三元复合吸收剂捕集二氧化碳中试优化

2015-02-15中国石化石油工程设计有限公司

油气田地面工程 2015年2期

中国石化石油工程设计有限公司

三元复合吸收剂捕集二氧化碳中试优化

纪国庆中国石化石油工程设计有限公司

目前醇胺化学吸收法已经成为烟气二氧化碳回收的主要方法，但存在吸收速率差、再生负荷高、易降解等缺点。在前期研究的基础上，采用DEA—MDEA—AEP三元复合吸收剂，应用醇胺化学吸收流程，在10m3/h的连续测试平台上进行三元复合吸收剂的吸收、解吸常压CO2中试测试。DEA—MDEA—AEP三元复合吸收剂最佳工艺参数为：吸收温度为40℃，气液比为10L/m3，浓度为3mol/L。研究表明，相同实验条件下，吸收剂脱碳率随吸收剂浓度、气液比增加而增大，随吸收温度增加先增加后下降；再沸器的热负荷则随着吸收温度，液气比以及溶液浓度的增加而增加。

DEA；MDEA；AEP；三元复合吸收剂；CO2；工艺参数

近年来，由于工业的急速发展和人口的迅猛增加，使得大气中二氧化碳（CO2）等温室气体的浓度远远超出自然生态系统所能承受的能力，产生了温室效应。CO2是造成温室效应、导致地球气候变暖、破坏大气环境的主要污染物。

燃煤电厂是CO2的集中排放源，因而研究燃煤电厂烟气CO2的捕集纯化技术已经是当前的一项重要工作。目前醇胺化学吸收法已经成为烟气CO2回收的主要方法，但存在吸收速率差、再生负荷高、易降解等缺点，而对于CO2捕集技术来讲，开展脱碳工艺的整体优化来提高传质效率、降低再生能耗是脱碳技术现场应用的关键因素之一。

在前期研究的基础上，采用DEA—MDEA—AEP三元复合吸收剂，应用醇胺化学吸收流程，在10m3/h的连续测试平台上进行三元复合吸收剂的吸收、解吸常压CO2中试测试，研究吸收温度、吸收剂浓度、液气比（L/G）、入口CO2浓度等操作因素对脱碳率及再沸器热负荷的影响。

1 实验装置与流程

1.1实验试剂与主要设备

DEA（二乙醇胺，工业纯）；MDEA（N—甲基二乙醇胺，工业纯）；AEP（氨基乙基哌嗪，工业纯）；蒸馏水；烟气分析仪；空气压缩机；磁力传动离心泵；吸收塔；解吸塔。

其中DEA—MDEA—AEP复合吸收剂采用0.7∶0.15∶0.15的摩尔配比；吸收塔和再生塔采用不锈钢波纹规整填料CY—500。采用磁力驱动泵将贫液送入吸收塔，将富液送入再生塔。再生塔用过热饱和水蒸气间接再生。其中吸收塔塔径100mm，塔高约为4800mm，填料层分两段，每段高约为1200mm；再生塔塔径80mm，塔高4000mm，填料层分两段，每段高约为1000mm。

1.2实验流程

实验装置流程如图1所示。吸收液在吸收塔中吸收CO2，经过贫富液换热器被再生液预热后进入再生塔，在再生塔中进行解析，释放CO2后，从再生塔底部流出，进贫富液换热器和冷凝器后再重新进入吸收塔进行吸收实验。实验过程中，在吸收—再生达到稳定的循环状态后（30min后），进行数据记录。一个测试周期为10h。

图1 10m3/hCO2捕集连续测试实验装置

2 实验结果与分析

2.1反应温度对捕集CO2过程的影响

2.1.1 吸收温度对脱碳率的影响

吸收液与CO2发生的化学反应是放热反应，因此改变吸收液温度会对CO2吸收反应产生一定的影响。本文进行DEA—MDEA—AEP吸收液对CO2的脱除实验，考察吸收液的温度变化对CO2脱除效果的影响。实验条件：采用3mol/L的混合吸收液（摩尔配比为0.7∶0.15∶0.15），流量为0.1m3/h；常温进气，流速10m3/h，CO2浓度15%。

