鼓泡式反应器高径比对氨法烟气脱碳性能的影响

彭远昌，赵兵涛，李蕾蕾，陶雯雯

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

由化石燃料燃烧产生的CO2引起的温室效应已成为全球关注的环境、科学、经济问题［1-2］。高效、清洁、经济的CO2捕捉与封存（CCS）技术已成为当前研究的热点。国内外的CCS技术主要包括化学法、物理法和生物法。化学法包括化学吸附和吸收法［3］、膜分离法［4］以及化学链燃烧富集法［5］；物理法包含CO2的地下封存与隔离技术［6］；生物法分为陆生植被生物固定技术［7］和海洋生物固定技术［8］等。其中化学法因操作简便、吸收效率高、经济价值高、工艺成熟等优点而被广泛应用［9］。化学法常以碱液（强碱或弱碱）作为吸收剂脱除燃烧烟气中的CO2。强碱主要指的是NaOH或KOH水溶液，弱碱一般为醇胺溶液和氨水溶液。强碱溶液具有腐蚀性强、循环性差、运营成本高等缺点［10］，弱碱溶液中的醇胺溶液具有再生能耗高、对系统腐蚀性强和易氧化降解等缺点［11］，因此适用性均受到限制。相比之下，氨水具有高吸收能力、高负载容量、低循环再生能耗和来源丰富等优点，产物亦可用于改良土壤［12］，因此得到广泛应用。

鼓泡式反应器是一种被广泛应用的吸收反应设备，利用其进行燃烧烟气氨法脱碳是一种可行的方法和技术［13-14］。鼓泡式反应器的结构（尤其是高径比）对其性能的影响较大。相同反应条件下，不同高径比对于气液接触面积和接触时间的影响不同。目前该领域的研究较为欠缺。

本工作研究了鼓泡反应器的高径比以及反应条件对氨法烟气脱碳性能的影响，为氨法烟气脱碳工艺和工程应用提供了理论基础，因此在CCS技术中有良好的应用前景。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

氨水：质量分数28%，分析纯。

N2和CO2：上海浦江气体有限公司。实验用模拟燃烧烟气由N2和CO2按不同体积比配制而成。

GXH-3010E1型多功能烟气（CO2）分析仪：北京市华云分析仪器研究所。

1.2 实验原理

氨水吸收燃烧烟气中CO2的过程由一系列复杂的可逆化学反应组成［15-17］，反应方程式见式（1）～式（5）。

1.3 实验流程

实验装置示意见图1，主要包括以下部分：模拟烟气钢瓶、气体流量计、鼓泡式反应器、恒温水浴、洗气瓶、干燥管以及多功能烟气（CO2）分析仪。

图1 实验装置示意

设计了3种高径比分别为0.93，2.04，3.98的鼓泡式反应器。在反应器中加入200 mL一定质量分数的氨水作为吸收剂。模拟烟气从钢瓶中放出，经过减压阀和气体流量计进入鼓泡式反应器，经氨水吸收CO2后的模拟烟气依次通过洗气瓶和干燥管，最终进入多功能烟气（CO2）分析仪。

1.4 分析方法

采用多功能烟气（CO2）分析仪测定烟气中CO2体积分数，计算CO2吸收率。

2 结果与讨论

2.1 氨水中氨质量分数对CO2吸收率的影响

在进气CO2体积分数为15%、模拟烟气流量为1.5 L/min、反应温度为20℃的条件下，氨水中氨质量分数对CO2吸收率的影响见图2。由图2可见：随氨质量分数的增加，CO2吸收率逐渐增大；当氨质量分数由7%增至28%时，在高径比为0.93的条件下，CO2吸收率增加幅度最大，约为6.4%；相同氨质量分数的条件下，随高径比的增加，CO2吸收率逐渐增大；在氨质量分数为7%的条件下，CO2吸收率增加幅度最大，约为7.0%。从化学反应动力学角度分析，增加氨质量分数相当于增加了反应物浓度，反应会向正方向移动，从而提高反应速率，导致CO2吸收率增加。文献［18］和［19］也得出了相似的结论。增加高径比可使气液两相在鼓泡塔内的停留时间增加，保证了氨水与模拟烟气间的充分接触。所以，增加高径比是提高CO2吸收率的有效措施。

