MEA复合吸收剂吸收燃煤烟气中CO2的抗氧剂作用及吸收条件优化

2018-11-15刘建周

天然气化工—C1化学与化工 2018年5期

袁龙，刘建周

（1.徐州医药高等职业学校，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学化工学院，江苏徐州 221008）

CO2引发的温室效应对环境造成越来越大的危害，因此受到了人们的广泛关注。同时，作为一种碳资源，CO2的工业生产及应用领域的研究也十分活跃。煤炭是我国的主要能源，与油气相比煤炭含炭量高，燃煤烟气中CO2的体积分数较高，可达到8%～15%[1-2]，燃煤烟气已成为CO2的主要排放源。以有机胺为吸收剂，采用可逆吸收法分离富集CO2，以其吸收速率快、吸收效率高等优点得到了广泛的应用。由于有机胺溶液腐蚀性强和易氧化降解等特性，在使用过程中加大了吸收剂的消耗和设备的损耗。对有机胺进行改性处理是目前研究的主要问题之一[3-6]。添加抗氧化剂可有效地缓解有机胺的氧化降解。本文采用MEA为吸收剂吸收燃煤烟气中的CO2[7-9]，研究抗氧剂对有机胺的抗氧化降解作用以及优化抗氧剂的加入量。

1 实验部分

采用动态配气法配制烟道气，CO2体积分数15%。在20%的MEA水溶液中[10-13]，加入抗氧剂1010，配制成1#～7#吸收剂[14-15]。1#～7#吸收剂添加抗氧剂质量分数分别为0%、0.05%、0.15%、0.25%、0.35%、0.45%、0.55%。分别将模拟烟气通入含有抗氧剂的吸收剂中，气相色谱仪分析测定一定流量条件下的烟气进出口CO2含量变化，以单位质量吸收剂吸收CO2体积随吸收时间的变化表示吸收速率。以吸收速率作为判断吸收效果的指标。

将吸收平衡的吸收剂，加热解吸出CO2，并进一步蒸馏出吸收剂所含的水分，得到再生的吸收剂样品。应用傅立叶变换红外光谱（Arartar 360型）测试分析再生吸收剂的组成[16]。

2 结果与分析

2.1 抗氧剂添加量对吸收速率的影响

分别测试不同抗氧剂含量的复合吸收剂的CO2吸收速率随吸收时间的变化，结果如图1所示。可以看出，在前30 min内各吸收剂均表现出较快的CO2吸收速率，且维持吸收速率基本稳定。随着吸收反应的进行，吸收剂中的MEA与CO2反应而被消耗，致使MEA浓度降低及吸收速率下降。70min后吸收速率趋于平衡。其中3#吸收速率初始值相对较大，下降趋势也相对缓慢；4#吸收速率初始值低于3#，但其吸收速率下降趋势与3#基本相同。图1中曲线下方的面积表示吸收剂吸收的CO2的量。对图1中各曲线下方的面积进行积分，比较各积分值可知3#吸收剂获得的CO2吸收量最大，其次为4#吸收剂。说明添加抗氧剂后的MEA溶液吸收CO2的能力加强。抗氧剂的加入使MEA的氧化降解得以缓解，减少了降解作用对MEA的消耗，可使MEA更有效地吸收CO2。但是，当抗氧剂添加不足或过量时则不利于有效地提高MEA的吸收效果。当抗氧剂添加量不足时无法起到降低有机胺氧化降解的作用；较多的抗氧剂添加量会阻碍有机胺与CO2的结合，导致吸收效果降低。

从吸收效果和经济性考虑，3#样的抗氧剂添加量少，且吸收效果较好，是适宜的复合吸收剂配比，即抗氧剂1010的最佳添加质量分数为0.15%。

图1 抗氧剂1010添加量对吸收速率的影响

2.2 循环吸收对CO2吸收速率的影响

图2 第6次循环吸收CO2吸收速率变化

图2显示了经过多次循环吸收后，不同标样吸收CO2的速率比较，由吸收速率变化趋势图可以看出，3#吸收速率下降趋势较为缓慢。对此曲线进行积分得其吸收CO2总的量（图3），3#吸收CO2体积较大，4#次之。

将七种样品的一次吸收和多次吸收效果进行综合考虑，3#标样吸收效果较为理想，即抗氧剂1010最佳添加质量分数为0.15%。

2.3 吸收过程中吸收剂的红外光谱分析

图4 MEA添加1010吸收解吸1次后的红外谱图

图4中1～5条谱线是由在MEA中添加不同量的1010后吸收解吸得到的，从图中可以看到五条谱线的形状具有相似性，这说明吸收解吸后的溶液中产物在很大程度上是一致的。在高波数区，未加1010的有机胺溶液空白样（1号谱线）在3361cm-1处出现一宽峰，这主要是由伯胺—NH2和—OH的伸缩振动引起的，由于—NH2和—OH容易缔和产生氢键，导致峰连在一起，形成宽峰。随着1010的加入量增大，振动频率先增大后减少，3号谱线的峰偏移最大至3416cm-1，而且其峰面积也较其它峰大，说明加入1010（0.15%）有机胺溶液的再生情况是最好的，这与通过测定吸收速率和吸收量得到的效果是一致的。可见1010的加入在很大程度上，抑制了MEA的氧化降解，再生能力得到了提高。