新型高效捕集CO2旋轉(zhuǎn)吸收填料裝置的試驗(yàn)研究

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金“新型高效捕集CO2旋轉(zhuǎn)吸收填料裝置的試驗(yàn)研究”的支持，基金號(hào)（2010ms0620），

通訊作者：何麗娟，內(nèi)蒙古科技大學(xué)，博士，副教授，碩士導(dǎo)師， zdlilyhe@163.com

作者簡介：

李潔瓊 1989- 女 河北省唐山市 在讀學(xué)生 本科 研究方向：建筑環(huán)境與設(shè)備工程

陳立峰 1990- 男 河北省承德市 在讀學(xué)生 本科 研究方向：建筑環(huán)境與設(shè)備工程

倪艷玲 1990- 女 吉林省長春市 在讀學(xué)生 本科 研究方向：建筑環(huán)境與設(shè)備工程

徐崗義 1989- 男 內(nèi)蒙古呼和浩特市 在讀學(xué)生 本科 研究方向：建筑環(huán)境與設(shè)備工程

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014010）

摘要：針對燃煤電廠煙氣捕捉CO2的效率低、再生能耗大以及設(shè)備體積龐大等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型高效捕捉CO2的旋轉(zhuǎn)吸收技術(shù)，采用醇胺（MDEA）水溶液中加入烯胺（TETA）組成的混胺為吸收劑，在旋轉(zhuǎn)填料塔中強(qiáng)化吸收煙氣中的CO2。在定吸收劑溫度和氣液流量的試驗(yàn)條件下，進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)吸收塔吸收性能的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)填料塔相比，旋轉(zhuǎn)吸收塔可以顯著提高CO2的吸收效率，增強(qiáng)傳質(zhì)效果，且在相同的操作條件下，旋轉(zhuǎn)吸收塔CO2的吸收效率達(dá)71.3%。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)吸收裝置 二氧化碳 MDEA+TETA混胺溶液 超重力

中圖分類號(hào)：TQ028.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，CO2的排放成為人類關(guān)注的焦點(diǎn)。哥本哈根協(xié)議指出，應(yīng)當(dāng)把全球氣溫的上升限制在不超過工業(yè)化時(shí)期前2℃的水平[1]。鑒于此，采取措施來解決地球變暖問題是一個(gè)人類所面臨的嚴(yán)峻課題。

許多專家學(xué)者將研究重點(diǎn)放在尋找高效吸收裝置和選擇吸收劑等方面。為了解決大部分單組分有機(jī)胺吸收能力好，但解吸能力相對較差的問題，學(xué)者們想到采取混合有機(jī)胺作為吸收劑的方法[2] 。吸收裝置方面，也在不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，從依靠重力場的氣液逆流塔式設(shè)備到20世紀(jì)80年依靠超重力場和離心力場的旋轉(zhuǎn)填料裝置，大大加快了傳熱、傳質(zhì)過程[3]。

在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計(jì)研發(fā)出一種具有市場開發(fā)價(jià)值的CO2新型高效旋轉(zhuǎn)吸收塔。

1 新型旋轉(zhuǎn)吸收裝置

1.1吸收劑的選取

1.1.1吸收劑的技術(shù)背景

二氧化碳分離技術(shù)有多種，選擇哪一種技術(shù)取決于要捕集的二氧化碳濃度、壓力和流量等狀態(tài)特征[4]。針對燃煤電廠煙氣中CO2濃度低、分壓低、雜質(zhì)和氧氣含量高的特點(diǎn)[5]，大多數(shù)富集煙道氣中CO2采用胺溶液法。MEA(單乙醇胺)和DEA(二乙醇胺)溶液法雖技術(shù)成熟，但具有溶劑易降解，腐蝕性強(qiáng)，再生能耗大等缺點(diǎn)；TEA(三乙醇胺)和MDEA(N-甲基二乙醇胺)溶液法穩(wěn)定性較好，再生熱小，對設(shè)備基本無腐蝕，但吸收速率比較小。為加快吸收和再生的速率，我們采用以單組分有機(jī)胺為主要溶劑，添加少量能與CO2進(jìn)行較強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的活化成分的混合有機(jī)胺吸收法。

1.1.2吸收機(jī)理

有機(jī)胺溶液吸收CO2，主要取決于胺類分子中含有的氮原子。胺在水溶液中離解，使溶液變?yōu)閴A性，易于和CO2這類酸性氣體發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到脫除CO2目的。有機(jī)胺分子中的氮原子N上若是有氫原子H，則可以提高胺的反應(yīng)活性。本裝置我們采用醇胺（MDEA）水溶液中添加少量烯胺（TETA）作為吸收劑。該混胺吸收體系兼有化學(xué)吸收和物理吸收的特點(diǎn)，反應(yīng)前期以化學(xué)吸收為主，混胺溶液濃度越大，反應(yīng)速率越快；隨著溶液中烯胺（TETA）含量的減少，CO2溶解量的增加，吸收速率減小；后期表現(xiàn)出醇胺（MDEA）物理吸收的特征。

1.1.3混合胺的優(yōu)越性

MDEA穩(wěn)定性好，溶解度大，且不易揮發(fā)，腐蝕性低，再生能耗小，操作和投資費(fèi)用低。而作為活化劑的TETA分子結(jié)構(gòu)含有-C2H4-基團(tuán)(烯烴雙鍵)較其它幾種常見胺，分子中有多個(gè)伯胺、仲胺氮原子。在相同條件下，預(yù)期較常用的烷基醇胺對CO2有較快的吸收速率、較大的吸收量。

