三元復合吸收劑捕集二氧化碳中試優化

中國石化石油工程設計有限公司

三元復合吸收劑捕集二氧化碳中試優化

紀國慶中國石化石油工程設計有限公司

目前醇胺化學吸收法已經成為煙氣二氧化碳回收的主要方法，但存在吸收速率差、再生負荷高、易降解等缺點。在前期研究的基礎上，采用DEA—MDEA—AEP三元復合吸收劑，應用醇胺化學吸收流程，在10m3/h的連續測試平臺上進行三元復合吸收劑的吸收、解吸常壓CO2中試測試。DEA—MDEA—AEP三元復合吸收劑最佳工藝參數為：吸收溫度為40℃，氣液比為10L/m3，濃度為3mol/L。研究表明，相同實驗條件下，吸收劑脫碳率隨吸收劑濃度、氣液比增加而增大，隨吸收溫度增加先增加后下降；再沸器的熱負荷則隨著吸收溫度，液氣比以及溶液濃度的增加而增加。

DEA；MDEA；AEP；三元復合吸收劑；CO2；工藝參數

近年來，由于工業的急速發展和人口的迅猛增加，使得大氣中二氧化碳（CO2）等溫室氣體的濃度遠遠超出自然生態系統所能承受的能力，產生了溫室效應。CO2是造成溫室效應、導致地球氣候變暖、破壞大氣環境的主要污染物。

燃煤電廠是CO2的集中排放源，因而研究燃煤電廠煙氣CO2的捕集純化技術已經是當前的一項重要工作。目前醇胺化學吸收法已經成為煙氣CO2回收的主要方法，但存在吸收速率差、再生負荷高、易降解等缺點，而對于CO2捕集技術來講，開展脫碳工藝的整體優化來提高傳質效率、降低再生能耗是脫碳技術現場應用的關鍵因素之一。

在前期研究的基礎上，采用DEA—MDEA—AEP三元復合吸收劑，應用醇胺化學吸收流程，在10m3/h的連續測試平臺上進行三元復合吸收劑的吸收、解吸常壓CO2中試測試，研究吸收溫度、吸收劑濃度、液氣比（L/G）、入口CO2濃度等操作因素對脫碳率及再沸器熱負荷的影響。

1 實驗裝置與流程

1.1實驗試劑與主要設備

DEA（二乙醇胺，工業純）；MDEA（N—甲基二乙醇胺，工業純）；AEP（氨基乙基哌嗪，工業純）；蒸餾水；煙氣分析儀；空氣壓縮機；磁力傳動離心泵；吸收塔；解吸塔。

其中DEA—MDEA—AEP復合吸收劑采用0.7∶0.15∶0.15的摩爾配比；吸收塔和再生塔采用不銹鋼波紋規整填料CY—500。采用磁力驅動泵將貧液送入吸收塔，將富液送入再生塔。再生塔用過熱飽和水蒸氣間接再生。其中吸收塔塔徑100mm，塔高約為4800mm，填料層分兩段，每段高約為1200mm；再生塔塔徑80mm，塔高4000mm，填料層分兩段，每段高約為1000mm。

1.2實驗流程

實驗裝置流程如圖1所示。吸收液在吸收塔中吸收CO2，經過貧富液換熱器被再生液預熱后進入再生塔，在再生塔中進行解析，釋放CO2后，從再生塔底部流出，進貧富液換熱器和冷凝器后再重新進入吸收塔進行吸收實驗。實驗過程中，在吸收—再生達到穩定的循環狀態后（30min后），進行數據記錄。一個測試周期為10h。

圖1 10m3/hCO2捕集連續測試實驗裝置

2 實驗結果與分析

2.1反應溫度對捕集CO2過程的影響

2.1.1 吸收溫度對脫碳率的影響

吸收液與CO2發生的化學反應是放熱反應，因此改變吸收液溫度會對CO2吸收反應產生一定的影響。本文進行DEA—MDEA—AEP吸收液對CO2的脫除實驗，考察吸收液的溫度變化對CO2脫除效果的影響。實驗條件：采用3mol/L的混合吸收液（摩爾配比為0.7∶0.15∶0.15），流量為0.1m3/h；常溫進氣，流速10m3/h，CO2濃度15%。

