燃煤电厂烟气CO2捕集化学吸收剂研究

任增泉，李玉星，席红君

（1.中国石油大学（华东），山东 青岛266580；2.中石化胜利建设工程有限公司257000）

燃煤电厂烟气CO2捕集化学吸收剂研究

任增泉1,2，李玉星1，席红君2

（1.中国石油大学（华东），山东 青岛266580；2.中石化胜利建设工程有限公司257000）

为了解决油田强化采油所需的CO2来源以及减少电厂烟气CO2排放污染，采用化学吸收法对发电厂烟气进行CO2捕集。为了筛选出最佳化学吸收溶液以降低工程投资及运行成本，采用室内实验研究方法优选了基础吸收液，并以此为基础研究了各类不同配比的复合有机胺溶液对CO2的吸收和解吸性能，最终优选出0.70moL/lMEA-0.30moL/lAMP作为较优的复合吸收液。

CO2；化学吸收法；复合胺；吸收效能；再生效果

目前，油田注气开采技术已广泛应用于油田开发中[1]-[3]。其中，CO2驱油可有效的提高油田采收率，尤其是对于低渗透油藏能够有效避免开发过程中出现的“水注不进、油采不出”的问题[4]。但由于缺少大量、稳定、高纯度的CO2资源，制约了该项技术在油田的推广应用。在CO2驱油区域周边，多有燃煤电厂，是CO2的长期、大量、固定排放源。将油田周边电厂排放的CO2捕集出来，可在为油田大规模CO2驱提供稳定气源的同时，减少电厂的CO2排放量，保护环境，实现经济效益与环境效益的双赢。燃煤电厂烟气中CO2浓度为10%-14%，对于这种低浓度、低分压的CO2气源，化学吸收法是目前最为成熟的CO2捕集工艺，降低CO2捕集成本及能耗是其技术进步的关键。高效吸收液是化学吸收法CO2捕集技术的核心，也是降低捕集能耗及成本的根本出发点。本文通过室内试验及软件模拟相结合的方法，研究不同复配组合的化学吸收液对烟气CO2的吸收和再生性能，从而优选出较优的CO2捕集化学吸收剂。

1 实验装置及流程

实验采用自主开发的吸收、解吸实验装置。吸收实验装置见图1：采用常压鼓泡式直接接触法研究吸收性能，气源为模拟烟道气（其中CO2体积分数为15%，N2体积分数为85%）。设定反应温度为40℃，进气总流量为240mL/min。将球形多孔反应探头放入四孔烧瓶反应器中，开启搅拌器。当进气流量与出气流量差值低于5mL/min时，认为反应达到饱和状态，停止实验。CO2吸收速率采用式1计算，再通过计算吸收速率对时间的积分，得到CO2吸收量。

n=p△v/RT

式中：n为吸收速率，moL/s；p为吸收系统内部压力，为常压，Pa；为皂膜流量计进口和出口示数之差，mL；R为摩尔气体常数，R=8.314J/(K·moL)；T为反应温度，℃。

再生实验装置见图2：吸收实验结束后，取下烧瓶反应器，将其放入电热恒温油浴中，设定反应温度，进行加热再生，再生时间统一为120min，再生能耗通过电表测得，利用皂膜流量计测定再生气产生速率。

图1 吸收实验装置图

图2 再生实验装置图

2 基础吸收液评价和优选

选取MEA、DEA、TEA、DETA、TETA五种在二氧化碳捕集领域研究和应用广泛的试剂作为备选，通过多次吸收和再生实验确定最佳试剂为基础吸收液。

由图3、图4可知，对相同质量分数的MEA、DEA、TEA、DE⁃TA、TETA溶液，MEA的吸收速率最快，吸收容量最大；TETA次之，TEA最小。五者对二氧化碳吸收速率和吸收容量次序为：MEA>TETA>DETA>DEA>TEA。

醇胺溶液与CO2反应生成不稳定氨基甲酸盐，也称为富液，富液加热分解释放出CO2，本身得到再生。对醇胺溶液捕集二氧化碳工艺而言，再生温度是反映再生能耗的主要指标，再生率则是反映试剂稳定性的核心参数。由表1可知，对不同单体溶液，MEA再生温度最小，再生率最高。五种单体溶液再生温度次序为：MEA＜DEA=TEA＜DETA＜TETA；再生率次序为：MEA>DETA>DEA>TEA>TETA。

