膜法脱除模拟烟气中CO2的实验研究

李芳芹, 张继发, 刘 欢, 刘继勇, 郝志武, 姬海刚

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)



膜法脱除模拟烟气中CO2的实验研究

李芳芹, 张继发, 刘 欢, 刘继勇, 郝志武, 姬海刚

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

以一乙醇胺(MEA)和三乙醇胺(TEA)为吸收液,主要考察了气体流量、吸收液流量、MEA/TEA混合比,以及吸收液浓度对膜吸收法脱除CO2的脱除率的影响.实验结果表明,脱除率随模拟烟气流量的增加而减小,随吸收液流量的增加而增大;MEA的CO2脱除率比TEA的CO2脱除率高;两种溶液混合后,二者没有相互影响,混合吸收液的CO2脱除率介于二者之间.

膜吸收法; CO2脱除率; 一乙醇胺; 三乙醇胺

长期以来,随着工业文明的发展和人类对能源需求的增加,大量的CO2被排入大气,由此产生了严重的温室效应和气候变化,在很大程度上影响了地球的生态环境,威胁人类的生存.据统计,2011年全球CO2排放量达到了3.13×1010t,其中有44%来自于煤炭的燃烧.[1]

电厂是CO2的一个集中排放源,其CO2排放量约占人类活动引起的CO2总排放量的30%.一个600 MW 的电厂每小时排放的CO2量可达500 t.[2]作为煤炭消耗大户,燃煤电厂烟气脱碳对于CO2减排具有重要意义.目前,燃烧后CO2捕集技术主要有化学吸收法、物理吸收法、吸附法等.[3]由于膜吸收法分离CO2技术具有较大的接触面积、良好的模块性、更好的操作柔性等优点,并且膜吸收法中不会出现溢流、鼓泡、沟流和夹带等问题,因此该技术具有很好的应用前景.[4-7]

1 膜吸收法原理

膜吸收法中的气体和吸收液不直接接触,两者分别在膜两侧流动,微孔本身没有选择性,只起到隔离气体与吸收液的作用.微孔膜上的微孔要足够大,理论上可以允许膜一侧被分离的气体的分子不需要很高的压力就可以穿过微孔膜到达另一侧,该过程主要依靠膜另一侧吸收液的选择性吸收达到分离混合气体中某一组分的目的.[8-9]其吸收CO2的原理如图1所示.

图1 膜吸收法原理

图1中,含有CO2的模拟烟气在膜左侧流动,吸收液在膜右侧流动,与模拟烟气形成逆流;模拟烟气中的CO2分子在一定的分压力压差作用下穿过膜上的微孔到达膜的另一侧,与吸收液接触反应,这样就使得模拟烟气中的CO2不断被吸收而减少.

在膜吸收法的研究和应用中,使用最多的是中空纤维膜接触器.在膜接触器中吸收液与烟气逆向流动,烟气中的CO2通过中空纤维膜的微孔与吸收液接触而被吸收,达到脱除CO2的目的.

2 实验系统与方法

2.1 实验系统

本实验在自行搭建的膜法脱碳试验台上进行,以气液膜接触器为主体的膜吸收法吸收模拟烟气中的CO2气体,模拟烟气按照氧气3%、氮气83.3%、二氧化碳13.7%的体积分数混合而成.实验系统如图2所示.

图2 实验系统示意

膜接触器是完成吸收液脱除CO2的反应容器,膜接触器中分管程和壳程,试验中模拟烟气通过壳程自下而上流经膜接触器,吸收液通过管程自上而下流经膜接触器.

CO2的含量由红外线CO2检测仪测定,其检测原理是根据气体对红外线具有选择吸收的原理及郎伯-比尔定律,[10]能够连续测量气体中的CO2气体浓度值.

