化学法吸收燃煤烟气中CO2的研究.pdf

2 0 1 5 年第l o 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m 。c n 7 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．1 0 ．0 1 9 化学法吸收燃煤烟气中C 0 2 的研究 周绪忠，李水娥，仵恒，崔同明 贵州大学材料与冶金学院，贵阳5 5 0 0 2 5 摘要以乙醇胺 M E A 和四乙烯五胺 T E P A 作为吸收剂吸收燃煤烟气中的C 0 2 。在反应温度2 0 ℃、 溶剂体积浓度5 ％、C O 体积浓度1 3 ％、模拟烟气流量5 5 0L ／h 时，M E A 和T E P A 的吸收速率分别为 0 ．6 5 9 和0 ．5 1 3m m o l ／s 。 关键词化学法；吸收速率；吸收剂；C 0 2 ；M E A ；T E P A 中圈分类号X 7 0 1 文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 1 0 0 0 7 5 0 4 S t u d yo nC 0 2A b s o r p t i o nf r o mC o a l f i r e dF l u eG a sb yC h e m i c a lM e t h o d Z H O UX u z h o n g ，L IS h u i e ，W UH e n g ，C U IT o n g m i n g C o l l e g eo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，C h i n a A b s t r a c t C 0 2w a sa b s o r b e df r o mc o a l f i r e df l u eg a sb yc h e m i c a lm e t h o dw i t he t h a n o l a m i n e M E A a n d t e t r a e t h y l e n e p e n t a m i n e T E P A a ss o l v e n t s ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta b s o r p t i o nr a t eo fM E Aa n dT E P Ai s 0 ．6 5 9a n d0 ．5 4 3m m o l ／sr e s p e c t i v e l yu n d e rt h ec o n d i t i o n si n c l u d i n gr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo f2 0 ℃，s o l v e n t v o l u m ec o n c e n t r a t i o no f5 ％0 ，C 0 2v o l u m ec o n c e n t r a t i o no f1 3 ％，a n ds i m u l a t e df l u eg a sf l o wr a t eo f5 5 0L ／h ． K e yw o r d s c h e m i c a lm e t h o d ；a b s o r p t i o nr a t e ；a b s o r b e n t ；C O z ；M E A ；T E P A 目前温室效应对全球性大气污染的影响最为严 重[ 1 。6 ] 。二氧化碳的大量排放是导致温室效应最主 要的原因之一[ 7 ] ，其来源主要由矿物燃料燃烧[ 8 ‘1 ⋯。 目前，正在大力开发的碳捕集技术主要是燃烧后脱 碳[ 1 1 。13 | ，而其中的化学吸收分离烟气中的二氧化碳 更是研究的重点[ H - 1 8 ] 。刘今朝n 妇等的研究表明， 4 5 ％M D E A ／5 ％P Z 溶液的吸收温度窗口为4 0 ～6 0 ℃，氨水为2 0 ～4 0 ℃。张亚萍心叩等通过A s p e n P l u s 模拟研究了醇胺法捕集燃煤烟气中二氧化碳 的工艺及优化。陆诗建[ 2 嵋等对烯胺溶液进行了吸 收模拟烟气中二氧化碳的研究。C h o iW o n J o o n [ 2 2 1 等对M E A ／A M P 混合溶液进行试验，质量 分数1 8 ％M E A 1 2 ％A M P 混合溶液对二氧化碳 的吸收量比质量浓度为3 0 ％的M E A 溶液提高了 5 1 ．2 ％。上述研究都只单独考察了醇胺、烯胺及其 混合溶液，本文将讨论那种溶液更加适合化学吸收 分离二氧化碳及其工艺参数。 1试验部分 1 ．1 反应原理 伯胺、仲胺吸收C O 的总反应方程式 C 0 2 2 R 1 R 2 N HH R l R 2 N C O O 一 R l R 2 N H 2 叔胺吸收C O 的总反应方程式 C 0 2 H 2 0 R 1 R 2 R 3 NHR 1 R 2 R 3 N H H C O f 1 ．2 试剂、装置和方法 主要试剂为纯度9 9 ％的C O 。，乙醇胺 M E A 和四乙烯五胺 T E P A 均为分析纯试剂。试验装置 收稿日期2 0 1 5 一0 4 一0 3 基金项目贵州省教育厅项目 黔教合K Y 字E 2 0 1 4 ] 2 2 2 号 ；贵州省科技厅、贵州大学2 0 1 4 联合资金项目 黔科合L H 字 [ 2 0 1 4 3 7 6 4 7 号 ；贵州大学研究生创新基金项目 研理工2 0 1 5 0 0 5 作者简介周绪忠 1 9 8 8 一 ，男，重庆人，硕士研究生． 万方数据 7 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 0 期 如图1 所示。 图1 吸收装置 F i g ．1A b s o r p t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e m 首先控制好二氧化碳和压缩空气的流量，将气 体通人缓冲瓶配置成相应体积浓度的模拟烟气，其 体积浓度记为C 。；对试验装置排气3m i n ，在通入吸 收塔与吸收剂进行逆向吸收，尾气经干燥后通过二 e 去 l 喜 馨 整 氧化碳红外分析仪直接读取其体积浓度，每分钟记 录一次，记为C 。。