化学法吸收烟气中CO2的实验研究

窦锦玲(国核电力规划设计研究院有限公司,北京100095)

何志强(国家核电技术公司,北京100095)

化学法吸收烟气中CO2的实验研究

窦锦玲(国核电力规划设计研究院有限公司,北京100095)

何志强(国家核电技术公司,北京100095)

随着工业化进程不断推进，传统化石能源消耗也随之加剧。在化石能源使用过程中会产生大量CO2，导致温室效应愈演愈烈。火力发电厂作为CO2的主要排放源之一，应该被重点治理。本文以模拟电厂排放的燃煤烟气为研究对象，利用鼓泡式反应器、无水哌嗪（PZ）、二乙烯三胺（DETA）与三乙醇胺（TEA）作为吸收剂吸收模拟烟气中的CO2。

化学法；CO2；吸收；有机活化剂

在工业化进程不断推进的大背景下，化石能源被不断开采利用。作为典型化石能源的煤炭，在燃烧时会产生大量的CO2，大量的CO2会引发严重的温室效应，危害全球生态环境。因此，针对火力发电厂排放烟气中的CO2研发分离、回收的相关技术具有重大意义[1-2]。

燃煤烟气中的CO2具有流量大、分压低、含有杂质气体等特点，从排放的烟气中高效、高选择性地吸收CO2存在一定的技术难度。化学吸收法是一种十分有效的捕集CO2的方法，即利用能与CO2发生化学反应的化学吸收剂结合匹配的实验装置用来选择性地去除烟气中的CO2。传统的吸收剂虽能一定程度较为快速地去除CO2，然而存在吸收剂消耗量过大、循环性能差、循环过程中损失大等问题，以上问题可以通过研发新型吸收剂与配套的实验装置解决[3-4]。作为目前公认的吸收CO2最高效的吸收剂，有机胺溶液可用来取代传统的化学吸收剂并在具体工艺工程中加以应用。与传统化学吸收剂相比，有机胺类溶液对CO2的吸收量大，再生难度低，有望成为低成本、高性能的脱除CO2技术。本文考察了MEA、PZ、DETA与PG四种有机胺溶液对CO2的吸收与解吸性能，为选择高效吸收CO2的吸收剂提供充足的实验依据[5-6]。

1 实验方法

模拟电厂排放烟气配置好后贮存于气源钢瓶中，其具体组分为体积分数为85%的氮气与体积分数为15%的二氧化碳。模拟烟气首先通过转子流量计，然后被持续通入到置于恒温水浴中的装有吸收剂的反应管，在此过程中，烟气中的绝大部分二氧化碳都会被吸收液吸收，余量气体经过干燥后利用气相色谱法检测其二氧化碳浓度。二氧化碳的初始浓度定为C0，经过吸收液后气体通过气相色谱测定的二氧化碳含量记为C1。开始通入的气体体积流量为qv,0，气相色谱出口的气体流量为qv,i，二氧化碳的吸收速率为ui，则满足：

在解吸实验方面，即对吸收了饱和二氧化碳的富液进行解吸，首先将饱和液转移至三口烧瓶中，瓶口上端处需连接冷凝管以防当温度过高时有机胺溶液会挥发；然后设定好解吸温度，用皂膜流量计排空干燥后的二氧化碳气体直至流量计已无法检测到气体的排出。

2 结果与讨论

实验首先考察了MEA、PZ、DETA与PG作为单一吸收剂对二氧化碳的吸收，其中所有吸收液的浓度均为2 mol/L,4种溶液对二氧化碳的吸收速率曲线如图1所示。

图1 不同吸收剂对CO2的吸收速率曲线

通过图1可发现，四种吸收剂对二氧化碳的吸收速率均随着反应时间的增加而逐渐下降。在吸收剂与二氧化碳接触的初始阶段，因为CO2的浓度远低于吸收剂的浓度，因此四种吸收剂对CO2的吸收均为完全吸收，随着吸收过程的进行，胺液不断被消耗，吸收速率逐渐降低，最终完全吸收饱和。从图1中还可发现，四种反应液的吸收速率DETA最快，PZ次之，因为这两种有机胺均含有两个N原子，因此在水解过程中会释放更多的氢氧根，导致碱性更强，因此对二氧化碳的吸收速率更快。