2.2 实验方法

模拟烟气在气体混合罐中混合均匀后分为两路:一路经膜接触器反应后到达CO2检测仪;另一路经旁通管道直接进入烟气分析仪.实验时,先关闭接触器通路的阀门,打开旁通通路的阀门,用CO2检测仪测定模拟烟气中初始CO2浓度ci;然后关闭旁通通路的阀门,打开接触器通路阀门,并供给吸收液,取CO2检测仪示数稳定后的读数作为脱碳后的CO2浓度co.

假设模拟烟气在入口和出口的流量不变,CO2脱除效率的计算式为:[11]

(1)

式中:ηCO2——CO2脱除率;Qi,Qo——模拟烟气进出膜接触器的流量;ci,co——进出膜接触器的模拟烟气中CO2的浓度.

3 实验结果与讨论

3.1 气体流量对单一吸收液吸收性能的影响

分别采用一乙醇胺(MEA)和三乙醇胺(TEA)为吸收剂配置溶液,[12]以模拟烟气流量为控制对象测定其吸收性能.实验在室温环境下进行,确定吸收液流量,依次改变模拟烟气流量的试验工况,见表1,实验结果见图3.实验工况的参数主要是依据实验台的实际情况和前期实验的效果确定,参考文献[13]的研究,吸收液浓度在1 mol/L时,可以达到较高的脱碳效率,再增加吸收液浓度,脱碳效率增加效果并不显著,因此吸收液浓度确定为1 mol/L;模拟烟气中CO2含量的取值参考实际电厂烟气中CO2的含量值确定.

表1 改变模拟烟气流量试验工况

图3 CO2脱除率随模拟烟气流量变化

由图3可以看出,在相同模拟烟气流量的情况下,MEA的CO2脱除率明显高于TEA的脱除率,并且差距在模拟烟气流量为6 L/min时达到最大;随着模拟烟气流量的增加,MEA和TEA的CO2脱除率均有不同程度的下降,其中TEA的降幅更大;当烟气流量从2 L/min增加至12 L/min时,MEA的CO2脱除率从87.3%降至66.4%,而TEA的CO2脱除率从71.3%降至20.4%.

3.2 吸收液流量对单一吸收液吸收性能的影响

分别采用MEA和TEA为吸收剂配置溶液,以吸收液流量为控制对象测定其吸收性能.实验在室温环境下进行,确定模拟烟气流量,依次改变吸收液流量的实验工况见表2,实验结果见图4.

表2 改变吸收液流量实验工况

图4 CO2脱除率随吸收液流量变化

由图4可以看出,在吸收液流量相同的情况下,MEA比TEA有着更高的CO2脱除率,但两者脱除率的差距随着吸收液流量的增加而减小;两种吸收液的CO2脱除率都随着吸收液流量的增大而增大,但增大趋势逐渐减缓;当吸收液流量从4 L/h增大到16 L/h时,MEA的CO2脱除率从83.5%增加到95.2%,而TEA的CO2脱除率从42.6%增加到82.6%.

产生上述现象的原因可能是,随着吸收液流量的增大,提高了膜丝内液体分布的均匀性,保证了气液两相界面有较高而又稳定的吸收剂浓度,进而提高了CO2的扩散和吸收速度,因此两种吸收液的CO2脱除率均有提高;当CO2脱除率到达较高的值后,由于模拟烟气中CO2含量和分压的降低,使得再增加脱除率越来越困难,故CO2脱除率增长的趋势逐渐减缓;由于MEA的初始CO2脱除率较高,增加吸收液流量使得其脱除率增量有限,然而TEA的初始脱除率相对较低,在一定范围内,增加吸收液流量使得其脱除率有较大幅度的提高,由此使两种吸收剂的CO2脱除率的差距也相应缩小.

3.3 混合吸收液的吸收性能

将MEA和TEA按照不同比例配制成混合吸收液,测定其在不同模拟烟气流量和吸收液流量的情况下,吸收液的吸收性能,实验在室温下进行,具体工况见表3和表4,实验结果见图5和图6.

