成物分析结果

氨水吸收CO2的反应过程较为复杂，主要有碳酸化反应、水解反应等，产物可能含有碳酸氢铵、氨基甲酸铵、碳酸铵以及各种复盐。将反应后的液体经结晶、过滤，用干燥滤纸吸干样品表面水分，采用LECO2000－CHN仪器分析晶体中C，H，N元素含量，结果见表1。从表1可以看出，样品N质量分数在17.52%～18.22%之间。而NH4HCO3理论N质量分数为17.72%，（NH4）2CO3理论N质量分数为29.17%，NH2COONH4理论N质量分数为35.90%，故可判断产物主要成分为碳酸氢铵。

表1 不同反应生成的固体结晶C，H，N含量

3 结 论

（1）利用氨水鼓泡法吸收模拟烟气中的CO2并副产碳酸氢铵，可以达到永久性脱除CO2的目的。

（2）氨水鼓泡法吸收模拟烟气中CO2的适宜条件为：氨水质量分数8%～10%，CO2体积分数10%，入口气体体积流量0.6L/min。

（3）在氨水中添加少量的沸石可明显提高CO2的脱除率。

（4）不同反应条件下氨水鼓泡法吸收模拟烟气中CO2后生成晶体的主要成分为碳酸氢铵。

［1］ 张志明，毕庶春，李继云，等.长效碳酸氢铵理化特性及增产机理的研究［J］.中国科学（B辑），1996，26（5）：453－459

［2］ Lee J W，Li Rongfu.Integration of fossil energy systems with CO2sequestration through NH4HCO3production［J］.Energy Conversion and Management，2004，43（9）：1535－1546

［3］ Diao Yongfa，Zheng Xianyu，Chen Changhe.Experimental study on capturing CO2greenhouse gas by ammonia scrubbing［J］.Energy Conversion and Management，2004，45（13/14）：2283－2296

［4］ Liu Jinzhao，Wang Shujuan，Zhao Bo，et al.Absorption of carbon dioxide in aqueous ammonia［J］.Energy Procedia，2009，1（1）：933－940