低浓度CO2捕集的吸收率测算★

马 超 援

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

·绿色环保·建筑节能·

低浓度CO2捕集的吸收率测算★

马 超 援

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

介绍了常用的低浓度CO2气体吸收方法，就低浓度CO2捕集吸收率的测算方法进行了阐述，并探讨了确定吸收剂的要素，对室内CO2浓度的控制有一定的意义。

CO2浓度，吸收剂，空气，吸收率

1 概述

近年来，人均碳排放量逐年增高，世界气候体现出以变暖为主的巨大变化，温室效应已成为备受各国瞩目的问题。在倡导低碳节约的新形势下，绿色建筑是实现建筑业战略转型升级的必然选择，是我国建筑业未来的发展方向[1]。所谓绿色建筑，是以人、建筑、环境互相协调的整合体，室内空气品质是绿色建筑评价标准中的重要部分。CO2浓度是室内空气品质的一部分，空气中CO2浓度较高，会使人体产生不适感，所以对室内CO2浓度的控制十分重要。

在地下商场、现代化写字楼等相对封闭的区域，直接对室内CO2浓度较高的空气进行处理，并将成本控制在一定范围内，可达到降低建筑碳排放的目的。在空间站，潜艇等密闭空间中，一定时间无法和外界进行空气交换，则必须进行CO2的捕集。探究低浓度CO2捕集有着重大经济价值和环境价值。

目前CO2捕集封存技术(CCS)的实施费用和能耗依然很高,CO2分离技术的现状和期望值之间还存在着巨大的落差[2]，降低其能耗和成本是目前的研究热点[3]，降低碳捕集成本的首要任务便是确定吸收剂的吸收效率。

常用低浓度CO2气体吸收方法中，化学吸收法技术最为成熟，应用也最为广泛。醇胺溶液是优良的CO2吸收剂，呈碱性，可吸收酸性的CO2气体，对于低浓度的CO2气体，反应仍十分灵敏。常用的吸收剂有一乙醇胺(MEA)溶液，甲基二乙醇胺(MDEA)溶液等，MEA效率高、速度快，但操作繁琐且费用较高，反应所需温度高，会对容器造成腐蚀，多次循环后易丧失脱碳能力。MDEA化学性质稳定，对容器腐蚀性低，反应容量大，多次循环后不会像MEA一样丧失脱碳能力，但反应速率低下。采用MEA与MDEA的混合胺作为吸收剂，克服了两者的缺点，具有高效，迅速的特点，且对反应容器的要求不高，循环性能良好。

2 实验要点及数据处理方法

2.1 实验要点

吸收是用适当的吸收剂来吸收气体或气体混合物中某种组分的一种操作过程[4]。采用醇胺法脱除CO2，体系中既存在化学吸收，也存在物理吸收，同时在水溶液中还存在各种化学反应，该体系是一个复杂的电解质混合溶剂体系[5]，混合溶剂对低浓度CO2吸收能力与其溶剂组分和组分状态有重要关联。

吸收剂是决定吸收效果的最主要的因素，MEA与MDEA的混合胺吸收CO2时，二者比例的确定十分重要。混合胺组分的确定是在对溶液CO2选择性，挥发性，粘度，吸收速率，可再生性，稳定性，经济性等多种性质的综合考虑下做出的。

混合胺与CO2发生的反应包括水的电离，CO2与OH-的反应，CO2与MDEA的反应，CO2与MEA的反应，MDEA与CO2和MEA反应生成的质子发生交互反应。施耀和黎四芳等人的研究证明：在MDEA和MEA体系中，MDEA+MEA混合胺吸收液吸收CO2的反应并非简单的叠加，而是在吸收过程中发生了协同作用，在一定程度上增加了吸收CO2的能力[6]。

建立醇胺溶液吸收低浓度CO2的计算模型，分析各个因素对CO2吸收率的影响，有利于整个实验过程的优化。在一般有机溶液中常用的NRTL活度因子模型被扩展到电解质溶液中，称为非随机的电解质液(E-NRTL)模型[7]。对气液平衡(VLE)进行评估和实验数据处理，采用E-NRTL模型，在此模型基础上进行醇胺法捕集低浓度CO2体系的相关热力学计算[8]。

2.2 计算方法

采用化学吸收法捕集CO2气体时，反应容器中CO2浓度、液相中CO2浓度及CO2捕集环境对反应效率有很大的影响。在吸收系统中，气液平衡的建立，标志着传质达到极限，吸收过程也就停止，它是控制吸收系统操作的一个重要因素。CO2的气液平衡计算可由亨利定律和Peng-Robinson(PR)状态方程[9]计算。

