微孔发泡法二氧化碳捕集技术的研究

蒋亚彬，董月红，周媛薛，薛洋企

(国电科学技术研究院，江苏南京210031)

微孔发泡法二氧化碳捕集技术的研究

蒋亚彬，董月红，周媛薛，薛洋企

(国电科学技术研究院，江苏南京210031)

论述了一种采用微孔发泡法来提高单乙醇胺(MEA)水溶液吸收燃煤电厂烟气中CO2效率的工艺方法。该工艺可使CO2烟气在MEA水溶液中形成缓慢上升的微小气泡，气泡与MEA接触的比表面积增加，而使吸收效率提高;同时，当气泡很小时，气泡上升的浮力下降，气泡上升的速度降低，使CO2气体有足够的时间在MEA水溶液中停留，也使吸收效率提高。结果表明，微孔发泡法的MEA水溶液吸收烟气中CO2的效率可达98%以上。

微孔发泡;二氧化碳;捕集效率

0 引言

二氧化碳捕集的方法很多，如固相吸附法、溶剂吸收法、膜分离法、组合分离法、超重力法等。目前只有吸附法和溶剂吸收法能够实现工业化，其他尚在基础研究阶段。溶剂吸收法是当前回收燃煤烟气中CO2较适用的方法，也最具备大型产业化条件的工艺。本研究以实际应用效果为目的，主要开展循环溶剂捕捉电厂烟气中的二氧化碳技术的研究。欧洲大型电力集团对单乙醇胺吸收法、活性炭吸附法、膜分离法、组合分离法、超重力法等进行了调查比较，认为对单乙醇胺吸收法是最实用的，设备造价和运行成本同比其他方法至少低20%。但同时指出，单乙醇胺二氧化碳吸收法工艺尚未系统研究，许多地方可以改进，可使其成本进一步降低。

1 研究思路及试验装置

1.1 研究思路

在溶剂吸收法工艺研究中，一个最关键技术是如何将燃煤烟气中CO2更有效地吸入单乙醇胺(MEA)水溶液中。目前采用的是传统淋浴法，其效率已无法提高。我们的方案是通过发生微小气泡来把废气分散到MEA水溶液中来提高吸收效率。具体工艺方法是采用一种纳米涂层的微孔陶瓷发泡装置，该装置可以在很低的压力下把废气以微小气泡的形式有效地分散在MEA水溶液中，从而使CO2高效率地被吸入。MEA对CO2吸收速度是由扩散控制的，即MEA与废气中CO2界面一旦饱和，吸收立即停止。这个扩散控制机理很实用微细泡分散吸收法，因为随着废气微小气泡在MEA水溶液中连续上升，MEA与CO2界面被不断地更新，从而使吸收速率大幅度提高。

提高吸收效率的成因包含两个方面:一是该工艺可使烟气在MEA水溶液中形成缓慢上升的微小气泡，气泡与MEA接触的比表面积增加，而使吸收效率提高;二是当气泡很小时，气泡上升的浮力下降，气泡上升的速度降低，使CO2气体有足够的时间在MEA水溶液中停留，也使吸收效率提高。

1.2 试验装置

为检验微孔发泡法CO2捕集效率，我们设计了简易单筒CO2捕集试验系统装置，如图1所示。

图1 微孔发泡法单筒CO2捕集试验系统

净化烟气采用浓度15%CO2/N2标气。流量计用来控制和调节烟气流量。CO2分析仪用来检测CO2烟气净化前后CO2浓度。单乙醇胺水溶液和陶瓷微孔曝气板则被注入和放置在一密封的有机玻璃圆筒内，也就是简易的CO2吸收塔。电动隔膜泵则是用来将吸附了CO2而达到饱和的MEA水溶液抽到后一流程的CO2分离加热工艺处理单元，通过电加热简易分离塔将CO2分离出去，分离CO2后的MEA水溶液再抽回吸收塔内进行下次试验。

2 试验结果与分析

2.1 单乙醇胺水溶液高度对捕集效率的影响

在烟气流量和微孔曝气板有效发泡面积不变的情况下，吸收塔中单乙醇胺水溶液的高度就决定了烟气在MEA水溶液中停留时间。为了确定烟气在MEA水溶液中合适的停留时间，我们选择了三种MEA水溶液高度进行了捕集效率试验，数据如表1。试验中MEA水溶液浓度为30%，微孔曝气板有效发泡面积为0.0481m2，烟气流量为20L/min。从表1可以看出，当单乙醇胺水溶液高度从580减小到145时，捕集试验系统对CO2的捕集效率都在98%以上，捕集效率没有发生明显变化。

表1 三种MEA 水溶液高度的捕集效率

2.2 不同烟气流量对捕集效率的影响

本试验在一定单乙醇胺水溶液高度条件下(高度为580、微孔曝气板有效发泡面积为0.0481m2、MEA水溶液浓度为30%)，对5、10、20L/min三种烟气流量分别进行了捕集效率检测，测试结果见表2。从表2可以看出，三种烟气流量下捕集试验系统对CO2的捕集效率都在98%以上，捕集效率也没有发生明显变化。

表2 三种烟气流量的捕集效率

3 结语

(1)微孔发泡法单乙醇胺水溶液CO2捕集效率高，可达98%以上。

(2)在微孔曝气板有效发泡面积为0.0481m2情况下，烟气流量在20L/min以下，烟气在单乙醇胺水溶液有效流过高度在145～580变化时，CO2捕集效率无明显变化，都保持在98%以上。

(3)一定数量的单乙醇胺水溶液能吸收多少CO2在理论上是有依据的，但饱和度达到多少时才会影响吸收效率，需进一步试验才能验证。

(4)烟气通过微孔曝气板时，肯定会有一定的阻力，但究竟有多大、火电厂原有引风系统能否胜任等，也都需要进一步的理论推算和试验证明。

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Study on CO2capture technology by microcellular foaming method

t discusses a method which uses microcellular foaming method to improve the efficiency of Monoethanolamine(MEA)aqueous solution to absorb CO2from the flue gas of coal－fired power plants.The process makes the CO2flue gas form the tiny air bubbles who slowly rise in the MEA aqueous solution.Due to the increase in the specific surface aera of the bubbles in contact with the MEA，CO2absorption rate is enhanced.For，when the bubbles is very small，air bubbles rising buoyancy decline and velocity is reduced，which make it possible that CO2gas has enough time to stay in the MEA solution to react.This leads to increase the absorption rate of the CO2gas.The experiment results show the absorptivity of CO2can be over 98%when the MEA aqueous solution improved by microcellular foaming method is used.

microcellular foam;carbon dioxide;collection efficiency

X701.7

B

1674－8069(2015)01－022－03

2014-09-22;

2014-12-08

蒋亚彬(1964-)，男，江苏东台人，高级工程师，主要从事烟气净化、脱硫脱销工程及技术研究。E－mail:jyb1836@sohu.com