图2 氨水中氨质量分数对CO2吸收率的影响

2.2 进气CO2体积分数对CO2吸收率的影响

在氨水质量分数为14%、模拟烟气流量为1.5 L/min、反应温度为20 ℃的条件下，进气CO2体积分数对CO2吸收率的影响见图3。由图3可见：CO2吸收率随进气CO2体积分数的增加而逐渐降低；当高径比为0.93时，进气CO2体积分数由10%增至20%，CO2吸收率由96.3%降至91.4%，下降了4.9%；在相同进气CO2体积分数的条件下，CO2吸收率随高径比的增加而增加。这主要是因为，CO2体积分数的增加，虽然在一定程度上增大了气相传质推动力，但同时减小了氨碳摩尔比，从而导致CO2吸收率下降。

图3 进气CO2体积分数对CO2吸收率的影响

2.3 模拟烟气流量对CO2吸收率的影响

在氨水质量分数为14%、进气CO2体积分数为15%、反应温度为20 ℃的条件下，模拟烟气流量对CO2吸收率的影响见图4。由图4可见：CO2吸收率随模拟烟气流量的增加略有下降；当高径比为0.93时，模拟烟气流量由1.0 L/min增至2.5 L/min，CO2吸收率由97.2%降至92.5%，下降幅度为4.7%。这是由于，增加模拟烟气流量导致反应物中氨碳摩尔比减小，减小了化学反应推动力，从而使得CO2吸收率下降。并且模拟烟气流量过大会带走部分氨水，造成吸收剂损失，进一步减小氨碳摩尔比。

图4 模拟烟气流量对CO2吸收率的影响

2.4 反应温度对CO2吸收率的影响

在氨水质量分数为14%、进气CO2体积分数为15%、模拟烟气流量为1.5 L/min的条件下，反应温度对CO2吸收率的影响见图5。由图5可见：随反应温度的升高，CO2吸收率略有增加；反应温度较高时，增幅减小；当高径比为0.93时，反应温度对CO2吸收率的影响最为明显，反应温度由10 ℃升至40 ℃，增幅达5.8%。这与文献［19］所述规律类似。这是因为：从动力学角度看，随反应温度的升高，反应活化分子数量增多，化学反应推动力增强，使得反应速率和CO2吸收率增加；从热力学角度看，由于CO2的吸收反应是可逆放热反应，因此随反应温度的进一步升高，逆反应速率的增加快于正反应速率，反应平衡向反方向移动，同时温度升高降低了CO2在氨水中的溶解度，增加了CO2的传质阻力，所以导致CO2吸收率的增幅减小。

图5 反应温度对CO2吸收率的影响

2.5 小结

在高径比为3.98、氨水质量分数为28%、进气CO2体积分数为10%、模拟烟气流量为1.0 L/min、反应温度为40 ℃的条件下，采用氨水吸收模拟烟气中的CO2，CO2吸收率最高可达100%。

3 结论

a）以N2和CO2混合气模拟燃烧烟气，研究了鼓泡反应器的高径比以及反应条件对氨法烟气脱碳性能的影响。CO2吸收率随高径比的增加而增大。在高径比为3.98、氨水质量分数为28%、进气CO2体积分数为10%、模拟烟气流量为1.0 L/min、反应温度为40 ℃的条件下，CO2吸收率最高可达100%。

b）在高径比为0.93的条件下，氨水质量分数由7%增至28%时，CO2吸收率增幅达6.4%；进气CO2体积分数由10%增至20%时，CO2吸收率降幅为4.9%；模拟烟气流量由1.0 L/min增至2.5 L/min时，CO2吸收率降幅为4.7%；反应温度由10 ℃升至40℃时，CO2吸收率增幅达5.8%。

c）增加高径比可使气液两相在鼓泡塔内的停留时间增大，保证了氨水与模拟烟气间的充分接触，是提高CO2吸收率的有效措施。

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