MDEA 溶液吸收烟气中CO2的实验研究

2012-12-23周丽艳蔡素芝

江汉大学学报（自然科学版） 2012年6期

周丽艳，晋梅，蔡素芝，黄璐

（工业烟尘污染控制湖北省重点实验室（江汉大学），江汉大学化学与环境工程学院，湖北武汉 430056）

0 引言

CO2是导致全球气候变暖最主要的温室气体之一，同时又是一种具有较高工业价值的碳资源，故对排放的CO2进行回收已成为全球各个国家十分关注的问题［1－6］。目前，国内外现有的二氧化碳的吸收方法有物理吸收法、膜吸收法、化学吸收法以及O2/CO2燃烧法。其中，化学吸收法已成为烟气CO2回收的主要方法，而众多吸收剂中，由于N－甲基二乙醇胺（MDEA）具有处理能力高，稳定性良好及不腐蚀碳钢设备等优点，得到脱碳行业的高度重视［7－12］。本文通过改变MDEA吸收液浓度、反应温度、进气总流量等条件，考察操作条件对CO2吸收速率及吸收容量的影响，为动态法吸收CO2提供一定的实验依据。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

原料气与试剂：烟道气采用气瓶配气方式，其中CO2∶N2=15∶85（V/V）%。CO2钢瓶、N2钢瓶，纯度99.99%，武汉钢铁集团公司；MDEA，分析纯，萨恩化学技术上海有限公司；酚酞试剂。

仪器：转子流量计，1～10 mL/min，武汉流量仪表厂；转子流量计，6～60 mL/min，常州双环热工仪表有限公司；GL－100C 型电子皂膜流量计，10～900 mL/min，北京三环华劳科贸有限公司；HH－2 型数显恒温水浴锅，常州国华电器有限公司。

1.2 实验方法

MDEA 吸收CO2实验装置见图1。吸收反应器采用内装适量玻璃珠的U 型多孔玻板吸收管。首先，量取定量的MDEA 溶液和定量酚酞试剂到吸收器中，在常压、一定温度、浓度和进气总流量下对烟道气中CO2的吸收效果进行测定。通气即开始计时，每间隔2 min 记录出口烟气流量，直至吸收液褪色且出口流量恒定，停止实验。CO2吸收速率N 通过下式计算

其中N 为吸收速率，mmol/s；P*为吸收系统内部压力，Pa；ΔV 为被吸收的CO2体积，mL；R 为普适常数，8.314 J/（mol·K）；T 为反应温度，K。

图1 静态吸收装置简图

为确保实验误差在±2.5%以内，每次实验前都要对流量计进行标定。

2 实验结果与讨论

在MDEA 溶液体积不变情况下，通过改变操作条件，如MDEA 浓度（0.02～0.04 mol/L）、反应温度（16～28 ℃）、进气总流量（40～53.3 mL/min）对烟气中CO2的吸收速率及吸收容量进行研究。

2.1 浓度、温度及气体总流量对吸收速率的影响

不同浓度下MDEA 溶液对CO2的吸收速率如图2 所示。图2 表明，一定浓度的MDEA 溶液对CO2吸收速率随时间的增加呈下降趋势，逐渐趋于平缓。然而在同一吸收时间下，随着浓度的升高，CO2吸收速率先增大而后降低。

图2 不同浓度MDEA 吸收速率—时间关系（总流量为46.6 mL/min，温度为22 ℃）

众所周知，当MDEA 溶液浓度越大时，意味着单位体积内吸收CO2的有效溶质含量越多，相应的气液两相间的相际接触面积就越大。因此，在相同时间内，MDEA 溶液浓度越大，则CO2的吸收速率越高。由MEDA 溶液对CO2吸收动力学［13－15］表达式：

图3 不同温度下吸收速率—时间关系（总流量为46.6 mL/min，浓度为0.03 mol/L）

不同烟气流量下MDEA 溶液对CO2的吸收速率如图4 所示。随着吸收时间的增加，不同流量下的吸收速率均呈下降趋势，逐渐趋于平缓；在同一吸收时间下，CO2吸收速率随着流量的升高先增大后降低。气体流量增大，一方面会引起气液相传质阻力减小，有利于CO2吸收；另一方面会缩短停留时间。从传质动力学的观点来看，溶质在液膜中的扩散、气体在气膜中的扩散、反应物/生成物在相际间的传质及化学反应，都需要一定的时间才能完成［18］。停留时间的缩短不仅不利于吸收，而且会使气液接触时间缩短，造成吸收剂损失，导致吸收效果变差。因此，在MDEA 吸收液浓度为0.03 mol/L、吸收温度为22 ℃条件下，进气总流量为46.6 mL/min 时，可达到较高的CO2的吸收速率。

图4 不同进气总流量下吸收速率—时间关系（MDEA 浓度为0.03 mol/L，温度为22 ℃）

2.2 浓度、温度及进气总流量对吸收容量的影响

吸收速率对时间的积分即为吸收容量，不同浓度、不同温度和不同流量下的吸收容量如图5～图7 所示。从图5～图7 可知，在浓度、温度和流量的优化条件下，相对应的CO2的吸收容量也较高，从而也验证了吸收容量和吸收速率的一致性关系［19］。

图5 不同浓度MDEA 吸收容量—时间关系（总流量为46.6 mL/min，温度为22 ℃）

图6 不同温度下吸收容量—时间关系（总流量为46.6 mL/min，浓度为0.03 mol/L）

图7 不同气体总流量下吸收容量—时间关系（MDEA 浓度为0.03 mol/L，温度为22 ℃）

2.3 优化工艺条件下的最大吸收速率与最大吸收容量

采用优化的吸收条件：MDEA 溶液浓度0.03 mol/L、吸收温度22 ℃以及进气总流量46. 6 mL/min 的条件下，对其吸收速率和吸收容量与时间之间的关系进行研究，如图8、图9 所示。可见，在初始吸收时可得到最大CO2吸收速率为0.43 mmol/s，在吸收饱和时对应的CO2吸收容量可高达16.05 mmol/mL，这一结果优于翟彦青等［19］在常温常压、吸收液浓度为0.1 mol/L 实验条件下的研究结果。

图8 最佳工艺条件下吸收速率—时间关系

图9 最佳工艺条件下吸收容量—时间关系

3 结论

通过在不同MDEA 吸收液浓度、不同温度与不同进气总流量下对CO2的吸收速率和吸收容量进行了研究。结果表明：MEDA 吸收液对CO2的吸收存在最优工艺条件，吸收液浓度为0.03 mol/L，进气总流量为46.6 mL/min，吸收温度为22 ℃。在此条件下CO2吸收效果最佳，在初始吸收时可得到最大CO2吸收速率为0.43 mmol/s，在吸收饱和时对应的CO2吸收容量可高达16.05 mmol/mL，其吸收特点与吸收机理有较好的一致性。

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