1.2 旋轉(zhuǎn)吸收裝置原理及流程

1.2.1 吸收裝置的技術(shù)背景

傳統(tǒng)氣液逆流接觸塔由于泛點(diǎn)低和單位體積內(nèi)有效接觸面積小，故被旋轉(zhuǎn)填料床代替，它利用離心力作用，使液相在填料表面形成液膜，液膜快速向外環(huán)流動(dòng)，液膜厚度急劇減小，載體濕潤面積增加，相界面積增加導(dǎo)致了由液相控制的傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)過程得到極大的強(qiáng)化[6]。但此技術(shù)仍存在如填料潤濕不充分，氣體流動(dòng)阻力大，氣液接觸時(shí)間長，效率低等諸多問題。

1.2.2 吸收裝置的原理及流程

鋼瓶1和2內(nèi)的CO2和N2氣體經(jīng)過減壓閥減壓后，經(jīng)氣體玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)4（型號(hào)為LZB-25，精度為1.5）配制出體積比為15:85的CO2與N2混合氣體，在緩沖瓶3中充分混合后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)吸收塔（塔高531mm，內(nèi)層塔徑100mm，填料高度40mm）。在壓力的作用下經(jīng)均勻布風(fēng)板（邊長為10mm孔徑為4mm）進(jìn)入填滿多面塑料球的填料層，轉(zhuǎn)軸內(nèi)腔（有效噴淋長度為400mm）隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)噴灑在填料層內(nèi)緣，在離心力的作用下外推至填料外緣，液體在外推過程中，被填料分散破碎成表面積不斷更新的液滴。另外，曲折的流道加劇了液體表面更新速度。在塔內(nèi)形成條件較好的傳質(zhì)與反應(yīng)條件，液體被轉(zhuǎn)軸拋到外殼匯集后經(jīng)出液管離開旋轉(zhuǎn)填料床。最終利用化學(xué)吸收法測得由塔頂排出的CO2濃度，富液則液體化碳ufen_______________________________填料塔出液口排出。

2 試驗(yàn)步驟

① 檢查氣密性；

② 使用測量精度為0.1g的托盤天平測定試驗(yàn)前鈉石灰的質(zhì)量M1；

③ 配制20% MDEA+10%TETA+70%H2O的吸收劑，接通轉(zhuǎn)速定值變頻電機(jī)和潛水泵的電源，調(diào)節(jié)液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量，保證吸收劑的流量在32.2L/h；

④ 向塔內(nèi)充入體積比為85%N2+15%CO2的混合氣體；

⑤ 待工況穩(wěn)定，即在先測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保持15分鐘不變，記錄數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 轉(zhuǎn)速對旋轉(zhuǎn)吸收塔吸收效率的影響

表1和圖2是混合胺體積分?jǐn)?shù)配比為:20% MDEA+10% TETA，液體入口溫度為20℃，氣相流量為16m3/h（其中CO2流量為2.4 m3/h），液相流量為32.2L/h，填料高度為200mm時(shí)，CO2吸收效率隨旋轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)速的變化曲線。

試驗(yàn)結(jié)果表明，二氧化碳的吸收效率隨著旋轉(zhuǎn)填料床轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小。從圖2可以看出，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度在1400r/min時(shí)，吸收率達(dá)到最大值71.2%。

由于濃度較高的混胺液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)塔時(shí)，在轉(zhuǎn)軸離心力的作用下被撕碎成細(xì)小液滴，平鋪在填料上，形成液膜，這樣接觸表面積增大，氣液傳質(zhì)交換更加充分，故在轉(zhuǎn)速1400r/min之前，隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增大吸收效率增加。如果轉(zhuǎn)速高于1400r/min，隨著轉(zhuǎn)軸離心力的增大，液滴的甩出速率增大，液體在塔內(nèi)的停留時(shí)間較短，不利于熱質(zhì)交換，故吸收率隨之下降。

3.2 填料高度對旋轉(zhuǎn)吸收塔吸收效率的影響

表2和圖3是混合胺體積分?jǐn)?shù)配比為:20% MDEA+10% TETA，液體入口溫度為20℃，氣相流量為16m3/h（其中CO2流量為2.4 m3/h），液相流量為32.2L/h，轉(zhuǎn)速為1400r/min 時(shí)， CO2吸收效率隨填料高度的變化曲線。

試驗(yàn)結(jié)果表明，二氧化碳的吸收效率隨著填料高度的增加先增大后減小。從圖3可以看出，當(dāng)填料高度為200mm時(shí)，吸收效率為最大值71.2%。

如果填料高度過低，二氧化碳在填料中停留的時(shí)間太短，使得混胺接觸的時(shí)間很短，不利于CO2的吸收。若填料高度過高，轉(zhuǎn)軸噴灑管隨之增長，在單位時(shí)間吸收劑的噴灑量一定時(shí)，相應(yīng)填料最高點(diǎn)管壁處的壓力最小，吸收劑在此的噴射速度小，以至于液體沿壁面流下，而且在管壁處無離心力存在，所以該部分吸收劑沒有起到吸收作用。

4 結(jié)語

(1)自行研制的實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)本文的實(shí)驗(yàn)研究目標(biāo)，能滿足現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)要求；

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，填料高度為200mm，轉(zhuǎn)速為1400rpm時(shí)，新型旋轉(zhuǎn)填料塔對二氧化碳的吸收效率最高達(dá)71.3%。與傳統(tǒng)填料吸收塔相比，新型旋轉(zhuǎn)吸收塔的吸收效率大幅提高。

參考文獻(xiàn)

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