低濃度CO2捕集的吸收率測算★

馬 超 援

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

·綠色環(huán)保·建筑節(jié)能·

低濃度CO2捕集的吸收率測算★

馬 超 援

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

介紹了常用的低濃度CO2氣體吸收方法，就低濃度CO2捕集吸收率的測算方法進(jìn)行了闡述，并探討了確定吸收劑的要素，對(duì)室內(nèi)CO2濃度的控制有一定的意義。

CO2濃度，吸收劑，空氣，吸收率

1 概述

近年來，人均碳排放量逐年增高，世界氣候體現(xiàn)出以變暖為主的巨大變化，溫室效應(yīng)已成為備受各國矚目的問題。在倡導(dǎo)低碳節(jié)約的新形勢(shì)下，綠色建筑是實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然選擇，是我國建筑業(yè)未來的發(fā)展方向[1]。所謂綠色建筑，是以人、建筑、環(huán)境互相協(xié)調(diào)的整合體，室內(nèi)空氣品質(zhì)是綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的重要部分。CO2濃度是室內(nèi)空氣品質(zhì)的一部分，空氣中CO2濃度較高，會(huì)使人體產(chǎn)生不適感，所以對(duì)室內(nèi)CO2濃度的控制十分重要。

在地下商場、現(xiàn)代化寫字樓等相對(duì)封閉的區(qū)域，直接對(duì)室內(nèi)CO2濃度較高的空氣進(jìn)行處理，并將成本控制在一定范圍內(nèi)，可達(dá)到降低建筑碳排放的目的。在空間站，潛艇等密閉空間中，一定時(shí)間無法和外界進(jìn)行空氣交換，則必須進(jìn)行CO2的捕集。探究低濃度CO2捕集有著重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值。

目前CO2捕集封存技術(shù)(CCS)的實(shí)施費(fèi)用和能耗依然很高,CO2分離技術(shù)的現(xiàn)狀和期望值之間還存在著巨大的落差[2]，降低其能耗和成本是目前的研究熱點(diǎn)[3]，降低碳捕集成本的首要任務(wù)便是確定吸收劑的吸收效率。

常用低濃度CO2氣體吸收方法中，化學(xué)吸收法技術(shù)最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。醇胺溶液是優(yōu)良的CO2吸收劑，呈堿性，可吸收酸性的CO2氣體，對(duì)于低濃度的CO2氣體，反應(yīng)仍十分靈敏。常用的吸收劑有一乙醇胺(MEA)溶液，甲基二乙醇胺(MDEA)溶液等，MEA效率高、速度快，但操作繁瑣且費(fèi)用較高，反應(yīng)所需溫度高，會(huì)對(duì)容器造成腐蝕，多次循環(huán)后易喪失脫碳能力。MDEA化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)容器腐蝕性低，反應(yīng)容量大，多次循環(huán)后不會(huì)像MEA一樣喪失脫碳能力，但反應(yīng)速率低下。采用MEA與MDEA的混合胺作為吸收劑，克服了兩者的缺點(diǎn)，具有高效，迅速的特點(diǎn)，且對(duì)反應(yīng)容器的要求不高，循環(huán)性能良好。

2 實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)

吸收是用適當(dāng)?shù)奈談﹣砦諝怏w或氣體混合物中某種組分的一種操作過程[4]。采用醇胺法脫除CO2，體系中既存在化學(xué)吸收，也存在物理吸收，同時(shí)在水溶液中還存在各種化學(xué)反應(yīng)，該體系是一個(gè)復(fù)雜的電解質(zhì)混合溶劑體系[5]，混合溶劑對(duì)低濃度CO2吸收能力與其溶劑組分和組分狀態(tài)有重要關(guān)聯(lián)。

吸收劑是決定吸收效果的最主要的因素，MEA與MDEA的混合胺吸收CO2時(shí)，二者比例的確定十分重要?；旌习方M分的確定是在對(duì)溶液CO2選擇性，揮發(fā)性，粘度，吸收速率，可再生性，穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性等多種性質(zhì)的綜合考慮下做出的。

混合胺與CO2發(fā)生的反應(yīng)包括水的電離，CO2與OH-的反應(yīng)，CO2與MDEA的反應(yīng)，CO2與MEA的反應(yīng)，MDEA與CO2和MEA反應(yīng)生成的質(zhì)子發(fā)生交互反應(yīng)。施耀和黎四芳等人的研究證明：在MDEA和MEA體系中，MDEA+MEA混合胺吸收液吸收CO2的反應(yīng)并非簡單的疊加，而是在吸收過程中發(fā)生了協(xié)同作用，在一定程度上增加了吸收CO2的能力[6]。

建立醇胺溶液吸收低濃度CO2的計(jì)算模型，分析各個(gè)因素對(duì)CO2吸收率的影響，有利于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的優(yōu)化。在一般有機(jī)溶液中常用的NRTL活度因子模型被擴(kuò)展到電解質(zhì)溶液中，稱為非隨機(jī)的電解質(zhì)液(E-NRTL)模型[7]。對(duì)氣液平衡(VLE)進(jìn)行評(píng)估和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，采用E-NRTL模型，在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行醇胺法捕集低濃度CO2體系的相關(guān)熱力學(xué)計(jì)算[8]。

