CO2液相吸收设备的应用现状与进展

杨静怡，高姣丽，曹丽琼，成怀刚，薛芳斌

(山西大学 资源与环境工程研究所 CO2减排与资源化利用教育部工程研究中心，山西 太原 030006)

为了缓解温室效应对全球气候的影响，对温室气体CO2吸收过程的研究得到了广泛关注[1]。CO2吸收剂种类很多，主要包括固态金属氧化物、液体有机醇胺等。在CO2的吸收剂中，液相吸收剂对CO2的吸收率比较高，其中除醇胺溶液以外还可以使用氨水及热钾碱溶液等碱性溶液。目前利用液相吸收剂对CO2进行吸收的反应体系已经相对成熟，由此也催生了多种反应设备，而选择合适的吸收设备型式是进行CO2吸收工艺的关键环节之一。

据已有关于CO2吸收的研究，吸收过程可以通过多种设备完成，最常见的主要有釜式设备、塔式设备、膜反应器及超重力反应器等。根据工艺目的和设备型式的差异，吸收设备的工作能力一般按照CO2的吸收率或去除率来予以表征。釜式设备通过控制釜内的温度来促进吸收剂对CO2的吸收或去除[2]。塔式设备包括喷淋塔、填料塔和鼓泡塔等多种形式，且不同形式的吸收塔对应不同的气液接触形式，通过控制气液流量等操作条件实现对CO2的高效吸收。膜反应器通过膜组件将CO2与吸收剂分隔开，可以克服传统反应器中的鼓泡、溢流等现象[3]，提高了CO2的吸收率。超重力反应器通过填料和转子来强化吸收过程，填料加大了吸收剂与CO2的接触面积，而转子使气液接触面不断更新，两者共同作用进一步提高了CO2的吸收率或去除率[4]。本文综述了上述四种吸收设备的装置型式与使用效果，为CO2吸收设备的选型提供参考。

1 釜式设备

釜式设备是应用最广泛的CO2吸收设备，其耐热和耐压性能较好，且可以根据具体的反应条件来选择不同的搅拌及加热方式。

釜式设备常用的搅拌装置为磁力间接搅拌，通过搅拌作用增大吸收剂的湍流程度，以减小气液两相的传质阻力，从而提高CO2的吸收率。阳涛等[5]使用磁力搅拌桨，以1-氨丙基-3-甲基溶液为吸收剂对CO2进行吸收，结果表明，当温度为5 ℃时，CO2的吸收率约为94%。除此之外，反应釜常用的搅拌装置还有机械直接搅拌[6]和超声外场强化等方式。

釜式设备的加热方式多样，如热夹套加热、内盘管加热、电磁加热等。加热装置可以调节反应釜内的温度，以达到最佳吸收条件。Ramezani等[7]利用一乙醇胺和裂解钾的混合溶液对CO2进行吸收时，用热夹套控制反应釜内的温度。研究结果表明，当反应温度为30 ℃时，每摩尔吸收剂对CO2的吸收量最高为0.64摩尔。但是，热夹套传热性能差，导致CO2的吸收量较低。因此，Azhgan等[8]以1，5-二氨基-2-甲基戊烷水溶液为吸收剂在反应釜中对CO2进行小型吸收实验时，利用了恒温水循环器将温度控制在设定点。研究结果表明，当实验温度为30 ℃时，每摩尔吸收剂对CO2的吸收量最高为 1.21 mol。

在实际生产过程中，釜式设备操作简便，搅拌及加热方式多样，温度适用范围广，能满足多种反应条件。

2 塔式设备

塔式设备有填料塔、喷淋塔和鼓泡塔等多种形式，其气液接触方式多样，因其操作灵活而得到了广泛的应用。

填料塔适用于吸收剂以膜状与CO2进行接触的反应，填料是其重要装置，包含散堆和规整两种填料形式[9]，其作用是加大吸收剂与CO2的接触面积，从而促进CO2的吸收。马双忱等[10]在立式填料塔中用散堆陶瓷垃西环作为填料，利用氨水脱除烟气中的CO2，结果表明在最佳条件下，CO2在1 min内的吸收率或去除率为90%以上。但是，散堆填料会引起沟流及壁流现象，为避免这些现象，Tan等[11]使用波纹板规整填料进行CO2的脱除反应，结果表明当塔内压力为1 MPa时，CO2的去除率可以达到95%。

喷淋塔适用于吸收剂以液滴状与CO2进行接触的反应，与填料塔相比，喷淋塔结构更简单，只需在塔顶安装喷嘴即可提高吸收剂的雾化程度，进而提高喷淋塔对CO2的吸收率。Xu等[12]以氨水作为吸收剂在喷淋塔中进行CO2的吸收实验，通过压力旋流喷嘴将氨水雾化，在温度为30 ℃时，CO2去除率为56%。压力旋流喷嘴结构简单、制作成本低，但这种喷嘴易堵塞，影响了喷淋塔对CO2的吸收效果。为改善压力旋流喷嘴的这一缺点，吴彬[13]在喷淋塔内利用单乙醇胺对CO2进行吸收时，用离心式喷嘴对单乙醇胺进行雾化，研究结果表明当温度为40 ℃，气体进口流速为2 m/s时，CO2的吸收率为96%左右。