表3 混合吸收液改变模拟烟气流量实验工况

表4 混合吸收液改变吸收液流量实验工况

图5 混合吸收液CO2脱除率随模拟烟气流量变化

图6 混合吸收液CO2脱除率随吸收液流量变化

由图5和图6可以看出,混合吸收液的CO2脱除率介于MEA和TEA之间,并随模拟烟气流量的增加而降低,随混合吸收液流量的增加而增大;由于两种吸收液单独使用时,MEA比TEA有更高的脱除率,吸收能力强,所以随着MEA相对含量的减少,混合吸收液的CO2吸收能力逐渐减弱,脱除率逐渐降低.

当MEA与TEA的混合比例为1∶1时,混合吸收液的CO2脱除率约是两种吸收液单独脱除率的平均值,这说明MEA和TEA两种吸收液之间几乎没有相互影响,并且就CO2脱除率而言,混合吸收液不如纯MEA的效率高.

4 结 论

(1) 单一吸收液时,在相同工况下,MEA比TEA具有更高的CO2脱除率,其脱除率均随模拟烟气流量的增加而减小,随吸收液流量的增加而增大;

(2) 与MEA相比,TEA的CO2脱除率随模拟烟气流量和吸收液流量波动更大,两种吸收液的CO2脱除率随模拟烟气流量的增大而增加,随吸收液流量的增加而减小;

(3) 混合吸收液的CO2脱除率随模拟烟气流量的增加而减小,随吸收液流量的增加而增大;

(4) MEA和TEA的混合吸收液的CO2脱除率介于二者的脱除率之间,混合以后两种吸收液相互不产生影响,混合吸收液中MEA的比例越高,其CO2脱除率越高.

[1] IEA.2013 key world energy STATISTICS [M].Paris:Soregraph,2013:18-22.

[2] 杨明芬.膜吸收法和化学吸收法脱除电厂烟气中二氧化碳的试验研究[D].杭州:浙江大学,2005.

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[7] 崔丽云,王宇,李云鹏,等.膜接触器吸收二氧化碳过程中的膜润湿研究[J].膜科学与技术,2014,34(4):33-38.[8] 章名耀.洁净煤发电技术及工程应用[M].北京:化学工业出版社,2010:15-38.

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[10] 陈子聪,高致慧,曹志,等.基于中红外LED的CO2气体浓度检测系统研究[J].激光与红外,2012,42(11):1 255-1 258.

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[12] ZHANG Zhien,YAN Yunfei,CHEN Yuanxin,etal.Investigation of CO2absorption in methyldiethanolamine and 2-(1-piperazinyl)-ethylamine using hollow fiber membrane contactors:Part C Effect of operating variables[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2014,20(1):58-66.

[13] 张卫风.中空纤维膜接触器分离燃煤烟气中二氧化碳的试验研究[D].杭州:浙江大学,2006.

(编辑 胡小萍)

Experimental Study on CO2Removal in Simulated Flue Gas Using Membrane Absorption

LI Fangqin, ZHANG Jifa, LIU Huan, LIU Jiyong, HAO Zhiwu, JI Haigang

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Monoethanolamine(MEA) and triethanolamine(TEA) are chosen as the absorbents,the CO2removal efficiency is influenced by gas flow,absorbents flow,the ratio of MEA and TEA and the concentration of absorbent.The result shows that the removal efficiency decreases while the gas flow increases and it rises while the absorbents flow increases.Compared with TEA,MEA has a higher CO2removal efficiency.MEA and TEA may not react with each other when they are mixed;besides,the CO2removal efficiency of mixed absorbent is between the value of CO2removal efficiency when they are used respectively.

membrane absorption; CO2removal efficiency; monoethanolamine; triethanolamine

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.010

2015-03-23

简介：李芳芹(1976-),女,博士,副教授,河南商丘人.主要研究方向为燃煤锅炉污染物生成机理与控制方法,清洁煤燃烧技术.E-mail:lifangqin@shiep.edu.cn.

上海市科学技术委员会部分地方院校能力建设项目(13160501000); 上海发电环保工程技术研究中心项目(11dz2281700).

X701.2

A

1006-4729(2016)05-0459-04