图3 不同单体溶液吸收速率与吸收时间关系曲线

图4 不同单体溶液吸收量与吸收时间关系曲线

表1 不同单体溶液再生温度与再生率

综上可知，在五种备选溶液中，MEA试剂吸收速率、吸收容量最大，同时再生率最高、再生温度最低，是最佳的基础吸收液。

3 复合胺吸收液的开发

复合胺溶液是指以一种伯胺或仲胺为基准溶液，加入另外一种位阻胺、叔胺或活化胺形成复配溶液，以达到提高酸气负荷处理量、降低能耗的目的[5]。复合胺之间存在交互作用，使得其吸收量大于同浓度两种单体溶液吸收量之和。以优选出来的MEA为基础吸收液，分别考察了加入MDEA、AMP和PZ三种试剂构成总胺浓度为1moL/l的复合溶液，通过吸收能力和再生能耗、再生率的对比确定适合电厂烟气CO2捕集的最佳配比复合胺液。

3.1 MEA-MDEA复合溶液的复配比例优选

由图5、图6可以看出，对总浓度为1moL/l的MEA-MDEA复配溶液，吸收速率和吸收量随时间变化规律相呈现重合性，并且在六种复合溶液中，0.50moL/lMEA-0.50moL/lMDEA复合溶液吸收率和吸收量最大。此外，由表2看出，0.50moL/lMEA-0.50moL/lMDEA再生溶液再生温度最低，为102℃，同时再生率最高，为96.33%。因此，0.50moL/lMEA-0.50moL/lMDEA复配溶液也具有较好的再生优势，是MEA-MDEA体系中较佳的复合溶液。

图5 MEA-MDEA体系吸收速率与吸收时间曲线

图6 MEA-MDEA体系吸收量与吸收时间关系曲线

表2 MEA-MDEA复合溶液再生率与再生温度表

3.2 MEA-AMP复合溶液的复配比例优选

图7 MEA-AMP体系吸收速率与吸收时间曲线

图8 MEA-AMP体系吸收量与吸收时间关系图

表3 MEA-AMP复合溶液再生温度表

在六种复配比例溶液中，0.70moL/lMEA-0.30moL/lAMP溶液吸收速率曲线位于其它五条之上，吸收速率快，下降较平缓。尤其是初始阶段，速率维持在全吸收阶段达100min，具有明显的优势。此外，该复合溶液吸收量最大，溶液再生率最高。因此0.70moL/lMEA-0.30moL/lAMP为最佳的MEA-AMP体系复合溶液。另外，各复配溶液再生温度都较低，都要低于MEA-MDEA复合溶液。这说明AMP具有良好的空间位阻性，再生比较容易，再生所需热量较小。

3.3 MEA-PZ复合溶液的优选

图9 MEA-PZ体系吸收速率与吸收时间曲线

图10 MEA-PZ体系吸收量与吸收时间关系图

表4 复合溶液再生温度表

对总浓度为1moL/l的MEA-PZ复配溶液，六种复配比例的溶液吸收速率均较高，这说明PZ对MEA溶液有较好的活化作用。其中，0.70moL/lMEA-0.30moL/lPZ复合溶液吸收速率曲线较其他五条更为平稳，PZ与MEA的活化和交互作用达到最佳，同时该复配比例下，溶液吸收量最大，再生率最高，再生温度也最低。因此，0.7moL/lMEA-0.30moL/lPZ为最佳的MEA-PZ体系复合溶液。

3.4 复合胺溶液综合比选

对之前优选的三种复合溶液0.7moL/lMEA-0.3moL/lAMP溶液、0.7moL/lMEA-0.3moL/lPZ溶液、0.5moL/lMEA-0.5moL/lM⁃DEA溶液，从吸收性能、再生性能进行对比研究。

吸收方面，0.7moL/lMEA-0.3moL/lAMP溶液、0.7moL/ lMEA-0.3moL/lPZ溶液在100min内的吸收速率基本相同，0.5moL/MEA+0.5moL/lMDEA吸收速率较差；0.7moL/lMEA-0.3moL/lAMP、0.7moL/lMEA-0.3moL/lPZ溶液吸收容量大致相同，而0.5moL/MEA+0.5moL/lMDEA的吸收容量最小。再生方面：0.7moL/lMEA-0.3moL/lAMP溶液再生率最高，为93.68%，再生温度最低，为100℃。因此，0.7moL/lMEA-0.3moL/lAMP是较优的复合CO2捕集化学吸收剂。

图11 吸收速率与吸收时间关系图

图12 吸收量与吸收时间关系图

表5 综合比选再生率和再生温度表

4 结语

4.1 相同实验条件下，相同质量分数的MEA、DEA、TEA、DETA、TETA溶液，MEA试剂吸收速率、吸收容量最大，同时再生率最高、再生温度最低，是最佳的基础吸收液。

4.2 对于MEA-MDEA体系、MEA-AMP体系、MEA-PZ体系，综合考虑吸收性能和再生性能，最终优选出0.70moL/lMEA-0.30moL/lAMP作为较优的复合吸收液。

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[4]闵琪,金贵孝,荣春龙.低渗透油气田研究与实践[M].北京:石油工业出版社,1999.

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