彭遠(yuǎn)昌，趙兵濤，李蕾蕾，陶雯雯

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

由化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2引起的溫室效應(yīng)已成為全球關(guān)注的環(huán)境、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題［1-2］。高效、清潔、經(jīng)濟(jì)的CO2捕捉與封存（CCS）技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的CCS技術(shù)主要包括化學(xué)法、物理法和生物法。化學(xué)法包括化學(xué)吸附和吸收法［3］、膜分離法［4］以及化學(xué)鏈燃燒富集法［5］；物理法包含CO2的地下封存與隔離技術(shù)［6］；生物法分為陸生植被生物固定技術(shù)［7］和海洋生物固定技術(shù)［8］等。其中化學(xué)法因操作簡(jiǎn)便、吸收效率高、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［9］?；瘜W(xué)法常以堿液（強(qiáng)堿或弱堿）作為吸收劑脫除燃燒煙氣中的CO2。強(qiáng)堿主要指的是NaOH或KOH水溶液，弱堿一般為醇胺溶液和氨水溶液。強(qiáng)堿溶液具有腐蝕性強(qiáng)、循環(huán)性差、運(yùn)營(yíng)成本高等缺點(diǎn)［10］，弱堿溶液中的醇胺溶液具有再生能耗高、對(duì)系統(tǒng)腐蝕性強(qiáng)和易氧化降解等缺點(diǎn)［11］，因此適用性均受到限制。相比之下，氨水具有高吸收能力、高負(fù)載容量、低循環(huán)再生能耗和來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)物亦可用于改良土壤［12］，因此得到廣泛應(yīng)用。

鼓泡式反應(yīng)器是一種被廣泛應(yīng)用的吸收反應(yīng)設(shè)備，利用其進(jìn)行燃燒煙氣氨法脫碳是一種可行的方法和技術(shù)［13-14］。鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)（尤其是高徑比）對(duì)其性能的影響較大。相同反應(yīng)條件下，不同高徑比對(duì)于氣液接觸面積和接觸時(shí)間的影響不同。目前該領(lǐng)域的研究較為欠缺。

本工作研究了鼓泡反應(yīng)器的高徑比以及反應(yīng)條件對(duì)氨法煙氣脫碳性能的影響，為氨法煙氣脫碳工藝和工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，因此在CCS技術(shù)中有良好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、材料和儀器

氨水：質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%，分析純。

N2和CO2：上海浦江氣體有限公司。實(shí)驗(yàn)用模擬燃燒煙氣由N2和CO2按不同體積比配制而成。

GXH-3010E1型多功能煙氣（CO2）分析儀：北京市華云分析儀器研究所。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

氨水吸收燃燒煙氣中CO2的過(guò)程由一系列復(fù)雜的可逆化學(xué)反應(yīng)組成［15-17］，反應(yīng)方程式見(jiàn)式（1）～式（5）。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)裝置示意見(jiàn)圖1，主要包括以下部分：模擬煙氣鋼瓶、氣體流量計(jì)、鼓泡式反應(yīng)器、恒溫水浴、洗氣瓶、干燥管以及多功能煙氣（CO2）分析儀。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

設(shè)計(jì)了3種高徑比分別為0.93，2.04，3.98的鼓泡式反應(yīng)器。在反應(yīng)器中加入200 mL一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水作為吸收劑。模擬煙氣從鋼瓶中放出，經(jīng)過(guò)減壓閥和氣體流量計(jì)進(jìn)入鼓泡式反應(yīng)器，經(jīng)氨水吸收CO2后的模擬煙氣依次通過(guò)洗氣瓶和干燥管，最終進(jìn)入多功能煙氣（CO2）分析儀。

1.4 分析方法

采用多功能煙氣（CO2）分析儀測(cè)定煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算CO2吸收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨水中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸收率的影響