当吸收率小于1 0 ％时停止试验， 其中溶液总体积为1L ，溶液流速为4L ／m i n 。整个 试验在大气压下进行。 1 ．3 试验指标 二氧化碳的吸收速率为 m I I h 击索，一y ∞2 1 7 吸收速率 车 二睾_ Vm 式中，V ∞。为C O 。的体积流量 L ／s ；V 。为气 体的摩尔体积 2 2 ．4L ／m 0 1 ；刁为吸收率 ％ 。 2 结果与讨论 2 ．1 反应温度对吸收速率的影响 试验条件C O z 体积浓度8 ．5o A 、溶液体积浓度 3 ％、烟气流量5 0 0L ／h ，不同反应温度时的试验结 果如图2 所示。 e 毛 重 蠡 馨 毯 图2 反应温度对M E A a } 和T E P A b 吸收速率的影响 F i g ．2 E f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo na b s o r p t i o nr a t eo fM E A a a n dT E P A b 由图2 可知，温度的变化对二氧化碳最高的吸 收速率影响不大。M E A 和T E P A 在2 0 ℃的吸收 速率最高分别为0 ．4 8 0 和0 ．4 7 6m m o l ／s 。主要是 因为此反应为放热反应，温度的升高不利于正向反 应。从而最高吸收速率随温度的升高而减小。因此 反应温度在2 0 ℃左右较为合适。 2 ．2 溶剂体积浓度对吸收速率的影响 试验条件二氧化碳体积浓度8 ．5 ％、反应温度 2 0 ℃、烟气流量5 0 0L ／h ，溶液体积浓度对吸收的影 响见图3 。由图3 可看出，随着溶剂体积浓度的增 加，其吸收速率也随之增加，并且反应历程也越久。 M E A 和T E P A 的最高吸收速率分别为0 ．5 6 1 和 0 ．4 8 1m m o l ／s 。原因是化学反应速率主要取决于 活化分子百分数和有效碰撞。溶剂体积浓度增加， 使得单位体积的活化分子百分数增加，从而单位体 积内活化分子数增加，最终使有效碰撞几率也增加， 从而使吸收速率加快。随着反应的进行，活化分子 数减少，吸收速率也随之减慢。而5 ％和6 ％的最高 吸收速率很接近，所以溶剂体积浓度应控制在5 ％ 左右。 2 ．3 二氧化碳体积浓度对吸收速率的影响 试验条件；溶液体积浓度3 ％、反应温度2 0 ℃、 烟气流量5 0 0L ／h ，不同二氧化碳体积浓度时的结 果如图4 所示。从图4 可见，随着二氧化碳体积浓 度的增加，其最高吸收速率均加快。M E A 和T E P A 的最高吸收速率分别为0 ．6 1 5 和0 ．4 9 8m m o l ／s ，并 且反应历程也越久。原因是二氧化碳的吸收率主要 是受二氧化碳分子扩散进入液相的传质速率和化学 反应吸收二氧化碳反应速率的影响。随着二氧化碳 体积浓度的增加，气膜二侧的二氧化碳浓度差也随 万方数据 2 0 1 5 年第1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 7 7 之增加，二氧化碳从气相扩散到液相的传质速率也 增加，与液相中的游离氨迅速反应。然而吸收溶剂 却是有限的，随着反应的进行，游离氨浓度快速降 i 趸 星 哥 霎 留 低，导致其吸收速率快速下降，从而达到反应平衡点 的历程也增加。所以吸收二氧化碳体积浓度在 1 3 ％左右较为合适。 图3 溶剂体积浓度对M E A a 和T E P A b 吸收速率的影响 F i g ．3 E f f e c to fs o l v e n tv o l u m ec o n c e n t r a t i o no n a b s o r p t i o nr a t eo fM E A a a n dT E P A b e 毛 重 孬 霎 签 图4 二氧化碳体积浓度对M E A a 和T E P A b 吸收速率的影响 F i g ．4 E f f e c to fC 0 2v o l n m ec o n c e n t r a t i o no na b s o r p t i o nr a t eo fM E A a a n dT E P A b 2 ．4 模拟烟气流■对吸收速率的影响 试验条件溶液体积浓度3 ％、反应温度2 0 ℃、 e 二 g 星 爵 髫 螫 二氧化碳体积浓度8 ．5 ％，模拟烟气流量对吸收的 影响见图5 。 时间／m i n 图5 模拟烟气流量对M E A a 和T E P A b 吸收速率的影响 F i g ．5 E f f e c to ff l o wr a t eo fs i m u l a t e df l u eg a so n a b s o r p t i o nr a t eo fM E A a a n dT E P A b I-∞．109曼、哥罩f掣螫 ％ 吣 眈 毗 o I-s．109E，爵斓罄签 万方数据 7 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 0 期 由图5 可知，随着模拟烟气流量的增加，除 M E A 在4 5 0L ／h 时，其最高吸收速率均加快，并且 反应历程越短。M E A 和T E P A 的最高吸收速率分 别为0 ．4 9 2 和0 ．4 7 7m m o l ／s 。主要原因是烟气流 量越大，其烟气的流速也越快，单位面积上单位时间 内二氧化碳与吸收溶液的接触增加，二氧化碳分子 扩散到液相中的数目增多，从而与游离氨反应加快， 使吸收速率增加。因此，模拟烟气流量控制在5 5 0 L ／h 左右较合适。 3结论 M E A 和T E P A 吸收燃煤烟气中二氧化碳的最 佳工艺参数为反应温度2 0 ℃、溶剂体积浓度5 ％、 二氧化碳体积浓度1 3 ％、模拟烟气流量5 5 0L ／h 。 在此条件下M E A 和T E P A 的吸收速率分别为 0 ．6 5 9 和0 ．5 1 3m m o l ／s 。M E A 的脱碳效果更理想。 参考文献 [ 1 ] 秦大河．气候变化对我国经济，社会和可持续发展的挑 战[ J ] ．外交评论外交学院学报，2 0 0 7 4 6 - 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