由DEA—MDEA—AEP復合吸收劑溫度對脫碳率的影響曲線可以看出，脫碳率隨著溫度的增加呈現上升的趨勢。雖然高溫時因物理溶解度的關系CO2不易進入液相中，使得吸收速率降低；但溫度升高吸收液黏度降低，分子擴散增強，液相傳質阻力降低，使得吸收速率增大。再根據阿倫尼烏斯經驗公式k=可知，溫度升高，反應速率常數增大，因而反應速率增高，導致脫除率升高。當溫度升高到40℃后，再升高溫度對脫碳率的影響不大。

2.1.2 吸收溫度對再沸器熱負荷的影響

隨著吸收溫度的增大，兩種溶液再沸器熱負荷也明顯隨著增大。這是因為吸收率越高，再生時需要的再生熱越多，當吸收溫度為40℃左右時，再沸器熱負荷趨于一穩定值。

在實際工業吸收操作中，由于貧富液之間有一個熱量交換的過程，所以選擇適當高的吸收溫度既可提高吸收速率，又可減少熱量交換過程中的能量損失。但過高的溫度會造成溶劑的揮發損失和設備的腐蝕及熱負荷的增大，所以選擇吸收溫度時需要均衡各影響因素。

2.2吸收劑濃度對捕集CO2過程的影響

實驗條件：吸收劑反應溫度為40℃，流量為0.1m3/h，CO2流量為10m3/h，反應后的富液進入常壓解吸塔進行再生，待系統穩定后，連續運行10h，測定不同濃度下吸收液的平均脫除率。

2.2.1 吸收液濃度對脫碳率的影響

由復合吸收劑濃度對脫碳率的影響曲線可看出，DEA—MDEA—AEP三元復合吸收劑的脫除效率隨著吸收劑濃度的增加而增加。當溶液濃度大于3mol/L時，脫碳率的趨于平穩，達到90%左右。但隨著復合吸收劑濃度的增加，液相黏度升高，液相傳質阻力增大，導致對二氧化碳的吸收產生不利影響。

2.2.2 吸收液濃度對再沸器熱負荷的影響

再沸器熱負荷隨著溶液濃度的增大而增加。因為在進氣量和進液量相同的情況下，溶液濃度增大，吸收CO2的量增多，解吸需要的熱隨之增加，導致再沸器熱負荷增加。

綜合考慮脫碳率與再沸器負荷，復合吸收劑濃度選用濃度為3mol/L。

2.3液氣比（L/G）對捕集CO2過程的影響

2.3.1 液氣比對脫碳率的影響

L/G是指吸收劑單位耗用量，大小直接影響到兩相吸收反應效果。在操作過程中，增大L/G可以增大操作線與平衡線之間的距離，即可增大吸收過程的推動力。使得吸收反應容易進行，脫碳率高。反之，將減小吸收過程中的推動力，使吸收反應難進行，脫碳效果較差。

本實驗CO2流量為10m3/h，通過調節液體流量來改變L/G，利用高精度煙氣分析儀記錄二氧化碳濃度變化。

由L/G對脫碳率的影響曲線可看出，在其他運行參數都不變的情況下，隨著L/G的增大脫碳率也在增大。當L/G在10L/m3以下時，脫碳率增加速度較快；當L/G大于10L/m3后增加速度較慢，脫碳率曲線變得比較平緩。原因是L/G與氣液兩相的接觸面積有關。隨著L/G的加大，吸收液的量在增加，使得吸收塔內的噴淋密度增大，液膜的表面波動增強，從而增加了氣液兩相的接觸面積，增強了塔內的傳質推動力，因此CO2的脫除率也隨著增加。當L/G增加到一定程度時，液滴的凝聚性增強，氣液兩相的有效接觸面積不再發生變化，脫碳率也趨于穩定。

2.3.2 液氣比對再沸器熱負荷的影響

再沸器的熱負荷隨著液氣比的增加而增大。在實際煙氣脫碳系統中L/G的選擇要綜合考慮脫碳率、安全性和經濟性等因素。增加L/G雖增大塔內的傳質推動力，但也會使再沸器熱負荷增加，此外出塔煙氣所含水量也會因液氣比的增加而增加。經綜合考慮，本實驗適宜的L/G在10L/m3左右。

3 結論

（1）DEA—MDEA—AEP三元復合吸收劑最佳工藝參數為：吸收溫度為40℃，氣液比為10L/m3，濃度為3mol/L。

（2）研究表明，相同實驗條件下，吸收劑脫碳率隨吸收劑濃度、氣液比增加而增大，隨吸收溫度增加先增加后下降；再沸器的熱負荷則隨著吸收溫度，液氣比以及溶液濃度的增加而增加。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.2.005