在進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)為15%、模擬煙氣流量為1.5 L/min、反應(yīng)溫度為20℃的條件下，氨水中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸收率的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：隨氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，CO2吸收率逐漸增大；當(dāng)氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7%增至28%時(shí)，在高徑比為0.93的條件下，CO2吸收率增加幅度最大，約為6.4%；相同氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下，隨高徑比的增加，CO2吸收率逐漸增大；在氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的條件下，CO2吸收率增加幅度最大，約為7.0%。從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度分析，增加氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于增加了反應(yīng)物濃度，反應(yīng)會(huì)向正方向移動(dòng)，從而提高反應(yīng)速率，導(dǎo)致CO2吸收率增加。文獻(xiàn)［18］和［19］也得出了相似的結(jié)論。增加高徑比可使氣液兩相在鼓泡塔內(nèi)的停留時(shí)間增加，保證了氨水與模擬煙氣間的充分接觸。所以，增加高徑比是提高CO2吸收率的有效措施。

圖2 氨水中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸收率的影響

2.2 進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸收率的影響

在氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%、模擬煙氣流量為1.5 L/min、反應(yīng)溫度為20 ℃的條件下，進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸收率的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：CO2吸收率隨進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸降低；當(dāng)高徑比為0.93時(shí)，進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)由10%增至20%，CO2吸收率由96.3%降至91.4%，下降了4.9%；在相同進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)的條件下，CO2吸收率隨高徑比的增加而增加。這主要是因?yàn)?，CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，雖然在一定程度上增大了氣相傳質(zhì)推動(dòng)力，但同時(shí)減小了氨碳摩爾比，從而導(dǎo)致CO2吸收率下降。

圖3 進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸收率的影響

2.3 模擬煙氣流量對(duì)CO2吸收率的影響

在氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%、進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)為15%、反應(yīng)溫度為20 ℃的條件下，模擬煙氣流量對(duì)CO2吸收率的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：CO2吸收率隨模擬煙氣流量的增加略有下降；當(dāng)高徑比為0.93時(shí)，模擬煙氣流量由1.0 L/min增至2.5 L/min，CO2吸收率由97.2%降至92.5%，下降幅度為4.7%。這是由于，增加模擬煙氣流量導(dǎo)致反應(yīng)物中氨碳摩爾比減小，減小了化學(xué)反應(yīng)推動(dòng)力，從而使得CO2吸收率下降。并且模擬煙氣流量過(guò)大會(huì)帶走部分氨水，造成吸收劑損失，進(jìn)一步減小氨碳摩爾比。

圖4 模擬煙氣流量對(duì)CO2吸收率的影響

2.4 反應(yīng)溫度對(duì)CO2吸收率的影響

在氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%、進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)為15%、模擬煙氣流量為1.5 L/min的條件下，反應(yīng)溫度對(duì)CO2吸收率的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：隨反應(yīng)溫度的升高，CO2吸收率略有增加；反應(yīng)溫度較高時(shí)，增幅減小；當(dāng)高徑比為0.93時(shí)，反應(yīng)溫度對(duì)CO2吸收率的影響最為明顯，反應(yīng)溫度由10 ℃升至40 ℃，增幅達(dá)5.8%。這與文獻(xiàn)［19］所述規(guī)律類似。這是因?yàn)椋簭膭?dòng)力學(xué)角度看，隨反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)活化分子數(shù)量增多，化學(xué)反應(yīng)推動(dòng)力增強(qiáng)，使得反應(yīng)速率和CO2吸收率增加；從熱力學(xué)角度看，由于CO2的吸收反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，因此隨反應(yīng)溫度的進(jìn)一步升高，逆反應(yīng)速率的增加快于正反應(yīng)速率，反應(yīng)平衡向反方向移動(dòng)，同時(shí)溫度升高降低了CO2在氨水中的溶解度，增加了CO2的傳質(zhì)阻力，所以導(dǎo)致CO2吸收率的增幅減小。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)CO2吸收率的影響

2.5 小結(jié)

在高徑比為3.98、氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%、進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)為10%、模擬煙氣流量為1.0 L/min、反應(yīng)溫度為40 ℃的條件下，采用氨水吸收模擬煙氣中的CO2，CO2吸收率最高可達(dá)100%。