利用吸收速率曲线对时间进行积分得到的二氧化碳吸收量曲线如图2所示

图2 不同吸收剂对CO2的吸收量曲线

由图2可知，在吸收初期四种有机胺溶液对二氧化碳的吸收均为完全吸收，且吸收速率也完全相等，因此在此阶段，二氧化碳的吸收量曲线呈一条上升的曲线；随着吸收过程进行，吸收液中有机胺含量逐渐降低，对二氧化碳的吸收速率均逐渐降低，表现为吸收量曲线的上升幅度减小，直至完全吸收。最终的最大吸收量大小关系为DETA＞PZ＞MEA＞PG，与图1中的吸收速率变化过程吻合。

四种吸收剂对二氧化碳吸收饱和富液进行解吸，解析率随温度的变化如图3所示，由图3可知，四种有机胺的解吸率均随温度的升高而增大，这是因为DETA、PZ、MEA与PG吸收二氧化碳的过程是可逆反应，当温度升高时，反应会逆向进行，即有利于解吸的过程，因此温度越高，解吸率越大。此外，由图中可发现PG的再生效果最好，而MEA与DETA的再生效果都不理想，这是因为MEA与DETA均由伯胺基与仲胺基组成，按两性离子反应，会与二氧化碳形成化学性质较为稳定的氨基甲酸盐化合物，相对难以发生逆反应释放出二氧化碳，因此再生效果差。PZ的分子结构为环状，会发生空间位阻效应使再生相对容易；PG与二氧化碳会形成带有亲核性相对较低羧基的氨基甲酸盐，与MEA或DETA相比，并不会发生羟基攻击羰基形成环状氨基甲酸酯的反应，因此PG的再生性能优于MEA与DETA。

图3 四种吸收剂解析率随温度变化曲线

3 结语

四种有机胺对二氧化碳的吸收速率均会随着反应时间的增加而逐渐降低，吸收量随时间增加而增大，富液再生率与解吸的温度均呈正相关。另外，四种有机胺吸收剂对二氧化碳的吸收能力大小关系为DETA＞PZ＞MEA＞PG，解析能力PG＞PZ＞MEA。有机胺对二氧化碳的吸收过程本质为酸碱中和反应，即N原子（伯胺、仲胺）会与二氧化碳发生反应生成一种两性离子，然后溶液中的胺分子、水分子或氢氧根离子会与两性离子的中间产物发生去质子化过程，进而形成氨基甲酸盐。总的来说，有机胺溶液是一种高效、再生率较好的二氧化碳吸收剂。

[1]任增泉，李玉星.燃煤电厂烟气CO2捕集化学吸收剂研究[J].化工管理，2015，10(7)：98-101.

[2]吕太，刘力萌.燃煤电厂CO2捕集中烟气预处理系统的优化模拟[J].化工进展，2015，34(2)：571-575.

[3]Caplow.M..Kinetics of Carbamate Formation and break⁃down[J].Chem.Soc.,1986,19(8):6795-6803.

[4]Danckwerts.P.V.The reactions of CO2 with Ethanolamines [J].Chem.Eng.S ci.,1979,34(8):443-446.

[5]Tomoe Y,ShimizuM,Kaneta H.Active dissolution and nat⁃ural passivation of carbon steel in coabon dioxide-loaded alkanol⁃amine solutions[J].Chem.Eng.Sci.,1996,67(8):112-131.

[6]李雪松，张密林.TEA-DETA混合胺水溶液吸收CO2的研究[J].应用科技，2010，10(6)：98-105

窦锦玲（1988-），女，汉族，山东省潍坊市，助理工程师，从事电厂设计工作。