由DEA—MDEA—AEP复合吸收剂温度对脱碳率的影响曲线可以看出，脱碳率随着温度的增加呈现上升的趋势。虽然高温时因物理溶解度的关系CO2不易进入液相中，使得吸收速率降低；但温度升高吸收液黏度降低，分子扩散增强，液相传质阻力降低，使得吸收速率增大。再根据阿伦尼乌斯经验公式k=可知，温度升高，反应速率常数增大，因而反应速率增高，导致脱除率升高。当温度升高到40℃后，再升高温度对脱碳率的影响不大。

2.1.2 吸收温度对再沸器热负荷的影响

随着吸收温度的增大，两种溶液再沸器热负荷也明显随着增大。这是因为吸收率越高，再生时需要的再生热越多，当吸收温度为40℃左右时，再沸器热负荷趋于一稳定值。

在实际工业吸收操作中，由于贫富液之间有一个热量交换的过程，所以选择适当高的吸收温度既可提高吸收速率，又可减少热量交换过程中的能量损失。但过高的温度会造成溶剂的挥发损失和设备的腐蚀及热负荷的增大，所以选择吸收温度时需要均衡各影响因素。

2.2吸收剂浓度对捕集CO2过程的影响

实验条件：吸收剂反应温度为40℃，流量为0.1m3/h，CO2流量为10m3/h，反应后的富液进入常压解吸塔进行再生，待系统稳定后，连续运行10h，测定不同浓度下吸收液的平均脱除率。

2.2.1 吸收液浓度对脱碳率的影响

由复合吸收剂浓度对脱碳率的影响曲线可看出，DEA—MDEA—AEP三元复合吸收剂的脱除效率随着吸收剂浓度的增加而增加。当溶液浓度大于3mol/L时，脱碳率的趋于平稳，达到90%左右。但随着复合吸收剂浓度的增加，液相黏度升高，液相传质阻力增大，导致对二氧化碳的吸收产生不利影响。

2.2.2 吸收液浓度对再沸器热负荷的影响

再沸器热负荷随着溶液浓度的增大而增加。因为在进气量和进液量相同的情况下，溶液浓度增大，吸收CO2的量增多，解吸需要的热随之增加，导致再沸器热负荷增加。

综合考虑脱碳率与再沸器负荷，复合吸收剂浓度选用浓度为3mol/L。

2.3液气比（L/G）对捕集CO2过程的影响

2.3.1 液气比对脱碳率的影响

L/G是指吸收剂单位耗用量，大小直接影响到两相吸收反应效果。在操作过程中，增大L/G可以增大操作线与平衡线之间的距离，即可增大吸收过程的推动力。使得吸收反应容易进行，脱碳率高。反之，将减小吸收过程中的推动力，使吸收反应难进行，脱碳效果较差。

本实验CO2流量为10m3/h，通过调节液体流量来改变L/G，利用高精度烟气分析仪记录二氧化碳浓度变化。

由L/G对脱碳率的影响曲线可看出，在其他运行参数都不变的情况下，随着L/G的增大脱碳率也在增大。当L/G在10L/m3以下时，脱碳率增加速度较快；当L/G大于10L/m3后增加速度较慢，脱碳率曲线变得比较平缓。原因是L/G与气液两相的接触面积有关。随着L/G的加大，吸收液的量在增加，使得吸收塔内的喷淋密度增大，液膜的表面波动增强，从而增加了气液两相的接触面积，增强了塔内的传质推动力，因此CO2的脱除率也随着增加。当L/G增加到一定程度时，液滴的凝聚性增强，气液两相的有效接触面积不再发生变化，脱碳率也趋于稳定。

2.3.2 液气比对再沸器热负荷的影响

再沸器的热负荷随着液气比的增加而增大。在实际烟气脱碳系统中L/G的选择要综合考虑脱碳率、安全性和经济性等因素。增加L/G虽增大塔内的传质推动力，但也会使再沸器热负荷增加，此外出塔烟气所含水量也会因液气比的增加而增加。经综合考虑，本实验适宜的L/G在10L/m3左右。