赖氨酸钾水溶液捕集电厂烟气中CO2的性能研究

2019-04-16徐文胜

山西化工 2019年6期

徐文胜

(山西省忻州生态环境监测中心，山西忻州 034000)

工业革命以来，全球二氧化碳(CO2)在大气中的含量逐年升高，并成为导致全球变暖的主要原因。据研究发现，煤炭利用所产生的CO2排放占工业碳排放总量的80%，比例相当之大，因而推进燃煤大规模碳减排，是解决全球气候变化问题的主要措施之一。中国作为发展中大国，以煤为主的能源结构短期内不会改变，同时，燃煤电厂是我国煤炭消耗大户，为此，控制燃煤电厂烟气中CO2排放对我国而言更是意义重大。

化学吸收法是目前碳捕集的主要方法，尤其是氨基酸盐具有挥发性小、吸收速率高、吸收容量大，来源广泛及环境友好等优点，因此其已成为高效新型的吸收剂被广泛研究。如，Lys K水溶液在吸收CO2动力学方面已展现出良好的特性[1]；Lys K水溶液在较低温度下，吸收能力强等[2]。本文主要模拟燃煤电厂烟气条件，探讨赖氨酸钾水溶液捕集电厂烟气中CO2的性能。

1 实验药品及仪器

1.1 实验药品

二氧化碳(99.99%)、氮气(99.99%)，石家庄西三教；赖氨酸(98.01%)、氢氧化钾(48.8%)、MEA(99.12%)、氢氧化钠(0.5 mol/L)，上海阿拉丁；标准CO2气体(10.02%，体积分数)，南京特气；赖氨酸钾(>97.0%)，赖氨酸与氢氧化钾配制而成。

1.2 实验仪器

分析天平，CP214，上海奥豪斯；智能型便携式气体分析仪，SKS-BA-CO2，广东斯柯森；质量流量控制器，D07-7C，北京七星华创；无纸记录仪，MIK-200D，杭州美控；电位滴定仪，ZDJ-5，上海仪电；蠕动恒流泵，BT100-2J，保定兰格恒流泵；核磁，AVANCE500MHz，瑞士布鲁克；电子天平，Scout SE1501，常州奥豪斯；在线式红外气体分析仪，GXH-3011N，北京华云；安东帕密度黏度仪，DMA 4100M/LOVIS 2000，奥地利安东帕(中国)；压力传感器，PX490-USBH-452439，OMEGA(美国)等；pH测定仪，HI2221，哈纳沃德仪器(北京)；超声波清洗器，KQ300B，昆山市超声仪器；真空泵，2XZ-1，上海双鹅。

2 实验方法

2.1 吸收剂物化性质测定

1) pH值测定。利用pH测定仪获得。当pH值及温度示数在2 min之内不变时，即为待测溶液的pH值。值得注意的是，测定前需用标准溶液对pH电极采用三点校正。

2) 密度、黏度测定。密度数据利用安东帕DMA 4100M的U型管振荡原理测定，黏度数据通过安东帕微量黏度计LOVIS 2000仪测得，测定结果与标准值的AAD在0.5%以内即可。同样，值得注意的是测定前需对仪器进行空-水校正及水平校正。

3) CO2在Lys K水溶液中物理溶解度测定。利用N2O/CO2类比法预测。

2.2 吸收和解吸实验过程

在动态吸收-解吸装置中测定吸收剂捕集CO2过程中的性能。首先，通入一定流量的N2及标准气对CO2分析仪(GXH-3011N)进行校正；然后，模拟烟道气进行实验，分析仪示数稳定后注入一定质量的液体，当反应达到饱和之后停止实验，大约历经2.5 h；通过单位时间溶液吸收量对时间的积分，得出溶液吸收速率。

吸收实验结束后，在相同的实验装置中进行解吸实验。首先，对分析仪(SKS-BA-CO2)标定，然后，通过油浴将溶液升温至解吸温度，待有CO2逸出开始至解吸1.5 h后停止。通过单位时间溶液解析量对时间的积分，得出溶液解析速率。值得注意的是，吸收和解吸实验过程中一直通入N2，且电脑自动实时记录溶液温度、出口CO2浓度、进口气体流量等。

解吸实验结束之后，取一定的溶液测定其负载(每摩尔氨基酸盐溶液中含有的CO2物质的量/mol·mol-1)及pH值，CO2负载测量装置如图1。

图1 CO2负载测量装置

2.3 吸收剂吸收-解吸循环稳定性

在吸收-解吸装置中，首先，注入约220 mL无负载的2.0 M Lys K水溶液，加热并通入0.06 L/min CO2进行鼓泡吸收，吸收时间约8.5 h，其次，将吸收完后的溶液加热至379 K，解吸约3 h。为了吸收剂吸收-解吸循环稳定性，吸收、解吸完成后测定溶液的负载和pH值。同时，按照上述吸收、解吸步骤进行循环8次操作，并对溶液进行核磁分析。

