CO2液相吸收設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀與進(jìn)展

楊靜怡，高姣麗，曹麗瓊，成懷剛，薛芳斌

(山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所 CO2減排與資源化利用教育部工程研究中心，山西 太原 030006)

為了緩解溫室效應(yīng)對(duì)全球氣候的影響，對(duì)溫室氣體CO2吸收過程的研究得到了廣泛關(guān)注[1]。CO2吸收劑種類很多，主要包括固態(tài)金屬氧化物、液體有機(jī)醇胺等。在CO2的吸收劑中，液相吸收劑對(duì)CO2的吸收率比較高，其中除醇胺溶液以外還可以使用氨水及熱鉀堿溶液等堿性溶液。目前利用液相吸收劑對(duì)CO2進(jìn)行吸收的反應(yīng)體系已經(jīng)相對(duì)成熟，由此也催生了多種反應(yīng)設(shè)備，而選擇合適的吸收設(shè)備型式是進(jìn)行CO2吸收工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

據(jù)已有關(guān)于CO2吸收的研究，吸收過程可以通過多種設(shè)備完成，最常見的主要有釜式設(shè)備、塔式設(shè)備、膜反應(yīng)器及超重力反應(yīng)器等。根據(jù)工藝目的和設(shè)備型式的差異，吸收設(shè)備的工作能力一般按照CO2的吸收率或去除率來予以表征。釜式設(shè)備通過控制釜內(nèi)的溫度來促進(jìn)吸收劑對(duì)CO2的吸收或去除[2]。塔式設(shè)備包括噴淋塔、填料塔和鼓泡塔等多種形式，且不同形式的吸收塔對(duì)應(yīng)不同的氣液接觸形式，通過控制氣液流量等操作條件實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的高效吸收。膜反應(yīng)器通過膜組件將CO2與吸收劑分隔開，可以克服傳統(tǒng)反應(yīng)器中的鼓泡、溢流等現(xiàn)象[3]，提高了CO2的吸收率。超重力反應(yīng)器通過填料和轉(zhuǎn)子來強(qiáng)化吸收過程，填料加大了吸收劑與CO2的接觸面積，而轉(zhuǎn)子使氣液接觸面不斷更新，兩者共同作用進(jìn)一步提高了CO2的吸收率或去除率[4]。本文綜述了上述四種吸收設(shè)備的裝置型式與使用效果，為CO2吸收設(shè)備的選型提供參考。

1 釜式設(shè)備

釜式設(shè)備是應(yīng)用最廣泛的CO2吸收設(shè)備，其耐熱和耐壓性能較好，且可以根據(jù)具體的反應(yīng)條件來選擇不同的攪拌及加熱方式。

釜式設(shè)備常用的攪拌裝置為磁力間接攪拌，通過攪拌作用增大吸收劑的湍流程度，以減小氣液兩相的傳質(zhì)阻力，從而提高CO2的吸收率。陽濤等[5]使用磁力攪拌槳，以1-氨丙基-3-甲基溶液為吸收劑對(duì)CO2進(jìn)行吸收，結(jié)果表明，當(dāng)溫度為5 ℃時(shí)，CO2的吸收率約為94%。除此之外，反應(yīng)釜常用的攪拌裝置還有機(jī)械直接攪拌[6]和超聲外場(chǎng)強(qiáng)化等方式。

釜式設(shè)備的加熱方式多樣，如熱夾套加熱、內(nèi)盤管加熱、電磁加熱等。加熱裝置可以調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，以達(dá)到最佳吸收條件。Ramezani等[7]利用一乙醇胺和裂解鉀的混合溶液對(duì)CO2進(jìn)行吸收時(shí)，用熱夾套控制反應(yīng)釜內(nèi)的溫度。研究結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度為30 ℃時(shí)，每摩爾吸收劑對(duì)CO2的吸收量最高為0.64摩爾。但是，熱夾套傳熱性能差，導(dǎo)致CO2的吸收量較低。因此，Azhgan等[8]以1，5-二氨基-2-甲基戊烷水溶液為吸收劑在反應(yīng)釜中對(duì)CO2進(jìn)行小型吸收實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用了恒溫水循環(huán)器將溫度控制在設(shè)定點(diǎn)。研究結(jié)果表明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃時(shí)，每摩爾吸收劑對(duì)CO2的吸收量最高為 1.21 mol。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，釜式設(shè)備操作簡(jiǎn)便，攪拌及加熱方式多樣，溫度適用范圍廣，能滿足多種反應(yīng)條件。