亨利定律:

P2=Kxx2

(1)

式中：P2——该气体的平衡分压；x2——气体溶质在溶液中的克分子数；Kx——组分亨利常数[10]，在本实验给定吸收剂情况下，亨利常数的变化只与温度有关。

CO2吸收率越高，说明CO2捕集效果越好。CO2吸收效率可用体积流率来表示，CO2吸收率定义为：

(2)

式中：Vin——进口空气的体积流率，m3/h；Vout——出口空气的体积流率，m3/h；Cin——进口空气中CO2的体积分数；Cout——出口空气中CO2的体积分数。

为得到CO2体积分数，需先测得被测空气中CO2含量，测空气中CO2含量方法多样，有气象色谱法，容量滴定法等多种手段。

气象色谱法由于采用了气象色谱分离技术，不受空气中其他组分的影响，测定结果准确，检出下限为0.014%，检出下限不够低，又无检出上限，故采用气象色谱法测进口空气中CO2含量。

CO2在色谱柱中与空气的其他成分完全分离后，进入检测器工作臂，使惠斯登电桥失去平衡而产生信号输出，从而进行定性和定量测定[11]。

计算CO2含量需先确定校正因子，校正因子的确定：

(3)

式中：f——校正因子；c0——标准气体含量，%；h0——平均峰高，mm。

CO2含量计算公式：

c=h×f

(4)

式中：c——样品空气中CO2的含量，%；h——样品峰高的平均值，mm。

先由式(3)计算出校正因子f，将气象色谱法实验测得的h及f代入式(4)即可得出进口空气中CO2含量。

容量滴定法测定范围为0.001%～0.5%，采用容量滴定法时，酸性气体会对测定结果造成干扰，一般环境的空气中，非CO2酸性气体含量很低，对测定结果的干扰尚不到5%，但同时检测范围上限不足，不适宜测进口空气中CO2含量，故用容量滴定法测出口空气中CO2含量。

用过量氢氧化钡溶液与CO2反应，生成碳酸钡沉淀，采样后剩余氢氧化钡用标准草酸溶液滴定，由容量法滴定结果和所采集的空气体积，即可测得空气中CO2含量[11]。

计算CO2含量需先确定标准状况下采样体积，标准状况下采样体积的确定：

(5)

式中：V0——标准状况下的采样体积，L；Vt——采样体积，L，Vt=采样流量(L/min)×采样时间(min)；

t——采样点的气温，℃；

T0——标准状况下的绝对温度,273 K；

p——采样点的大气压力，kPa；

p0——标准状况下的大气压力,101 kPa。

CO2含量计算公式：

(6)

式中：c——空气中CO2含量，%；a——样品滴定所用草酸标准溶液体积，mL；b——空白滴定所用草酸标准溶液体积，mL。

由式(6)计算出已处理空气中的CO2含量及前面已得到的进口空气中CO2含量，经换算，与进出口空气流率代入式(2)即可求得CO2吸收效率。

3 结语

确定醇胺法捕集低浓度CO2吸收效率的测算方法，首先要明确醇胺溶液吸收体系是一个复杂的电解质混合溶剂体系。混合胺吸收液吸收CO2的反应中，吸收剂中MEA与MDEA的比例在多种因素的综合考虑下确定，二者在吸收过程中发生了协同作用，从而增加了吸收CO2的能力。气液平衡是控制吸收系统操作的重要因素，由亨利定律和PR状态方程计算。测算被测空气中CO2含量的具体测定方法，由各方法的测定范围、检出下限、干扰因素等因素的综合考虑下决定，进气端空气中CO2含量用气象色谱法测定，出气端空气中CO2含量用容量滴定法测定。由进出口空气中CO2的含量及空气流率即可计算出CO2吸收率。

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Abstract: The paper introduces low-concentration CO2absorbing methods, describes the measurement and calculation methods of low-concentration CO2capture technical and explores the elements of determining absorbing agent, which has certain meaning for control indoor CO2concentration.

Key words: CO2concentration, absorbing agent, air, absorptivity

Absorption rate measurement and calculation of low-concentration CO2capture technical★

Ma Chaoyuan

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

2016-03-20★：黑龙江省东北林业大学大学生创新训练计划项目(项目编号：201510225121)

马超援(1994- )，男，在读本科生

1009-6825(2016)15-0187-02

X701

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