3 結(jié)論

a）以N2和CO2混合氣模擬燃燒煙氣，研究了鼓泡反應(yīng)器的高徑比以及反應(yīng)條件對(duì)氨法煙氣脫碳性能的影響。CO2吸收率隨高徑比的增加而增大。在高徑比為3.98、氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%、進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)為10%、模擬煙氣流量為1.0 L/min、反應(yīng)溫度為40 ℃的條件下，CO2吸收率最高可達(dá)100%。

b）在高徑比為0.93的條件下，氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7%增至28%時(shí)，CO2吸收率增幅達(dá)6.4%；進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)由10%增至20%時(shí)，CO2吸收率降幅為4.9%；模擬煙氣流量由1.0 L/min增至2.5 L/min時(shí)，CO2吸收率降幅為4.7%；反應(yīng)溫度由10 ℃升至40℃時(shí)，CO2吸收率增幅達(dá)5.8%。

c）增加高徑比可使氣液兩相在鼓泡塔內(nèi)的停留時(shí)間增大，保證了氨水與模擬煙氣間的充分接觸，是提高CO2吸收率的有效措施。

［1］Georgios A，Paul C.Global warming and carbon dioxide through sciences［J］.Environ Inter，2009，35（2）：390-401.

［2］周瑋生，柳澤幸雄.中國(guó)未來(lái)能源需求及CO2減排技術(shù)對(duì)策的數(shù)值模擬［J］.世界環(huán)境，1996，4：38-41.

［3］Lin Chiachang，Chen Borchi.Carbon dioxide absorption into NaOH solution in a cross-fl ow rotating packed bed［J］.J Ind Eng Chem，2007，13（7）：1083-1090.

［4］Mohamed H，Al-Marzouqi，Muftah H，et al.Modeling of CO2absorption in membrane contactors［J］.Sep Purif Technol，2008，59（3）：286-293.

［5］Mattisson T，Lyngfelt A，Cho P.The use of iron oxide as an oxygen carrier in chemical-looping combustion of methane with inherent separation of CO2［J］.Fuel，2001，80（13）：1953-1962.

［6］Chris A，Hendriks K B.Underground storage of carbon dioxide［J］.Energy Convers Manage，1995，36（6/7/8/9）：539-542.

［7］Richard A，Gill H，Wayne P，et al.Nonlinear grassland responses to past and future atmospheric CO2［J］.Nature，2002，417：279-282.

［8］張一昕，趙兵濤，熊鍇彬，等.微藻固定燃燒煙氣中CO2的研究進(jìn)展［J］.生物工程學(xué)報(bào)，2011，27（2）：164-171.

［9］Versteeg G F，Van Dijck Laj，Van Awaaij Wpm.On the kinetics between CO2and alkalinoamines both in aqueous and non-aqueous solutions：An overview［J］.Chem Eng Comm，1996，144：113-117.

［10］Stolaroff J K，Keith D W，Lowry G V.Carbon dioxide capture from atmospheric air using sodium hydroxide spray［J］.Environ Sci Technol，2008，42（8）：2728-2735.

［11］Kuntz J，Aroonwilas A.Mass-transfer efficiency of a spray column for CO2capture by MEA［J］.Energy Procedia，2009，1（1）：205-209.

［12］Liu J，Wang S，Zhao B，et al.Absorption of carbon dioxide in aqueous ammonia［J］.Energy Procedia，2009，1（1）：933-940.

［13］Serizawa A，Nicholas W G，Richard G R.Circulation and scale-up in bubble columns［J］.AIChE，1992，38（1）：76-82.

［14］安鋼，孫波，安以弘，等.振動(dòng)篩板鼓泡塔中NaCO3-CO2-H2O體系的反應(yīng)速率［J］.過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2010，10（4）：696-700.

［15］Bai H，Yeh A C.Removal of CO2greenhouse gas by ammonia scrubbing［J］.Ind Eng Chem Res，1997，36（6）：2490-2493.

［16］Li Xn，Hagaman E，Tsouris C，et al.Removal of carbon dioxide from fl ue gas by ammonia carbonation in the gas phase［J］.Energy Fuels，2003，17（1）：69-74.

［17］牛振祺，郭印誠(chéng)，林文漪.MEA、NaOH與氨水噴霧捕集CO2性能［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，50（7）：1130-1134.

［18］張茂，賽俊聰，吳少華，等.氨法脫除燃煤煙氣中CO2的實(shí)驗(yàn)研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2008，23（2）：191-194.

［19］Yeh A C，Bai H.Comparison of ammonia and monoethanolamine solvents to reduce CO2greenhouse gas emissions［J］.Sci Total Environ，1999，22（8）：121-133.