2 塔式設(shè)備

塔式設(shè)備有填料塔、噴淋塔和鼓泡塔等多種形式，其氣液接觸方式多樣，因其操作靈活而得到了廣泛的應(yīng)用。

填料塔適用于吸收劑以膜狀與CO2進(jìn)行接觸的反應(yīng)，填料是其重要裝置，包含散堆和規(guī)整兩種填料形式[9]，其作用是加大吸收劑與CO2的接觸面積，從而促進(jìn)CO2的吸收。馬雙忱等[10]在立式填料塔中用散堆陶瓷垃西環(huán)作為填料，利用氨水脫除煙氣中的CO2，結(jié)果表明在最佳條件下，CO2在1 min內(nèi)的吸收率或去除率為90%以上。但是，散堆填料會(huì)引起溝流及壁流現(xiàn)象，為避免這些現(xiàn)象，Tan等[11]使用波紋板規(guī)整填料進(jìn)行CO2的脫除反應(yīng)，結(jié)果表明當(dāng)塔內(nèi)壓力為1 MPa時(shí)，CO2的去除率可以達(dá)到95%。

噴淋塔適用于吸收劑以液滴狀與CO2進(jìn)行接觸的反應(yīng)，與填料塔相比，噴淋塔結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，只需在塔頂安裝噴嘴即可提高吸收劑的霧化程度，進(jìn)而提高噴淋塔對(duì)CO2的吸收率。Xu等[12]以氨水作為吸收劑在噴淋塔中進(jìn)行CO2的吸收實(shí)驗(yàn)，通過壓力旋流噴嘴將氨水霧化，在溫度為30 ℃時(shí)，CO2去除率為56%。壓力旋流噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，但這種噴嘴易堵塞，影響了噴淋塔對(duì)CO2的吸收效果。為改善壓力旋流噴嘴的這一缺點(diǎn)，吳彬[13]在噴淋塔內(nèi)利用單乙醇胺對(duì)CO2進(jìn)行吸收時(shí)，用離心式噴嘴對(duì)單乙醇胺進(jìn)行霧化，研究結(jié)果表明當(dāng)溫度為40 ℃，氣體進(jìn)口流速為2 m/s時(shí)，CO2的吸收率為96%左右。

鼓泡塔適用于吸收劑以氣泡狀與CO2接觸的反應(yīng)。氣體分散器作為核心裝置，通過將CO2氣流分散成微小的CO2氣泡，加大氣液接觸面積，從而提高鼓泡塔對(duì)CO2的去除率[14]。氣體分散器的孔徑大小是影響CO2吸收的重要因素。Pashaei等[15]在鼓泡塔中，研究單乙醇胺對(duì)CO2的吸收效果時(shí)，采用孔徑為1 000 μm的六孔不銹鋼氣泡分散板對(duì)CO2進(jìn)行分散，結(jié)果表明當(dāng)CO2分壓為0.3 kPa時(shí)，CO2的去除率為56%。但是，這種氣泡分散器的孔徑過大，導(dǎo)致CO2與吸收劑的接觸不充分，從而影響了鼓泡塔對(duì)CO2的吸收。馬雙忱等[16]利用氨水為吸收劑吸收CO2時(shí)，在鼓泡塔中將孔徑為30～ 50 μm 的玻璃砂芯漏斗作為氣體分散器，研究證實(shí)，當(dāng)溫度為45 ℃時(shí)，CO2的去除率約為98%。

填料塔和噴淋塔結(jié)構(gòu)多樣，適用于處理量大，需要控制液氣比的反應(yīng)。鼓泡反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氣泡分散器多樣，體積較小，一般適用于小型吸收過程。

3 膜反應(yīng)器

膜反應(yīng)器是新興的吸收設(shè)備，氣液兩相逆流進(jìn)入膜反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)[17]，不同的膜接觸器具有不同的高度及膜組件結(jié)構(gòu)。

膜組件作為膜反應(yīng)器中的核心裝置，其作用是將吸收劑與氣體分隔開，防止產(chǎn)生鼓泡、溢流等現(xiàn)象。膜組件具有平直形、螺旋形和編織形等多種結(jié)構(gòu)[18]，不同的結(jié)構(gòu)傳質(zhì)面積不同，對(duì)CO2的去除率也不同。Mejia[19]分別用螺旋形和平直形膜組件在膜反應(yīng)器中對(duì)CO2的傳質(zhì)性能進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膜組件為螺旋形的反應(yīng)器對(duì)CO2的傳質(zhì)系數(shù)比平直形的高3～4倍。傳質(zhì)過程得以顯著增強(qiáng)的原因在于螺旋形的膜組件具有彎曲的幾何結(jié)構(gòu)，與平直形膜組件相比，其氣液傳質(zhì)面積更大，因此對(duì)CO2的吸收率更高。但是，螺旋形的膜組件制作工藝復(fù)雜，為克服這個(gè)缺點(diǎn)，Wang[20]在膜反應(yīng)器內(nèi)使用編織形膜組件進(jìn)行研究，結(jié)果證實(shí)CO2的去除率可達(dá)到96%左右。