2.2 計(jì)算方法

采用化學(xué)吸收法捕集CO2氣體時(shí)，反應(yīng)容器中CO2濃度、液相中CO2濃度及CO2捕集環(huán)境對(duì)反應(yīng)效率有很大的影響。在吸收系統(tǒng)中，氣液平衡的建立，標(biāo)志著傳質(zhì)達(dá)到極限，吸收過程也就停止，它是控制吸收系統(tǒng)操作的一個(gè)重要因素。CO2的氣液平衡計(jì)算可由亨利定律和Peng-Robinson(PR)狀態(tài)方程[9]計(jì)算。

亨利定律:

P2=Kxx2

(1)

式中：P2——該氣體的平衡分壓；x2——?dú)怏w溶質(zhì)在溶液中的克分子數(shù)；Kx——組分亨利常數(shù)[10]，在本實(shí)驗(yàn)給定吸收劑情況下，亨利常數(shù)的變化只與溫度有關(guān)。

CO2吸收率越高，說明CO2捕集效果越好。CO2吸收效率可用體積流率來表示，CO2吸收率定義為：

(2)

式中：Vin——進(jìn)口空氣的體積流率，m3/h；Vout——出口空氣的體積流率，m3/h；Cin——進(jìn)口空氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)；Cout——出口空氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)。

為得到CO2體積分?jǐn)?shù)，需先測得被測空氣中CO2含量，測空氣中CO2含量方法多樣，有氣象色譜法，容量滴定法等多種手段。

氣象色譜法由于采用了氣象色譜分離技術(shù)，不受空氣中其他組分的影響，測定結(jié)果準(zhǔn)確，檢出下限為0.014%，檢出下限不夠低，又無檢出上限，故采用氣象色譜法測進(jìn)口空氣中CO2含量。

CO2在色譜柱中與空氣的其他成分完全分離后，進(jìn)入檢測器工作臂，使惠斯登電橋失去平衡而產(chǎn)生信號(hào)輸出，從而進(jìn)行定性和定量測定[11]。

計(jì)算CO2含量需先確定校正因子，校正因子的確定：

(3)

式中：f——校正因子；c0——標(biāo)準(zhǔn)氣體含量，%；h0——平均峰高，mm。

CO2含量計(jì)算公式：

c=h×f

(4)

式中：c——樣品空氣中CO2的含量，%；h——樣品峰高的平均值，mm。

先由式(3)計(jì)算出校正因子f，將氣象色譜法實(shí)驗(yàn)測得的h及f代入式(4)即可得出進(jìn)口空氣中CO2含量。

容量滴定法測定范圍為0.001%～0.5%，采用容量滴定法時(shí)，酸性氣體會(huì)對(duì)測定結(jié)果造成干擾，一般環(huán)境的空氣中，非CO2酸性氣體含量很低，對(duì)測定結(jié)果的干擾尚不到5%，但同時(shí)檢測范圍上限不足，不適宜測進(jìn)口空氣中CO2含量，故用容量滴定法測出口空氣中CO2含量。

用過量氫氧化鋇溶液與CO2反應(yīng)，生成碳酸鋇沉淀，采樣后剩余氫氧化鋇用標(biāo)準(zhǔn)草酸溶液滴定，由容量法滴定結(jié)果和所采集的空氣體積，即可測得空氣中CO2含量[11]。

計(jì)算CO2含量需先確定標(biāo)準(zhǔn)狀況下采樣體積，標(biāo)準(zhǔn)狀況下采樣體積的確定：

(5)

式中：V0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的采樣體積，L；Vt——采樣體積，L，Vt=采樣流量(L/min)×采樣時(shí)間(min)；

t——采樣點(diǎn)的氣溫，℃；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對(duì)溫度,273 K；

p——采樣點(diǎn)的大氣壓力，kPa；

p0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓力,101 kPa。

CO2含量計(jì)算公式：

(6)

式中：c——空氣中CO2含量，%；a——樣品滴定所用草酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；b——空白滴定所用草酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL。

由式(6)計(jì)算出已處理空氣中的CO2含量及前面已得到的進(jìn)口空氣中CO2含量，經(jīng)換算，與進(jìn)出口空氣流率代入式(2)即可求得CO2吸收效率。

3 結(jié)語

確定醇胺法捕集低濃度CO2吸收效率的測算方法，首先要明確醇胺溶液吸收體系是一個(gè)復(fù)雜的電解質(zhì)混合溶劑體系。混合胺吸收液吸收CO2的反應(yīng)中，吸收劑中MEA與MDEA的比例在多種因素的綜合考慮下確定，二者在吸收過程中發(fā)生了協(xié)同作用，從而增加了吸收CO2的能力。氣液平衡是控制吸收系統(tǒng)操作的重要因素，由亨利定律和PR狀態(tài)方程計(jì)算。測算被測空氣中CO2含量的具體測定方法，由各方法的測定范圍、檢出下限、干擾因素等因素的綜合考慮下決定，進(jìn)氣端空氣中CO2含量用氣象色譜法測定，出氣端空氣中CO2含量用容量滴定法測定。由進(jìn)出口空氣中CO2的含量及空氣流率即可計(jì)算出CO2吸收率。

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Abstract: The paper introduces low-concentration CO2absorbing methods, describes the measurement and calculation methods of low-concentration CO2capture technical and explores the elements of determining absorbing agent, which has certain meaning for control indoor CO2concentration.

Key words: CO2concentration, absorbing agent, air, absorptivity

Absorption rate measurement and calculation of low-concentration CO2capture technical★

Ma Chaoyuan

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

2016-03-20★：黑龍江省東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201510225121)

馬超援(1994- )，男，在讀本科生

1009-6825(2016)15-0187-02

X701

A