鼓泡塔适用于吸收剂以气泡状与CO2接触的反应。气体分散器作为核心装置，通过将CO2气流分散成微小的CO2气泡，加大气液接触面积，从而提高鼓泡塔对CO2的去除率[14]。气体分散器的孔径大小是影响CO2吸收的重要因素。Pashaei等[15]在鼓泡塔中，研究单乙醇胺对CO2的吸收效果时，采用孔径为1 000 μm的六孔不锈钢气泡分散板对CO2进行分散，结果表明当CO2分压为0.3 kPa时，CO2的去除率为56%。但是，这种气泡分散器的孔径过大，导致CO2与吸收剂的接触不充分，从而影响了鼓泡塔对CO2的吸收。马双忱等[16]利用氨水为吸收剂吸收CO2时，在鼓泡塔中将孔径为30～ 50 μm 的玻璃砂芯漏斗作为气体分散器，研究证实，当温度为45 ℃时，CO2的去除率约为98%。

填料塔和喷淋塔结构多样，适用于处理量大，需要控制液气比的反应。鼓泡反应塔结构简单，气泡分散器多样，体积较小，一般适用于小型吸收过程。

3 膜反应器

膜反应器是新兴的吸收设备，气液两相逆流进入膜反应器内进行反应[17]，不同的膜接触器具有不同的高度及膜组件结构。

膜组件作为膜反应器中的核心装置，其作用是将吸收剂与气体分隔开，防止产生鼓泡、溢流等现象。膜组件具有平直形、螺旋形和编织形等多种结构[18]，不同的结构传质面积不同，对CO2的去除率也不同。Mejia[19]分别用螺旋形和平直形膜组件在膜反应器中对CO2的传质性能进行研究，结果发现膜组件为螺旋形的反应器对CO2的传质系数比平直形的高3～4倍。传质过程得以显著增强的原因在于螺旋形的膜组件具有弯曲的几何结构，与平直形膜组件相比，其气液传质面积更大，因此对CO2的吸收率更高。但是，螺旋形的膜组件制作工艺复杂，为克服这个缺点，Wang[20]在膜反应器内使用编织形膜组件进行研究，结果证实CO2的去除率可达到96%左右。

膜反应器的高度对CO2的吸收或去除也有影响，Gao等[21]利用甘氨酸和一乙醇胺的混合溶液为吸收剂，考察了膜组件高度对CO2去除率的影响，研究发现，当液体速度约为0.09 m/s，膜反应器的高度从0.2 m增加到0.6 m时，CO2的去除率从30%增加到68%左右。这是由于随着膜组件高度的增加，气体的传质面积增大。

膜反应器设备占地面积小、能耗低、操作方便，但膜反应器投资成本普遍较高[22]。通过改进膜组件的结构和稳定性从而降低膜反应器的成本，是促进其不断推广的前提。

4 超重力反应器

超重力反应器也称旋转填料床，是一种新型化工强化设备，主要通过转子高速旋转产生稳定的离心力来强化CO2与吸收剂的传质过程。

超重力反应器常用的填料有不锈钢丝网填料和多孔波纹板规整填料等形式，填料的存在可以加大吸收剂与CO2的接触面积，从而提高吸收率。赵晨希等[23]以甘氨酸钠溶液作为吸收剂，在旋转填料床中进行CO2的吸收实验，通过不锈钢丝网将吸收剂切割成更小的液膜，在温度为85 ℃时，CO2的吸收率约为70%。但是，不锈钢丝网填料存在气阻大、易堵塞等问题，会降低旋转填料床对CO2的吸收率。为了解决这些问题，邢银全等[24]利用N-甲基二乙醇胺和烯胺三乙烯四胺组成的混合溶液为吸收剂对CO2进行吸收时，在旋转填料床中使用多孔波纹板规整填料。研究结果表明，当温度为40 ℃时，CO2的吸收率可达到85%左右。

转子是超重力反应器的另一核心部件，其通过高速旋转产生的离心力使CO2与吸收剂的接触面不断更新，从而提高CO2的去除率。Ma等[25]在利用单乙醇胺、2-甲基氨基乙醇及哌嗪等有机胺溶液对CO2进行吸收的过程中，通过改变转子的转速来改变旋转填料床对CO2的吸收率。结果表明，当转子转速从600 r/min提高至1 800 r/min时，CO2的去除率可以从76%增加到95%左右。

与其他吸收设备相比，超重力反应器具有设备占地面积小、投资成本低及易于移动等优势[26]，因此在工业中的应用越来越广泛。

5 结束语

CO2吸收是一项重要的化工过程，吸收设备也随着研究的深入而不断更新，釜式设备、塔式设备、膜反应器及超重力反应器已经能适应多种吸收工艺。在实际生产中，反应釜的搅拌及加热方式多样，温度变化范围广，通常适用于对操作温度要求较高的反应，对CO2的吸收率可达到95%左右。与釜式设备相比，塔式吸收设备结构多样，适用范围广，其中填料塔和喷淋塔适用于生产规模大，需要控制液气比的过程，对CO2的吸收率或去除率高达98%左右；鼓泡反应塔结构较简单，占地面积小，适用于小型反应。与传统吸收设备相比，膜反应器内的吸收剂与CO2不直接接触，不会产生鼓泡、溢流等现象，其对CO2的去除率可达到96%左右。超重力反应器主要借助高速旋转产生的离心力以强化对CO2的吸收，填料和转子的双重强化作用可以使CO2的去除率达到95%左右，且超重力反应器占地面积小，易于灵活操作。

CO2吸收设备种类多样，在实际生产过程中，要考虑工业化应用与实验研究阶段的有效衔接。对于实验室进行的吸收反应，要实现这些设备的大规模应用，还需要对设备型式不断地进行改进。