膜反應(yīng)器的高度對(duì)CO2的吸收或去除也有影響，Gao等[21]利用甘氨酸和一乙醇胺的混合溶液為吸收劑，考察了膜組件高度對(duì)CO2去除率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液體速度約為0.09 m/s，膜反應(yīng)器的高度從0.2 m增加到0.6 m時(shí)，CO2的去除率從30%增加到68%左右。這是由于隨著膜組件高度的增加，氣體的傳質(zhì)面積增大。

膜反應(yīng)器設(shè)備占地面積小、能耗低、操作方便，但膜反應(yīng)器投資成本普遍較高[22]。通過改進(jìn)膜組件的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性從而降低膜反應(yīng)器的成本，是促進(jìn)其不斷推廣的前提。

4 超重力反應(yīng)器

超重力反應(yīng)器也稱旋轉(zhuǎn)填料床，是一種新型化工強(qiáng)化設(shè)備，主要通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生穩(wěn)定的離心力來強(qiáng)化CO2與吸收劑的傳質(zhì)過程。

超重力反應(yīng)器常用的填料有不銹鋼絲網(wǎng)填料和多孔波紋板規(guī)整填料等形式，填料的存在可以加大吸收劑與CO2的接觸面積，從而提高吸收率。趙晨希等[23]以甘氨酸鈉溶液作為吸收劑，在旋轉(zhuǎn)填料床中進(jìn)行CO2的吸收實(shí)驗(yàn)，通過不銹鋼絲網(wǎng)將吸收劑切割成更小的液膜，在溫度為85 ℃時(shí)，CO2的吸收率約為70%。但是，不銹鋼絲網(wǎng)填料存在氣阻大、易堵塞等問題，會(huì)降低旋轉(zhuǎn)填料床對(duì)CO2的吸收率。為了解決這些問題，邢銀全等[24]利用N-甲基二乙醇胺和烯胺三乙烯四胺組成的混合溶液為吸收劑對(duì)CO2進(jìn)行吸收時(shí)，在旋轉(zhuǎn)填料床中使用多孔波紋板規(guī)整填料。研究結(jié)果表明，當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)，CO2的吸收率可達(dá)到85%左右。

轉(zhuǎn)子是超重力反應(yīng)器的另一核心部件，其通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使CO2與吸收劑的接觸面不斷更新，從而提高CO2的去除率。Ma等[25]在利用單乙醇胺、2-甲基氨基乙醇及哌嗪等有機(jī)胺溶液對(duì)CO2進(jìn)行吸收的過程中，通過改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來改變旋轉(zhuǎn)填料床對(duì)CO2的吸收率。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從600 r/min提高至1 800 r/min時(shí)，CO2的去除率可以從76%增加到95%左右。

與其他吸收設(shè)備相比，超重力反應(yīng)器具有設(shè)備占地面積小、投資成本低及易于移動(dòng)等優(yōu)勢(shì)[26]，因此在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。

5 結(jié)束語

CO2吸收是一項(xiàng)重要的化工過程，吸收設(shè)備也隨著研究的深入而不斷更新，釜式設(shè)備、塔式設(shè)備、膜反應(yīng)器及超重力反應(yīng)器已經(jīng)能適應(yīng)多種吸收工藝。在實(shí)際生產(chǎn)中，反應(yīng)釜的攪拌及加熱方式多樣，溫度變化范圍廣，通常適用于對(duì)操作溫度要求較高的反應(yīng)，對(duì)CO2的吸收率可達(dá)到95%左右。與釜式設(shè)備相比，塔式吸收設(shè)備結(jié)構(gòu)多樣，適用范圍廣，其中填料塔和噴淋塔適用于生產(chǎn)規(guī)模大，需要控制液氣比的過程，對(duì)CO2的吸收率或去除率高達(dá)98%左右；鼓泡反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，占地面積小，適用于小型反應(yīng)。與傳統(tǒng)吸收設(shè)備相比，膜反應(yīng)器內(nèi)的吸收劑與CO2不直接接觸，不會(huì)產(chǎn)生鼓泡、溢流等現(xiàn)象，其對(duì)CO2的去除率可達(dá)到96%左右。超重力反應(yīng)器主要借助高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以強(qiáng)化對(duì)CO2的吸收，填料和轉(zhuǎn)子的雙重強(qiáng)化作用可以使CO2的去除率達(dá)到95%左右，且超重力反應(yīng)器占地面積小，易于靈活操作。

CO2吸收設(shè)備種類多樣，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要考慮工業(yè)化應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)研究階段的有效銜接。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的吸收反應(yīng)，要實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，還需要對(duì)設(shè)備型式不斷地進(jìn)行改進(jìn)。