2.4 吸收热测定

CO2吸收热是由CPA201反应量热仪测定的。实验过程中反应器置于恒温液体中，以保证反应釜内温度。反应量热仪是由反应量热仪CAP201、气体质量流量控制等组成。反应过程中时刻对热流、温度、压强进行实时监测和记录，并由VCR202全程控制加药的整个过程中CO2的计量脉冲，最后，通过热流曲线对时间的积分，得到CO2吸收热(kJ·mol-1)。

2.5 耐热和耐氧化性能定性分析

根据本实验目的，以新鲜2.0 M Lys K水溶液为研究对象，从测定溶液的热稳定性、抗氧化能力以及在高温再生时负载对吸收剂降解的影响，来分析Lys K水溶液吸收剂的耐降解能力。具体过程：1) 将溶液放置在110 ℃、150 ℃的氮气密闭环境中10 h～360 h，观察降解前、后溶液外观随着时间推移的变化，以测定溶液的热稳定性；2) 将溶液放置在相同温度不同氧气浓度的密闭环境中120 h、360 h，分析降解前、后样品的pH和总碱度变化，以测定溶液的抗氧化能力；3) 将有不同CO2负载量的溶液放置在110 ℃及150 ℃的环境中120 h、360 h，利用核磁共振技术对降解后样品产物进行13 C和1 H的定性分析，并用2,2,3,3-d(4)-3-(三甲基硅基)丙酸钠盐(TMSP-d4)作外标，以测定溶液在高温再生时负载对吸收剂降解的影响。稳定性实验流程图如图2所示。

图2 稳定性实验流程图

3 结果及讨论

3.1 吸收剂物性

实验结果显示，Lys K水溶液及MEA溶液皆为碱性，且Lys K水溶液的pH值略高于MEA溶液；Lys K水溶液及MEA溶液的密度及黏度与温度成反比，且Lys K水溶液密度及黏度略高于MEA溶液；Lys K水溶液物理溶解度大约是MEA的两倍，即，与MEA溶液相比，Lys K水溶液物化性质更好，动力学行为更优。同时，2.5 M Lys K水溶液密度、黏度及物理溶解度更大，吸收效果更好。

3.2 Lys K水溶液吸收和解吸CO2过程特性

实验结果显示，在313 K条件下的吸收实验中，吸收开始，2.0 M、2.5 M Lys K水溶液以及5.0 M MEA溶液三者对CO2的吸收速率较高。然而，随着时间的推移，当溶液具有一定负载时，吸收速率逐渐降低。但是值得注意的是，相比于其他两种吸收溶液，2.5 M Lys K水溶液一直表现出有较好的吸收效果，故其有望成为更有效的CO2化学吸收剂。

在解吸实验中，在不同解吸温度(367 K～379 K)下，溶液将在10 min之内迅速升温至所需的解吸温度，且随着温度逐渐升高，出口CO2浓度迅速升高，两种吸收剂在前20 min之内CO2的出口浓度均达到最大量。同时，解吸速率随着解吸温度的升高而增大，溶液最终的负载量随着解吸温度的升高而降低，且此现象对于Lys K水溶液更为明显。由此可见，Lys K水溶液解吸速率受温度的影响较大，故应注意控制其发挥作用时的温度。

3.3 Lys K水溶液吸收-解吸循环稳定性

实验结果显示，与传统的醇胺相比，Lys K水溶液吸收-解吸8次循环实验中，吸收后溶液的负载略有升高，解吸后溶液负载几乎不变；每次吸收后、解吸后的溶液pH值均较稳定；经酸碱处理后的最终溶液与原始溶液相对比，溶液仍然很稳定。因此，可得出Lys K水溶液作为吸收剂有较强的操作稳定性。

3.4 Lys K水溶液的CO2吸收热

实验结果显示，对于5.0 M MEA与2.0 M Lys K水溶液，吸收热随着负载的增大而减小，且当负载低于0.8 mol/mol时，由于Lys K水溶液有着较高的吸收速率，造成吸收热比MEA 略高。具体的，对于2.0 M Lys K水溶液，当负载低于0.8 mol/mol时，吸收热基本稳定在110(±5)kJ/mol CO2；当负载高于0.8 mol/mol时，吸收热随着负载的增大迅速降低，最终吸收热大约为60 kJ/mol CO2。

3.5 Lys K水溶液的稳定性

实验结果显示，随着时间的推移，溶液的总碱度变化逐渐增大，说明Lys K水溶液在降解过程中形成了可降低溶液pH值的产物。同时，当温度升高时，会加剧溶液的降解，溶液的总碱度变化相对较大。因此，可认为Lys K水溶液在高温高氧的极端条件下有可能降解明显。然而，根据实验结果也可以推断出，Lys K水溶液热降解是一个缓慢的过程，且其降解速率比MEA低，加之在实际工业中，吸收条件远不及高温高氧环境，并且负载的大小对Lys K水溶液在高温氮气下的降解速率影响也不大，因此可以判断，Lys K水溶液具有相对稳定性。